重視體驗(yàn)與探究 有效突破教學(xué)重難點(diǎn)

段祝霞

摘 要：五版本教材圓周運(yùn)動(dòng)的編排都重視與生活的緊密聯(lián)系，重視學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，重視探究。但各版本在編排順序、實(shí)驗(yàn)方案、從特殊到一般、圓周運(yùn)動(dòng)與人類文明等方面有一定差異。找出各版本的異同，綜合各版本的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合學(xué)生實(shí)際，對(duì)教材再開(kāi)發(fā)，有利于教學(xué)重、難點(diǎn)的突破。

關(guān)鍵詞：圓周運(yùn)動(dòng)；向心力；實(shí)驗(yàn)；探究；體驗(yàn)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）3-0042-3

圓周運(yùn)動(dòng)是高中物理重要的物理模型，是物理教學(xué)的重點(diǎn)，其中，向心力與向心加速度部分是教學(xué)的重難點(diǎn)。找出五版本物理教材在圓周運(yùn)動(dòng)的處理上的異同，根據(jù)學(xué)生實(shí)際，整合各版本的素材，進(jìn)行教學(xué)資源的二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)自己的教學(xué)思路，對(duì)重、難點(diǎn)的突破能起到有益幫助。

1 編排位置比較

五版本都把圓周運(yùn)動(dòng)編排在必修2中。魯科版[1]先安排了功與能部分的學(xué)習(xí)，然后是拋體運(yùn)動(dòng)，接著在第4章才是圓周運(yùn)動(dòng)的內(nèi)容?；浗贪鎇2]、教科版[3]、滬科版[4]三個(gè)版本都是在第一章學(xué)習(xí)拋體運(yùn)動(dòng)后，第二章安排了圓周運(yùn)動(dòng)的內(nèi)容，單獨(dú)成章。人教版順序和粵教、教科、滬科一樣，但是把圓周運(yùn)動(dòng)和平拋等編排在《曲線運(yùn)動(dòng)》一章中[5]。

五版本最大的差異是魯科版把圓周運(yùn)動(dòng)放在功、能之后，這樣編排的好處是：第一，學(xué)生在學(xué)習(xí)圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，增加了從功能關(guān)系的視角來(lái)分析圓周運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，而不是單一從力與運(yùn)動(dòng)的視角，這會(huì)讓學(xué)生對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)更深刻；第二，必修1中學(xué)生在第四章剛學(xué)習(xí)了力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，學(xué)習(xí)了力的瞬時(shí)作用效果是產(chǎn)生加速度，改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在必修2中學(xué)習(xí)功、能，學(xué)習(xí)力在空間上的積累，從認(rèn)識(shí)事物規(guī)律的視角看，和必修1很好銜接。不足是：第一，功、能部分的內(nèi)容較難，從教學(xué)實(shí)踐來(lái)看，學(xué)生的掌握情況要差于曲線運(yùn)動(dòng)部分；第二，魯科版的安排使得在功、能的學(xué)習(xí)中不能涉及到曲線運(yùn)動(dòng)，使得功、能的“適用范圍”在初學(xué)階段只局限于直線運(yùn)動(dòng)，這樣可能會(huì)導(dǎo)致部分學(xué)生認(rèn)為功、能部分中的定律、公式只適用于直線運(yùn)動(dòng)，一旦產(chǎn)生這樣的錯(cuò)誤認(rèn)知將很難糾正；第三，在學(xué)生沒(méi)有學(xué)過(guò)曲線運(yùn)動(dòng)就學(xué)習(xí)功、能會(huì)導(dǎo)致功、能部分的定律推導(dǎo)受到局限。如，探究重力做功的特點(diǎn)，需要比較“物體沿斜面滾下、豎直向下、沿曲面向下3個(gè)不同的路徑下落相同高度，重力做功一樣”后得出結(jié)論，缺少曲線路徑得出的結(jié)論會(huì)大打折扣。

2 向心力與向心加速度的編排思路

2.1 兩種編排思路

向心力與向心加速度是重點(diǎn)、難點(diǎn)，五版本教材在編排上可以分為兩種思路。思路一，先推導(dǎo)出向心加速度的公式，由牛頓第二定律得出向心力大小的表達(dá)式，再由實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證向心力大小的公式，這一思路是“從結(jié)果追溯原因”。人教版、滬科版采用這一編排思路。思路二，先由實(shí)驗(yàn)得出向心力大小的表達(dá)式，再由牛頓第二定律得出向心加速度的公式，這一思路是“從原因推導(dǎo)結(jié)果”?；浗贪?、魯科版、教科版采用的是思路二。

2.2 兩種編排思路的對(duì)比

兩種思路中，對(duì)學(xué)生的要求有所不同。思路一，推導(dǎo)向心加速度數(shù)學(xué)表達(dá)式是難點(diǎn)，對(duì)學(xué)生的數(shù)學(xué)知識(shí)，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解決物理問(wèn)題的能力要求較高。思路二，在實(shí)驗(yàn)探究之前要求學(xué)生先體驗(yàn)、猜想向心力的大小與哪些因素有關(guān)，然后采用精確的實(shí)驗(yàn)探究才能得出，這對(duì)學(xué)生在猜想和實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié)的要求較高。兩種思路中，思路一側(cè)重理論探究，思路二側(cè)重實(shí)驗(yàn)探究。

兩種思路對(duì)學(xué)生要求的側(cè)重點(diǎn)不同，教學(xué)中應(yīng)該根據(jù)學(xué)生的情況設(shè)計(jì)教學(xué)。建議：采用實(shí)驗(yàn)探究得出向心力大小的表達(dá)式之后再由牛頓第二定律得到向心加速度的表達(dá)式。把物理課堂的重心放在實(shí)驗(yàn)探究上，讓學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程留下更多探究的痕跡。數(shù)理推導(dǎo)過(guò)多，枯燥、繁雜的推理會(huì)讓學(xué)生失去興趣和信心。數(shù)理基礎(chǔ)較好、有興趣的學(xué)生可以引導(dǎo)他們課后推導(dǎo)向心力的表達(dá)式。

3 五版本實(shí)驗(yàn)方案比較

五版本在探究向心力大小時(shí)都分定性體驗(yàn)及定量探究（或驗(yàn)證）兩個(gè)環(huán)節(jié)，都給出了體驗(yàn)及探究向心力大小表達(dá)式兩個(gè)實(shí)驗(yàn)方案。但實(shí)驗(yàn)器材、方案的選取各有特色，各有優(yōu)勢(shì)。不同的實(shí)驗(yàn)器材，不同的實(shí)驗(yàn)方案，決定了探究效果的不同和學(xué)習(xí)體驗(yàn)的差異。

3.1 定性體驗(yàn)向心力與哪些因素有關(guān)

五版本體驗(yàn)向心力大小的實(shí)驗(yàn)如圖1至圖5所示。各版本實(shí)驗(yàn)的共同點(diǎn)是取材簡(jiǎn)單、操作容易，學(xué)生實(shí)驗(yàn)后都可以獲得較好的體驗(yàn)，但也有差別。

差別1：粵教版、教科版是讓小球在光滑水平桌面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，人教版、魯科版、滬科版中小球（小物體）在空中水平面上運(yùn)動(dòng)，由于小球（小物體）受到重力和細(xì)線拉力的作用做圓周擺運(yùn)動(dòng)?；浗贪?、教科版中細(xì)線的拉力提供向心力，而人教版、魯科版、滬科版中重力和細(xì)線的拉力提供向心力。

差別2：人教版、粵教版、教科版、滬科版是直接通過(guò)手拉感受細(xì)線的拉力，從而體驗(yàn)向心力，而魯科版是通過(guò)細(xì)線的另一端栓的金屬螺母的狀態(tài)來(lái)“感受”向心力的變化。前者的體驗(yàn)更直接，效果更明顯。

差別3：實(shí)驗(yàn)操作要求有區(qū)別。人教版要求手握繩結(jié)A、B讓小球每秒轉(zhuǎn)1圈，手握繩結(jié)B每秒轉(zhuǎn)兩周，感受向心力的大小。這實(shí)現(xiàn)了在質(zhì)量、角速度相同的情況下改變半徑，以及在半徑、質(zhì)量相同的情況下改變線速度，從而感受向心力的變化，但缺少在半徑、角速度（或線速度）相同的情況下改變質(zhì)量的比較，不夠全面?；浗贪娴膶?shí)驗(yàn)可以引出向心力的概念、方向，以及向心加速度的大小與線速度大小的關(guān)系，但沒(méi)有體現(xiàn)控制變量法，不能體驗(yàn)到向心力的大小與質(zhì)量、角速度、半徑等因素有關(guān)。教科版要求體驗(yàn)“拉力的方向怎樣？減小旋轉(zhuǎn)的速度，拉力怎樣變化？增大旋轉(zhuǎn)半徑，拉力怎樣變化？松手后，物體還能維持圓周運(yùn)動(dòng)嗎？換一個(gè)質(zhì)量較大的鐵球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，拉力怎樣變化？”通過(guò)這些操作學(xué)生可以體驗(yàn)到向心力的方向、效果，也能明確向心加速度的大小與哪些因素有關(guān)，為后面定量探究奠定基礎(chǔ)。魯科版要求“依次改變輕小物體的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度、轉(zhuǎn)動(dòng)的半徑”，觀察螺母的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，感受向心力。滬科版，“改變小球轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢或線的長(zhǎng)度或球的質(zhì)量，感受向心力的變化跟哪些因素有關(guān)?！苯炭瓢妗Ⅳ斂瓢?、滬科版都體現(xiàn)了控制變量法，思路清晰，學(xué)生獲得的體驗(yàn)會(huì)更豐富。

3.2 定量探究向心力大小

五個(gè)版定量探究向心力大小的實(shí)驗(yàn)裝置如圖6到圖10所示。

人教版、粵教版的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)易，取材容易，實(shí)驗(yàn)成本低。教科版、魯科版、滬科版的向心力演示儀，是實(shí)驗(yàn)室裝備器材。

人教版是在學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)向心力大小表達(dá)式之后通過(guò)該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表達(dá)式。人教版雖實(shí)驗(yàn)成本低，但操作困難，計(jì)算復(fù)雜。小球沿紙面上某個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)，受空氣阻尼，其運(yùn)動(dòng)的快慢、半徑都會(huì)逐漸變化，所測(cè)周期或線速度不準(zhǔn)。測(cè)量合力mgtanθ比較麻煩。

粵教版操作難度更大，實(shí)踐中學(xué)生成功概率較小，且該實(shí)驗(yàn)不能很好地實(shí)現(xiàn)定量探究，還只是停留定性探究的層面。

教科版、魯科版所用實(shí)驗(yàn)裝置都能實(shí)現(xiàn)有限的定量探究，探究時(shí)只能讓變量成倍數(shù)關(guān)系。小球質(zhì)量、半徑相同，角速度不同，得到：F正比ω2；小球質(zhì)量、角速度相同，半徑不同，得到：F正比R；小球半徑、角速度相同，質(zhì)量不同，得到：F正比m，綜合后得到向心力的公式。

滬科版則能實(shí)現(xiàn)充分的定量探究。實(shí)驗(yàn)中半徑、向心力大小可以從顯示窗讀出，轉(zhuǎn)速可以通過(guò)時(shí)間t內(nèi)轉(zhuǎn)速指示燈閃爍次數(shù)算出。轉(zhuǎn)速、質(zhì)量、半徑大小都可以調(diào)節(jié)，探究數(shù)據(jù)更具有一般性，更具說(shuō)服力。

教學(xué)中，建議先讓學(xué)生通過(guò)定性實(shí)驗(yàn)探究體驗(yàn)向心力的方向、作用效果、大小與哪些因素有關(guān)，為后續(xù)定量探究指明方向，可借鑒教科版的定性探究方案。沒(méi)有實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，要讓學(xué)生直接猜想向心力大小與哪些因素有關(guān)，有一定難度。在定量探究實(shí)驗(yàn)中，建議采用滬科版的實(shí)驗(yàn)器材和方案。

4 從特殊到一般

4.1 從勻速圓周運(yùn)動(dòng)到圓周運(yùn)動(dòng)

在探究勻速圓周運(yùn)動(dòng)的向心力的大小后，粵教版、教科版、魯科版明確指出：對(duì)非勻速圓周運(yùn)動(dòng)，利用公式求質(zhì)點(diǎn)圓周上某時(shí)刻的向心力和向心加速度的大小，必須用該點(diǎn)瞬時(shí)速度的值。人教版通過(guò)實(shí)例分析了變速圓周運(yùn)動(dòng)，并把力分解在切線方向和指向圓心方向，提出了向心加速和切向加速的概念。

4.2 從圓周運(yùn)動(dòng)到曲線運(yùn)動(dòng)

從圓周運(yùn)動(dòng)到一般的曲線運(yùn)動(dòng)，人教版、教科版都做了相應(yīng)介紹。人教版是在正文部分，教科版是在課后拓展欄目《課外閱讀》介紹處理一般曲線運(yùn)動(dòng)的方法：把物體沿任一曲線的運(yùn)動(dòng)看成是物體沿一系列不同半徑的小段圓弧的運(yùn)動(dòng)，如圖11、圖12所示。學(xué)生在處理一般曲線運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度的方向時(shí)，不知道該怎么畫切線方向，把圓周運(yùn)動(dòng)推廣到一般曲線運(yùn)動(dòng)之后，學(xué)生的困惑得到解決，且體會(huì)了人類認(rèn)識(shí)事物從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從特殊到一般的方法。

5 圓周運(yùn)動(dòng)與人類文明

粵教版介紹了《天工開(kāi)物》中記載的牛力齒輪翻車和漢代古墓壁畫上的古老紡車。教科版編排《圓周運(yùn)動(dòng)與人類文明》一節(jié)的選學(xué)內(nèi)容，分別介紹了圓周運(yùn)動(dòng)與古代文明——鉆木取火、陶器制作、車輪發(fā)明、機(jī)械能的利用（水磨、水碓、水碾、水車），圓周運(yùn)動(dòng)與工業(yè)技術(shù)，圓周運(yùn)動(dòng)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)，圓周運(yùn)動(dòng)與文化生活等。

建議整合各版本素材，適當(dāng)補(bǔ)充一些從古代到現(xiàn)代的與圓周運(yùn)動(dòng)有關(guān)的人類文明，豐富學(xué)生的知識(shí)，拓展學(xué)生的視野，讓學(xué)生體驗(yàn)到物理知識(shí)與生活的緊密聯(lián)系和歷史厚重感，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的濃厚興趣。若能以此為題開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)則更能增強(qiáng)學(xué)生的體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖伯琴.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理2[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2011：66—84.

[2]保宗悌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理必修2[M].廣州：廣東教育出版社，2005：28—39.

[3]陳熙謀，吳祖仁.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理2[M].北京：教育科學(xué)出版社，2005：20—40.

[4]束炳如，何潤(rùn)東.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理2[M].上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2011：22—39.

[5]張大昌.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書物理2[M].北京：人民教育出版社，2011：13—27.

（欄目編輯 羅琬華）