基于真实情境的“匀变速直线运动的应用”教学实践与反思

摘   要：结合生活中常见的运动场景，创设匀变速运动问题情境，引导学生应用所学知识解答实际问题，树立安全意识，以促进学生核心素养的提升。

关键词：问题情境；科学态度与责任；匀变速直线运动的应用

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）2-0094-3

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》提出，高中物理课程要通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境，培养和发展学生的自主学习能力，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实［1］。高考评价体系规定了高考考查载体之一——情境，要求即将进入高等学校的学习者在新颖或陌生的情境中主动思考，完成开放性或探究性的任务［2］。因此，本节课希望通过创设贴近学生生活的运动情境，一方面，提高学生从情境中建立匀变速直线运动模型的能力，通过提出问题、制订方案等要素提升科学探究能力，学会从情境中提取所需数据，关注情境中的限制条件，计算较为复杂的多体多过程问题；另一方面，通过将生活中的问题引入课堂，让学生感受平时所学内容可能是自己和家人安全的保障，体会遵守交通规则的重要性，实现从解题到解决问题的转变。

1    教学内容及学情分析

匀变速直线运动是学生进入高中阶段学习的第一个运动模型，也是生活中经常遇到的一种运动。学生对该运动涉及的运动规律的理解和掌握，对其之后的牛顿运动定律、平抛运动等内容的学习有很重要的影响。尤其是对于已进入高三一轮复习的学生而言，尽管复习了运动学的基本概念，初步掌握了匀变速运动的基本规律，但他们存在记不住关系式，不能灵活选用关系式并对问题进行解答，以及在复杂情境中（如两体多过程问题）不能建立相应运动模型，不会从问题描述中提取隐含条件，不善于用图像和相对运动的方法进行处理等问题。创设真实问题情境有助于学生对运动概念和规律的认识和理解，通过对问题的思考和解答，有助于其学科素养的发展，并激发其学习兴趣。

2    教学目标及教学重难点

基于上述学情，本节课的教学目标是通过生活中的运动实例，熟悉位移、时间、加速度、速度等物理量间的关系，能够准确写出解决问题所需的表达式，这也是本节课的重点。能从生活实例建立匀变速直线运动模型，综合运用其规律解决生活中的实际问题，提升科学思维，树立安全意识、态度和责任，这同时也是本节课的难点。

3    教学主要环节

3.1    创设匀变速运动情境

3.1.1    情境创设及问题提出

人行横道是很多学生每天或者每周的必经之路（图1），曾经出现过因行人或车辆不遵守交通规则引发的交通事故，当学生通过该通道时，经常会遇到这样的问题：行人准备经人行横道到马路的另一侧，人行交通灯显示绿灯还剩2 s，行人能否安全通过？

3.1.2    教师引导

首先，行人以什么运动方式通过？在2 s内以正常行走速度1.5 m/s开始通过一侧道路，需要多大的加速度？末速度为多少？其次，如果做匀加速直线运动，知道初速度及运动时间的情况下，还需要知道哪些物理量才能计算出加速度和末速度，怎么获取这些物理量？

3.1.3    学生活动

学生思考、讨论后提出，为方便计算，可以假设行人做匀加速直线运动，知道初速度及运动时间的情况下，还需要知道位移才能求出末速度和加速度，并提出测量道路宽度的方案：测量某人正常行走时一步的长度，再数出此人匀速通过这段路程时的步数，两者的乘积即为道路的宽度。

以上方案可以留给学生课后验证，课堂上向学生展示一张导航地图APP的截图（图2），因为地图经过标准测量会显示标度，这个类似于力的图示中有关力大小的表示。学生通过以上数据估算出道路的宽度为15 m，通过计算得出加速度为6 m/s2，末速度为13.5 m/s，结果显然是不符合常理的，因此在这种情况下通过是不安全的。

3.2    创设单体多过程运动情境

3.2.1    情境创设及问题提出

行人在通过马路时还可能遇到另外一种情况（图3），即通行灯还剩8 s时，从图中A点开始跑向C点，这种情况下行人是否可以安全通过呢？

3.2.2    教师引导

用类似的方法可以估算出A点距离路口C点大约为20 m，假设行人初速度为1.5 m/s，加速度为2 m/s2，实际运动中，行人会一直做匀加速运动吗？运动会受哪些因素影响？为计算出结果，应进行哪些近似处理？

3.2.3    学生活动

学生思考、讨论后回答：行人从A点到C点很难一直做匀加速运动，因体力的限制存在最大速度，因此，运动过程应该为分段运动，即先做匀加速运动，到达最大速度后做匀速运动。设最大速度为3.5 m/s，并忽略转弯对速度大小的影响，可以推算出加速过程时间为1 s，位移大小为2.5 m，到达路口需要约6 s，通过道路到达中央人行道需10.3 s。

上述结果是以理想情况计算，实际还会因为同行的行人阻挡、负重等因素的影响，所需时间更长，因此情境二中想跑步通过也是不安全的。此时，展示行人安全通过该人行横道的视频，视频中通行灯绿灯亮起，行人会先观察车辆是否减速停车，再以正常速度近似匀速通过，全程约需12 s，与之前的计算相印证，从而树立学生学以致用的信心。

3.3    创设多体多过程运动情境

3.3.1    情境创设及问题提出

马路上有许多超车场景，按照交通安全法规，超车前两车应保持一定的安全距离，后车驾驶员需要预留超车时间和并线距离，很多路段还设有限速标识（图4），用高中所学的匀变速直线运动知识是否能计算出超车距离？

3.3.2    教师引导

将问题设置为：公交车和轿车前后以10 m/s同向行驶，制动时加速度为5 m/s2，轿车驾驶员反应时间为1 s，应与其保持多大的距离才能保证公交车紧急停车时后车不会发生追尾事故？若车距L=30 m，公交车车长L1=10 m，轿车车长L2=4.5 m，加速度大小a2=4 m/s2，该路段限速约16 m/s，轿车完成此次超车需要经过多长时间？行驶多长距离？（其加速过程视为匀加速运动，忽略变道过程的影响，轿车超过公交车30 m视为超车完成）除计算出结果外，请预判哪些突发的情况可能会引发交通事故？

3.3.3    学生活动

学生通过小组讨论、计算得出制动过程可看作先匀速后匀减速直线运动，匀速运动位移为10 m，匀减速过程位移为10 m，轿车与公交车至少要保持20 m距离。若要超车，根据图4示意图和所给数据，轿车需相对公交车运动74.5 m，先做匀加速直线运动，速度从10 m/s增加至16 m/s（设限速16 m/s），此过程需要1.5 s，轿车运动19.5 m，两车运动的相对位移为4.5 m，之后轿车相对公交车以6 m/s匀速运动，需超过公交车70 m完成超车，所需总时间约为13.2 s，轿车行驶的总位移约为206.7 m。但应该注意，行驶中可能会因前车突然变道，行人或动物突然窜出等情况引发事故，需随时注意观察路面情况，必要时需减速或放弃超车。

4    课后反思

本节课通过创设生活中的真实运动情境，既达成了复习匀变速直线运动知识和规律的教学目标，又将问题生活化、情境化，实现学生科学态度与责任维度的素养提升。教学实施中发现，在解答通行人行横道的运动情境问题时，大部分学生表现得较为积极投入，也暴露出忽视条件限制，如运动有初速度和最大速度限制等问题。在分析超车问题的情境时，学生存在对情境不熟悉，如超车过程需考虑车长、道路限速以及前后两车因为运动模型不同而带来的计算困难等问题，需要教师通过及时设问和组织讨论来分解难点。

参考文献：

［1］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［S］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］教育部考试中心.中国高考评价体系［M］.北京：人民教育出版社，2019.

（栏目编辑    李富强）

收稿日期：2023-12-05

作者简介：龚浩（1985-），男，中学高级教师，主要从事高中物理教学及研究工作。