人教版《第六章　圓周運動》編寫說明

摘 要：新人教版第六章的編寫說明，以使教師了解全章結構及落實核心素養(yǎng).

關鍵詞：新教材;編寫說明;核心素養(yǎng)落實

文章編號：1008-4134（2019）19-0005中圖分類號：G633.7文獻標識碼：B

基金項目： 北京市教育科學“ 十三五” 規(guī)劃2018年度一般課題“基于課前學習診斷的教學整合模式研究”（CDD B18155）.

作者簡介：張玉峰（1973-），男，山東泰安人，博士，中學高級教師， 研究方向：物理課程與教學論研究.

1 全章概述

本章研究一種特殊的曲線運動——圓周運動，仍然沿用研究機械運動的一般思路，首先描述圓周運動，由于這種運動具有往復性和周期性，所以為了更準確、精細描述這種運動，引入了角速度、周期等概念;然后根據物體做曲線運動的條件，探究物體做圓周運動所需要的向心力，并且在此基礎上，進一步根據牛頓定律，討論勻速圓周運動的向心加速度;最后，聯系實際，分析“火車拐彎”“汽車過拱形橋”“航天器中的失重現象”等實例.本章的知識結構以及本章內容與“曲線運動”相關內容的聯系如圖1所示.

本章繼承了原教科書“圓周運動的描述→圓周運動的受力分析→圓周運動聯系實際問題”的整體結構，但修訂后的教科書更加突出了物理觀念的形成，以及科學思維與科學探究能力的發(fā)展，從內容及其結構上主要突出以下四點變化：（1）結構變化.把平拋運動和圓周運動拆分，突出顯示從處理勻變速曲線運動（拋體運動）到非勻變速曲線運動（圓周運動）的思維層級發(fā)展;（2）強調科學探究.教科書安排了探究向心力大小影響因素的學生實驗，而不是首先理論分析向心加速度，然后根據牛頓第二定律推導向心力公式;（3）突出內容的彈性，為因材施教留出空間.首先討論勻速圓周運動的向心力，再應用牛頓第二定律討論向心加速度，并且把應用矢量運算和極限思想討論向心加速度的方向作為“拓展學習”內容;（4）突出知識的結構化.通過問題、思考與討論、拓展學習等欄目，揭示知識間的聯系或者引入概念的物理意義;教科書正文關注內容的層級，例如，教科書在“向心力”一節(jié)中，內容安排從勻速圓周運動，到變速圓周運動，再到一般曲線運動，從特殊到一般，層層遞進.

本章內容安排除了關注促進學生運動與相互作用觀念的發(fā)展之外，緊密聯系生產、生活實際，涉及豐富的模型建構和推理過程，以及通過實驗探究影響勻速圓周運動的向心力大小的因素.編者試圖在引導學生通過知識和技能的理解與應用中落實物理學科核心素養(yǎng)課程目標.

1.1 物理觀念

通過認識圓周運動，拓展對機械運動的類型、描述方式的認識.除了用位移、速度、加速度等物理量描述圓周運動外，還需要用角速度、周期、轉速等物理量，并且認識物體做圓周運動時這些物理量的特點.通過認識物體做圓周運動的條件，豐富對運動與力關系的認識.認識到：物體做圓周運動時，速度方向時刻在改變，所受合力一定不為零;物體做勻速圓周運動時所受的合力大小不變，方向始終指向圓心，向心力只改變速度的方向，不改變速度的大小;向心力大小Fn與物體的質量m、線速度v、半徑r有關，可以表示為Fn=m（v2/r）;當指向圓心的力大于或者小于圓周運動所需要的向心力時，物體將做離心運動或者向心運動.

教科書在引導學生逐步豐富對機械運動、運動與相互作用關系的觀念過程中，還有助于幫助學生形成從運動與相互作用兩個角度分析機械運動的一般思路.在分析做勻速圓周運動物體的向心加速度時，可以從兩個角度：一是根據物體做勻速圓周運動的向心力公式，推導得出向心加速度公式;另一個是根據加速度定義，然后對時間取極限，求極短時間內的速度變化率，即可得出向心加速度公式.

1.2 科學思維

通過建立圓周運動模型，豐富學生頭腦原有的機械運動類型.勻速圓周運動是理想模型，需要滿足：所受合力方向時刻指向圓心，大小不變，滿足：Fn=m（v2/r）.向心力可以是某一個力，也可以是某一個力的分力或某幾個力的合力.教科書引導學生學習圓周運動向心力的分析方法：把質點所受的所有力分別在沿著半徑方向和垂直半徑方向分解;沿著半徑方向的分力指向圓心，就充當向心力，只改變速度方向;垂直半徑方向的分力只改變速度大小.對勻速圓周運動來說，垂直半徑方向的分力為零，因此物體所受的合力提供圓周運動的向心力.通過從運動學角度分析勻速圓周運動向心加速度，深入認識極限思想.首先，作圖得出在一段時間內的速度變化量;然后，結合極限思想，表示出在極短時間內的速度變化量大小和方向;最后，根據向心加速度的定義，求得向心加速度的大小為an=v2r，方向指向圓心.其實，在高中物理中極限思想并不是第一次使用，例如，從平均速度得出瞬時速度，根據速度—時間圖象求勻變速直線運動的位移，從理論上分析曲線運動的速度方向，都利用了“通過無限分割，化變?yōu)椴蛔兓蛘呋鸀橹薄钡乃枷?，其實也就是極限思想.

1.3 科學探究

科學探究是物理學家認識客觀世界的主要方式，也是學生學習物理的重要學習方式.教科書以問題解決為導向，設置合適的欄目引導學生通過科學探究逐步認識物理現象、得出物理結論.在“向心力”一節(jié)中，教科書首先通過生活中的實例引導學生認識到物體做圓周運動需要一個力改變其運動狀態(tài);然后通過手拉細繩一端的小物體做圓周運動，體驗向心力大小與物體的質量、運動半徑、運動的線速度大小等物理量之間的定性關系;最后，利用向心力演示儀或者傳感器實驗，定量探究向心力公式.科學探究不僅是動手的過程，更是動腦的過程，教科書充分重視實驗前的猜想假設、實驗后的推理論證、科學解釋與誤差分析等思維過程，引導學生體會物理實驗與思維之間的關系.教科書內容安排“向心力”在前、“向心加速度”在后，試圖引導學生充分體驗猜想假設、實驗設計的探究過程，也強調利用牛頓第二定律對向心力公式的科學解釋，這正是加強物理實驗與科學思維整合的具體表現.

1.4 科學態(tài)度與責任

認識客觀世界的途徑不是唯一的，可以有多種途徑.通過理論分析和實驗探究是探索未知世界的兩個不同路徑，但從兩個角度探索的過程中有其共性，一般都是先進行定性分析，然后進行定量推導或者實驗探究，并且兩種途徑得出的結果具有一致性.具體可以表現在探究向心力大小的過程中：既可以通過實驗探究得出影響向心力大小的因素;也可以通過對勻速圓周運動的分析得出向心加速度，然后根據牛頓第二定律求得向心力大小.還可以表現在向心加速度大小和方向的分析過程中.圓周運動在生活中有廣泛的應用，是“有用的”，從游樂場里的摩天輪、魔盤，到交通中的火車拐彎和汽車過拱形橋，再到航天器中的失重現象，無一例外都可以用圓周運動的知識進行解釋說明.

修訂前后的教科書關于圓周運動的內容都是四節(jié)，但順序略有調整，修訂后的教科書把“向心力”一節(jié)放在“向心加速度”之前，目的在于突出科學探究和體驗在物理學習中的價值.本章的課時安排建議如下：

1. 圓周運動 1課時

2. 向心力 2課時

3. 向心加速度1課時

4. 生活中的圓周運動 2課時

2 具體說明

教科書把落實物理學科核心素養(yǎng)的課程目標滲透到知識學習的每一個環(huán)節(jié)，體現在教科書的各個欄目之中.具體來說，本章在編寫時充分考慮如下幾個方面.

2.1 通過調整教科書結構與欄目設置，多途徑引導學生深層理解

與其他章節(jié)類似，本章教科書除了正文之外，還設置了問題、做一做、思考與討論、擴展學習等形式多樣的欄目.通過這些欄目引導學生深層理解物理概念與規(guī)律，并且能用這些物理概念、規(guī)律解釋現象或者解決問題，促進學生運動與相互作用觀念的進一步發(fā)展.

教科書提供了豐富的現象與事實，引導學生在充足的事實經驗基礎上進行抽象、概括與推理，建構概念或者得出規(guī)律.涉及的現象與事實既包括日常生活中學生司空見慣的自行車，還包括游樂場里的游戲項目，天宮二號空間實驗室在軌飛行等.這些現象和事實不僅是學生認知的基礎，也是發(fā)展學生物理學習興趣的素材.

教科書的引導語或者“問題”欄目為揭示概念的物理意義做了鋪墊.例如，教科書在引入角速度概念時，引導語是這樣的“自行車前進時，由于鏈條不可伸長，也不會脫離齒輪打滑，因而大、小齒輪邊緣的點在相等時間內通過的弧長是相等的，即線速度大小相等.但同時也可注意到，由于兩個齒輪的直徑不同，相等時間內它們轉過的角度不同”.教科書通過上述引導語力圖引導學生理解：線速度和角速度都是描述圓周運動的物理量，兩者描述的角度不同.同樣的，教科書在引入圓周運動的周期概念時，也注重揭示概念的物理意義.

教科書不僅注重對具體概念建構過程的引導，還通過結構調整，引導學生形成結構良好的概念體系.教科書的第一節(jié)從運動學的角度描述圓周運動，進一步豐富和發(fā)展了學生對機械運動的認識，這是學生第一次認識到具有周期性特征的機械運動，也初步掌握了描述圓周運動的物理量;第二節(jié)實驗探究物體做圓周運動時的受力情況，即向心力大小的影響因素;第三節(jié)根據牛頓第二定律分析勻速圓周運動的向心加速度.這一結構與必修1的研究思路是一致的，即首先描述機械運動，即運動學，再從受力角度分析運動的條件，動力學.這一安排與原人教版教科書的安排不同，原教科書安排的主線是“描述圓周運動→向心加速度→向心力→生活中的圓周運動”.教科書之所以采用現在的內容安排，主要目的有：第一，增強探究性.在描述圓周運動基礎上，引導學生思考物體做圓周運動的條件，進而通過實驗分別從定性、定量層次探究影響向心力的因素，有利于加強學生的探究意識.第二，強化“運動→力→運動與力的關系”的研究大思路.這種一以貫之的內容安排不僅有利于學生豐富發(fā)展力學概念體系，也有利于學生進一步鞏固在研究直線運動和平拋運動過程中形成的研究質點力學問題的大思路：描述物體的運動情況;分析質點的受力情況;根據牛頓運動定律建立運動與相互作用之間的關系.第三，降低向心加速度理論推導的難度，豐富向心加速度得出的途徑.從速度變化率角度推導向心加速度公式an=v2r存在兩個難點：一是速度變化量的矢量運算;二是取極限，得出t0時的速度變化量的大小和方向.教科書把“向心加速度”內容放在“向心力”內容后面，一是可以適當降低思維難度，二是豐富向心加速度的推導思路，既可以根據速度變化量求得，也可以根據牛頓第二定律和向心力公式求得.

教科書單獨安排“生活中的圓周運動”一節(jié)，試圖讓學生應用圓周運動的知識解釋物理現象和解決物理問題，通過知識應用，促進學生進一步理解運動與相互作用的關系，發(fā)展學生的運動與相互作用觀念.

2.2 借助合適的知識載體，系統(tǒng)設計規(guī)劃科學思維發(fā)展

教科書借助不同內容全面體現了促進科學思維能力發(fā)展的課程目標.通過對豐富的圓周運動實際問題情境進行抽象、概括形成質點在水平面和豎直平面內的圓周運動模型，來發(fā)展學生的模型建構能力.通過分析圓周運動線速度、角速度與周期的關系，應用極限思想分析圓周運動在極短時間內的速度變化量分析向心加速度大小與方向等具體問題，來發(fā)展學生的科學推理能力.通過分析向心加速度與圓周運動的半徑之間的關系、向心力來源等問題，來發(fā)展學生的科學論證能力.通過討論向心加速度與圓周運動半徑的關系，把地球看作巨大的拱形橋討論汽車“飛離”地面的速度等具體問題，來發(fā)展學生的質疑與創(chuàng)新能力.

教科書通過設置合適的內容引導學生反省，促進所學知識的融會貫通，形成解決問題的認知策略.例如，在“向心加速度”一節(jié)的“思考與討論”中設計了討論向心加速度與圓周運動的半徑是成正比還是反比的問題，試圖引導學生明白在實際問題中物理量之間成正比與反比的條件，體會物理與數學的關系.在“生活中的圓周運動”一節(jié)中討論了汽車過拱形橋的問題，然后在這個基礎上，通過“思考與討論”欄目，引導學生思考：把地球看成一個巨大的拱形橋，汽車速度達到多大時，汽車對地面的壓力為零.這個問題為后面討論航天器在萬有引力作用下的圓周運動做好了鋪墊.把地球看成一個巨大的拱形橋，引導學生展開想象的“翅膀”，發(fā)展學生想象力，有利于激發(fā)學生的物理學習興趣.

2.3 注重豐富學生對客觀世界的體驗，在體驗中深化認識

本章內容比較抽象，做圓周運動物體的速度不斷在變化，同時力也不斷變化，使學生感到困難.增加學生的體驗是突破難點的重要方式.體驗的獲得離不開真實的物理情境，學生通過建立知識與情境之間的聯系，促進知識的情境化.

教科書選擇的大量實例與學生的日常生活有關，例如自行車、游樂項目、汽車等等，這些實例容易喚醒學生的體驗，不僅可以幫助學生有效突破學習難點，還可以培養(yǎng)學生的實踐意識.教科書還通過“做一做”等欄目設計體驗性實驗，幫助學生豐富感性認識，為探究實驗做好鋪墊.在探究向心力大小的表達式之前，教科書在“做一做”欄目中安排了“感受向心力”的體驗性實驗，引導學生首先體驗向心力大小與物體質量、圓周運動的半徑、線速度等物理量之間的關系，有利于學生在探究實驗前提出有依據的猜想假設，有利于培養(yǎng)學生的實踐意識.

建構物理概念的意義，或者說引入物理概念的必要性，一直是學生在學習中容易忽視的，也是物理教學的薄弱環(huán)節(jié).教科書通過“問題”等欄目，豐富學生體驗，引導學生體會建立概念的必要性，體會實踐與理論的關系.例如，在“圓周運動”一節(jié)中，通過比較自行車大、小齒輪邊緣上的點，以及同一齒輪上到轉軸距離不同的點運動的快慢，引導學生體會建立線速度和角速度等物理量來描述圓周運動的必要性.在“向心力”一節(jié)中，則在“問題”欄目中，以游樂場里的空中飛椅項目為情境，引導學生體會做圓周運動的人的受力情況，豐富學生對向心力的感性認識，為提出向心力概念提供基礎.

教科書在結構安排上也體現了從學生的體驗入手，逐步上升到理性認識，理性認識再回到生活實際中去的基本理念.向心力相對于向心加速度更具感性特征，因此教科書在描述圓周運動的基礎上，從感受向心力的大小和方向、探究向心力大小的影響因素入手，然后應用牛頓第二定律分析向心加速度的大小和方向.

2.4 緊密聯系實際，在真實情境中促進學生素養(yǎng)全面發(fā)展

科學態(tài)度與社會責任的形成無法通過直接說教達成.教科書注重通過實例引導學生進行理性思維，通過分析、解決問題的過程，曉之以理，動之以情.概括起來，教科書主要通過兩個途徑來側重培養(yǎng)學生的科學態(tài)度和社會責任：一個是在課文的正文中引導學生認識科學的價值，解釋日常生活現象，培養(yǎng)學生的社會責任;另一個是在“練習與應用”中設置有針對性題目，在真實的物理情境中引導學生通過計算推理、分析、反思，或者對運算結果賦予實踐意義，引導學生情感的投入，培養(yǎng)學生的社會責任感.例如，教科書正文介紹了離心運動的危害，解釋為什么在公路彎道處車輛不允許超過規(guī)定的速度，引導學生理性認識交通規(guī)則，增強安全意識.

（收稿日期：2019-08-15）