《曲線運(yùn)動》的高端備課

王倩玲 姜靜 寇虹 鄧?yán)?/p>

摘? ?要：《曲線運(yùn)動》為圓周運(yùn)動主題奠定了概念基礎(chǔ)，但教材在本節(jié)所呈現(xiàn)的內(nèi)容仍存在邏輯思路不合理、演示實(shí)驗(yàn)復(fù)雜等問題。針對上述問題，筆者通過“理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎悸贰薄爸卦O(shè)演示實(shí)驗(yàn)，簡化實(shí)驗(yàn)原理”兩種方法對曲線運(yùn)動的教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)，以期能為一線教師提供教學(xué)參考與啟示。

關(guān)鍵詞：曲線運(yùn)動;高端備課;科學(xué)思維

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）8-0028-4

《曲線運(yùn)動》位于新人教版高中物理必修二第五章第一節(jié)，是學(xué)生接觸新知識的起點(diǎn)。內(nèi)容上具有承前啟后的關(guān)鍵作用：承前——承接必修一的“直線運(yùn)動”和“牛頓運(yùn)動定律”兩部分內(nèi)容，利用“直線運(yùn)動”的研究思路，結(jié)合“牛頓運(yùn)動定律”的相關(guān)知識分析曲線運(yùn)動;啟后——對“平拋運(yùn)動”“圓周運(yùn)動”的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。從知識結(jié)構(gòu)上看，曲線運(yùn)動的速度方向、物體做曲線運(yùn)動的條件分別反映了曲線運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)特征，符合牛頓力學(xué)的研究思路，這也為新知識與舊知識的聯(lián)系搭建了橋梁。因此，深入研究本節(jié)教材的內(nèi)容具有重要意義。

1? ? 問題的提出與分析

在教學(xué)安排上，新人教版在本章的簡介中通過列舉一些關(guān)于曲線運(yùn)動的生活現(xiàn)象，得出曲線運(yùn)動的概念。在本節(jié)中首先展示一組圖片，然后提出問題，“砂輪打磨下來的熾熱微粒和飛出去的鏈球，分別沿著什么方向運(yùn)動？”[1]接著，通過演示實(shí)驗(yàn)與切線概念相結(jié)合，得出曲線運(yùn)動的速度方向，再經(jīng)分析得出曲線運(yùn)動的性質(zhì)。最后，通過演示實(shí)驗(yàn)得出物體做曲線運(yùn)動的條件。

對上述教學(xué)安排分析可知，教材注重與生活相聯(lián)系，從生活中常見的現(xiàn)象入手提出問題，體現(xiàn)出“從生活走向物理”的教學(xué)理念，符合學(xué)生從感性認(rèn)知到理性認(rèn)知的特點(diǎn)。教材通過實(shí)驗(yàn)并結(jié)合數(shù)學(xué)知識分析得出曲線運(yùn)動的速度方向，這種呈現(xiàn)方式易于學(xué)生對新知識的理解。此外，本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)都采用演示實(shí)驗(yàn)的方式，易于在直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中學(xué)習(xí)新知，但深入分析后發(fā)現(xiàn)了如下幾個問題。

首先，邏輯思路不合理。主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面，教材設(shè)計(jì)演示實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生觀察曲線運(yùn)動的速度方向（圖1），此時雖然學(xué)生能觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，卻不能指出曲線運(yùn)動的速度方向與運(yùn)動軌跡的關(guān)系，如何將切線的概念與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象恰當(dāng)銜接還需要進(jìn)一步思考;另一方面，教材介紹了一般曲線的切線概念，并通過理論推導(dǎo)得出“質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的速度，沿曲線在這一點(diǎn)的切線方向”[1]的結(jié)論，但未通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。教材中雖有通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論推導(dǎo)兩種方式探究曲線運(yùn)動速度方向的方法，但未真正地將二者結(jié)合。只通過理論推導(dǎo)得出結(jié)論不利于學(xué)生對新知識的理解與掌握，更不利于培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

其次，演示實(shí)驗(yàn)將問題復(fù)雜化。新版教材仍采用“磁鐵—小鋼球”實(shí)驗(yàn)來探究物體做曲線運(yùn)動的條件（圖2），但學(xué)生對于磁鐵對小鋼球的作用力還很陌生，受力分析比較困難，不清楚合外力的大小和方向會隨著小鋼球位置的變化而變化。同時，在該演示實(shí)驗(yàn)中，小鋼球的速度方向也在不斷發(fā)生變化，兩個矢量同時變化，使問題更復(fù)雜，不利于學(xué)生推理分析后得出結(jié)論。

2? ? 教學(xué)設(shè)計(jì)與闡釋

2.1? ? 理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)倪壿嬎悸?/p>

教師首先播放視頻，呈現(xiàn)出特殊曲線運(yùn)動速度變化的直觀現(xiàn)象，再根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，利用數(shù)學(xué)知識解決物理問題，先從理論的角度對曲線運(yùn)動的速度方向進(jìn)行推理，再通過實(shí)驗(yàn)對理論推理的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。具體的教學(xué)設(shè)計(jì)如下：

教師播放視頻，展示陀螺旋轉(zhuǎn)時紅墨水和砂輪打磨時熾熱微粒（火星）飛濺的現(xiàn)象（圖3、圖4），提出問題：視頻中的紅墨水和火星的運(yùn)動方向是怎樣的？

學(xué)生：紅墨水沿小陀螺邊緣的切線方向飛出，火星沿砂輪邊緣的切線方向飛出。

教師：圓是特殊的曲線，那么一般曲線運(yùn)動的速度方向是否也沿切線方向？

學(xué)生提出猜想：一般曲線運(yùn)動的速度方向也是沿著切線方向。

教師：在探究這個問題之前我們先明確一般曲線的切線該如何確定。

教師講授“切線”概念：若質(zhì)點(diǎn)沿曲線從A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)，過A、B兩點(diǎn)作直線，這條直線叫作曲線的割線。設(shè)想A點(diǎn)逐漸向B點(diǎn)移動，這條割線的位置就不斷變化，當(dāng)A點(diǎn)無限接近B點(diǎn)時，這條割線就叫作曲線在B點(diǎn)的切線[1]（圖5）。

教師：若物體沿曲線從A點(diǎn)運(yùn)動到B點(diǎn)，那么曲線運(yùn)動的位移方向如何表述？

學(xué)生：位移是從A點(diǎn)指向B點(diǎn)的有向線段[圖6（a）]。

教師：我們之前學(xué)過物體平均速度的方向即為位移的方向，現(xiàn)在改變A點(diǎn)的位置，如圖6（b）所示，當(dāng)A點(diǎn)不斷靠近B點(diǎn)時，物體在A、B之間的位移方向發(fā)生變化。我們采用極限思想，當(dāng)A點(diǎn)無限靠近B點(diǎn)時[圖6（c）]，此時物體的位移方向如何表述？

學(xué)生：物體的位移方向變成曲線的切線方向。

教師：因?yàn)锳、B之間無限接近，所以A、B之間的平均速度可以視為B點(diǎn)的瞬時速度。

學(xué)生：此時物體在B點(diǎn)的瞬時速度方向即為B點(diǎn)的切線方向。

教師：我們從理論角度分析得出了曲線運(yùn)動的速度方向，現(xiàn)在將通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)器材有：白板、透明軟管、墨水、小鋼球、小木塊（圖7）。

教師進(jìn)行說明：固定好曲型軌道的位置后，先畫出軌道的切線方向[圖8（a）]，再與小鋼球的運(yùn)動軌跡進(jìn)行比較，可以更直觀地判斷理論推理的結(jié)果是否正確。

學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象后得出結(jié)論：小鋼球飛出曲型軌道的軌跡與預(yù)先畫出的切線方向一致[圖8（b）]。

教師進(jìn)行概括總結(jié)，理論推導(dǎo)結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得出：質(zhì)點(diǎn)在某一點(diǎn)的速度方向沿曲線在這一點(diǎn)的切線方向。

2.2? ? 重設(shè)演示實(shí)驗(yàn)，簡化實(shí)驗(yàn)原理

教師引導(dǎo)學(xué)生對物體做曲線運(yùn)動的條件提出猜想，再利用斜面為小球提供恒定的合外力，將實(shí)驗(yàn)原理簡化，引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識判斷合外力的方向，從而猜想合外力與速度方向?qū)\(yùn)動的影響。具體的教學(xué)設(shè)計(jì)如下：

教師：我們之前學(xué)過直線運(yùn)動，那么，做直線運(yùn)動的物體有什么相同的特點(diǎn)呢？

學(xué)生產(chǎn)生疑問。

教師提示：回顧之前學(xué)習(xí)的直線運(yùn)動的條件。

學(xué)生：物體所受合外力方向與速度方向在同一條直線上時，物體做直線運(yùn)動。

教師：那么物體做曲線運(yùn)動的條件又是什么？可以大膽提出猜想。

學(xué)生互相討論，提出猜想：當(dāng)物體受到的合外力方向與速度方向不在同一條直線上時，物體會做曲線運(yùn)動。

教師：接下來通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證我們的假設(shè)。

實(shí)驗(yàn)器材有：斜面、小鋼球、一小段直導(dǎo)軌、墨水。

教師先讓學(xué)生判斷斜面上的小鋼球所受合外力的方向。

學(xué)生：小鋼球在斜面上受到重力、斜面對小鋼球的支持力以及斜面和小鋼球之間的摩擦力這三個力，合外力方向沿著斜面向下，即A→C方向（圖9）。

教師：在斜面頂端安置一小段直導(dǎo)軌（便于確定小鋼球初速度的方向），導(dǎo)軌的一端滴上紅墨水（便于確定小鋼球的運(yùn)動軌跡）?，F(xiàn)在給小鋼球一個沿A→C（或C→A）方向的初速度，仔細(xì)觀察小鋼球的運(yùn)動軌跡，并說明原因。

學(xué)生：如圖10所示，小鋼球沿直線從斜面下滑（或上移），說明小鋼球受到的合外力方向和初速度方向在同一條直線上。

教師：現(xiàn)在改變小鋼球的初速度方向，同學(xué)們再仔細(xì)觀察小鋼球的運(yùn)動軌跡。

學(xué)生：小鋼球的運(yùn)動軌跡變成曲線（圖11）。

教師多次改變小鋼球的初速度方向，引導(dǎo)學(xué)生觀察后發(fā)現(xiàn)，只要小鋼球的初速度不沿A→C（或C→A）方向，則小鋼球的運(yùn)動軌跡為曲線。最后，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)曲線運(yùn)動的條件：當(dāng)物體所受合外力方向與速度方向不在同一條直線上時，物體做曲線運(yùn)動。

3? ? 教學(xué)反思與啟示

3.1? ? 關(guān)注教學(xué)邏輯，培養(yǎng)科學(xué)思維

教學(xué)的邏輯順序至關(guān)重要，只有形成合理的教學(xué)邏輯，才能幫助學(xué)生正確認(rèn)識物理概念的內(nèi)涵和外延，有利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)[2]。首先，通過特殊事例引導(dǎo)學(xué)生猜想;然后，再從特殊到一般，并結(jié)合一系列問題進(jìn)行引導(dǎo)，由理論推導(dǎo)得出初步結(jié)論;最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)論。探究過程讓學(xué)生體會嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，有利于提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。

3.2? ? 簡化實(shí)驗(yàn)原理，促進(jìn)知識理解

物理實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚣ぐl(fā)學(xué)習(xí)興趣，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)的情境，體驗(yàn)物理過程，養(yǎng)成科學(xué)態(tài)度[3]。但復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)原理只會增加學(xué)生的負(fù)擔(dān)，用未學(xué)過的知識進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，不僅不利于學(xué)生對新知識的理解，還會降低他們的學(xué)習(xí)興趣。因此，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容并結(jié)合舊知識設(shè)計(jì)更為簡單的探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷猜想、探究、總結(jié)等過程得出結(jié)論。這樣的設(shè)計(jì)不僅減輕了學(xué)生的負(fù)擔(dān)，同時將新、舊知識進(jìn)行聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生知識體系的構(gòu)建。

3.3? ? 教師要創(chuàng)造性使用教材

陶行知先生曾說：教師根據(jù)教材開發(fā)的符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)資源才是課程的“血肉”[4]。因此，教師要適當(dāng)對教材進(jìn)行調(diào)整，創(chuàng)造性地使用教材，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富和完善。首先，教師應(yīng)分析教材，體會教材的內(nèi)容及意圖;其次，教師應(yīng)研究課程標(biāo)準(zhǔn)，明確教學(xué)目標(biāo)及重、難點(diǎn);最后，教師要了解學(xué)生的實(shí)際情況，創(chuàng)設(shè)符合學(xué)生認(rèn)知水平的物理情境。

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.普通高中教科書物理必修第二冊[M].北京：人民教育出版社，2020：2-3.

[2]郭暢，邢紅軍.曲線運(yùn)動的高端備課[J].中學(xué)物理，2019，37（15）：12-14.

[3]劉培新.關(guān)于高中物理教學(xué)中實(shí)驗(yàn)作用的實(shí)現(xiàn)[J].物理教師，2014，35（06）：50-53.

[4]孫其成.淺談創(chuàng)造性使用物理教材的策略[J].中學(xué)物理，2016，34（03）：21-22.

（欄目編輯? ? 鄧? ?磊）