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

關(guān)鍵詞：新教材;編寫說明;核心素養(yǎng)落實(shí)

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

基金項(xiàng)目： 北京市教育科學(xué)“ 十三五” 規(guī)劃2018年度一般課題“基于課前學(xué)習(xí)診斷的教學(xué)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(xué)高級教師， 研究方向：物理課程與教學(xué)論研究.

1 全章概述

本章研究一種特殊的曲線運(yùn)動——圓周運(yùn)動，仍然沿用研究機(jī)械運(yùn)動的一般思路，首先描述圓周運(yùn)動，由于這種運(yùn)動具有往復(fù)性和周期性，所以為了更準(zhǔn)確、精細(xì)描述這種運(yùn)動，引入了角速度、周期等概念;然后根據(jù)物體做曲線運(yùn)動的條件，探究物體做圓周運(yùn)動所需要的向心力，并且在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)牛頓定律，討論勻速圓周運(yùn)動的向心加速度;最后，聯(lián)系實(shí)際，分析“火車拐彎”“汽車過拱形橋”“航天器中的失重現(xiàn)象”等實(shí)例.本章的知識結(jié)構(gòu)以及本章內(nèi)容與“曲線運(yùn)動”相關(guān)內(nèi)容的聯(lián)系如圖1所示.

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

本章內(nèi)容安排除了關(guān)注促進(jìn)學(xué)生運(yùn)動與相互作用觀念的發(fā)展之外，緊密聯(lián)系生產(chǎn)、生活實(shí)際，涉及豐富的模型建構(gòu)和推理過程，以及通過實(shí)驗(yàn)探究影響勻速圓周運(yùn)動的向心力大小的因素.編者試圖在引導(dǎo)學(xué)生通過知識和技能的理解與應(yīng)用中落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)課程目標(biāo).

1.1 物理觀念

通過認(rèn)識圓周運(yùn)動，拓展對機(jī)械運(yùn)動的類型、描述方式的認(rèn)識.除了用位移、速度、加速度等物理量描述圓周運(yùn)動外，還需要用角速度、周期、轉(zhuǎn)速等物理量，并且認(rèn)識物體做圓周運(yùn)動時這些物理量的特點(diǎn).通過認(rèn)識物體做圓周運(yùn)動的條件，豐富對運(yùn)動與力關(guān)系的認(rèn)識.認(rèn)識到：物體做圓周運(yùn)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(yùn)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(zhì)量m、線速度v、半徑r有關(guān)，可以表示為Fn=m（v2/r）;當(dāng)指向圓心的力大于或者小于圓周運(yùn)動所需要的向心力時，物體將做離心運(yùn)動或者向心運(yùn)動.

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

1.2 科學(xué)思維

通過建立圓周運(yùn)動模型，豐富學(xué)生頭腦原有的機(jī)械運(yùn)動類型.勻速圓周運(yùn)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(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)圓周運(yùn)動向心力的分析方法：把質(zhì)點(diǎn)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(dāng)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(yùn)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(yùn)動的向心力.通過從運(yùn)動學(xué)角度分析勻速圓周運(yùn)動向心加速度，深入認(rèn)識極限思想.首先，作圖得出在一段時間內(nèi)的速度變化量;然后，結(jié)合極限思想，表示出在極短時間內(nèi)的速度變化量大小和方向;最后，根據(jù)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(shí)，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(jù)速度—時間圖象求勻變速直線運(yùn)動的位移，從理論上分析曲線運(yùn)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?shí)也就是極限思想.

1.3 科學(xué)探究

科學(xué)探究是物理學(xué)家認(rèn)識客觀世界的主要方式，也是學(xué)生學(xué)習(xí)物理的重要學(xué)習(xí)方式.教科書以問題解決為導(dǎo)向，設(shè)置合適的欄目引導(dǎo)學(xué)生通過科學(xué)探究逐步認(rèn)識物理現(xiàn)象、得出物理結(jié)論.在“向心力”一節(jié)中，教科書首先通過生活中的實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到物體做圓周運(yùn)動需要一個力改變其運(yùn)動狀態(tài);然后通過手拉細(xì)繩一端的小物體做圓周運(yùn)動，體驗(yàn)向心力大小與物體的質(zhì)量、運(yùn)動半徑、運(yùn)動的線速度大小等物理量之間的定性關(guān)系;最后，利用向心力演示儀或者傳感器實(shí)驗(yàn)，定量探究向心力公式.科學(xué)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(shí)驗(yàn)前的猜想假設(shè)、實(shí)驗(yàn)后的推理論證、科學(xué)解釋與誤差分析等思維過程，引導(dǎo)學(xué)生體會物理實(shí)驗(yàn)與思維之間的關(guān)系.教科書內(nèi)容安排“向心力”在前、“向心加速度”在后，試圖引導(dǎo)學(xué)生充分體驗(yàn)猜想假設(shè)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計的探究過程，也強(qiáng)調(diào)利用牛頓第二定律對向心力公式的科學(xué)解釋，這正是加強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)與科學(xué)思維整合的具體表現(xiàn).

1.4 科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

認(rèn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行定性分析，然后進(jìn)行定量推導(dǎo)或者實(shí)驗(yàn)探究，并且兩種途徑得出的結(jié)果具有一致性.具體可以表現(xiàn)在探究向心力大小的過程中：既可以通過實(shí)驗(yàn)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(yùn)動的分析得出向心加速度，然后根據(jù)牛頓第二定律求得向心力大小.還可以表現(xiàn)在向心加速度大小和方向的分析過程中.圓周運(yùn)動在生活中有廣泛的應(yīng)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(xiàn)象，無一例外都可以用圓周運(yùn)動的知識進(jìn)行解釋說明.

修訂前后的教科書關(guān)于圓周運(yùn)動的內(nèi)容都是四節(jié)，但順序略有調(diào)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(xué)探究和體驗(yàn)在物理學(xué)習(xí)中的價值.本章的課時安排建議如下：

1. 圓周運(yùn)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(yùn)動 2課時

2 具體說明

教科書把落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的課程目標(biāo)滲透到知識學(xué)習(xí)的每一個環(huán)節(jié)，體現(xiàn)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(diào)整教科書結(jié)構(gòu)與欄目設(shè)置，多途徑引導(dǎo)學(xué)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(shè)置了問題、做一做、思考與討論、擴(kuò)展學(xué)習(xí)等形式多樣的欄目.通過這些欄目引導(dǎo)學(xué)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(xiàn)象或者解決問題，促進(jìn)學(xué)生運(yùn)動與相互作用觀念的進(jìn)一步發(fā)展.

教科書提供了豐富的現(xiàn)象與事實(shí)，引導(dǎo)學(xué)生在充足的事實(shí)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行抽象、概括與推理，建構(gòu)概念或者得出規(guī)律.涉及的現(xiàn)象與事實(shí)既包括日常生活中學(xué)生司空見慣的自行車，還包括游樂場里的游戲項(xiàng)目，天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室在軌飛行等.這些現(xiàn)象和事實(shí)不僅是學(xué)生認(rèn)知的基礎(chǔ)，也是發(fā)展學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣的素材.

教科書的引導(dǎo)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(dǎo)語是這樣的“自行車前進(jìn)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(diǎn)在相等時間內(nèi)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(nèi)它們轉(zhuǎn)過的角度不同”.教科書通過上述引導(dǎo)語力圖引導(dǎo)學(xué)生理解：線速度和角速度都是描述圓周運(yùn)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(yùn)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(gòu)過程的引導(dǎo)，還通過結(jié)構(gòu)調(diào)整，引導(dǎo)學(xué)生形成結(jié)構(gòu)良好的概念體系.教科書的第一節(jié)從運(yùn)動學(xué)的角度描述圓周運(yùn)動，進(jìn)一步豐富和發(fā)展了學(xué)生對機(jī)械運(yùn)動的認(rèn)識，這是學(xué)生第一次認(rèn)識到具有周期性特征的機(jī)械運(yùn)動，也初步掌握了描述圓周運(yùn)動的物理量;第二節(jié)實(shí)驗(yàn)探究物體做圓周運(yùn)動時的受力情況，即向心力大小的影響因素;第三節(jié)根據(jù)牛頓第二定律分析勻速圓周運(yùn)動的向心加速度.這一結(jié)構(gòu)與必修1的研究思路是一致的，即首先描述機(jī)械運(yùn)動，即運(yùn)動學(xué)，再從受力角度分析運(yùn)動的條件，動力學(xué).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(yùn)動→向心加速度→向心力→生活中的圓周運(yùn)動”.教科書之所以采用現(xiàn)在的內(nèi)容安排，主要目的有：第一，增強(qiáng)探究性.在描述圓周運(yùn)動基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生思考物體做圓周運(yùn)動的條件，進(jìn)而通過實(shí)驗(yàn)分別從定性、定量層次探究影響向心力的因素，有利于加強(qiáng)學(xué)生的探究意識.第二，強(qiáng)化“運(yùn)動→力→運(yùn)動與力的關(guān)系”的研究大思路.這種一以貫之的內(nèi)容安排不僅有利于學(xué)生豐富發(fā)展力學(xué)概念體系，也有利于學(xué)生進(jìn)一步鞏固在研究直線運(yùn)動和平拋運(yùn)動過程中形成的研究質(zhì)點(diǎn)力學(xué)問題的大思路：描述物體的運(yùn)動情況;分析質(zhì)點(diǎn)的受力情況;根據(jù)牛頓運(yùn)動定律建立運(yùn)動與相互作用之間的關(guān)系.第三，降低向心加速度理論推導(dǎo)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(dǎo)向心加速度公式an=v2r存在兩個難點(diǎn)：一是速度變化量的矢量運(yùn)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(nèi)容放在“向心力”內(nèi)容后面，一是可以適當(dāng)降低思維難度，二是豐富向心加速度的推導(dǎo)思路，既可以根據(jù)速度變化量求得，也可以根據(jù)牛頓第二定律和向心力公式求得.

教科書單獨(dú)安排“生活中的圓周運(yùn)動”一節(jié)，試圖讓學(xué)生應(yīng)用圓周運(yùn)動的知識解釋物理現(xiàn)象和解決物理問題，通過知識應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)一步理解運(yùn)動與相互作用的關(guān)系，發(fā)展學(xué)生的運(yùn)動與相互作用觀念.

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

教科書借助不同內(nèi)容全面體現(xiàn)了促進(jìn)科學(xué)思維能力發(fā)展的課程目標(biāo).通過對豐富的圓周運(yùn)動實(shí)際問題情境進(jìn)行抽象、概括形成質(zhì)點(diǎn)在水平面和豎直平面內(nèi)的圓周運(yùn)動模型，來發(fā)展學(xué)生的模型建構(gòu)能力.通過分析圓周運(yùn)動線速度、角速度與周期的關(guān)系，應(yīng)用極限思想分析圓周運(yùn)動在極短時間內(nèi)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(xué)生的科學(xué)推理能力.通過分析向心加速度與圓周運(yùn)動的半徑之間的關(guān)系、向心力來源等問題，來發(fā)展學(xué)生的科學(xué)論證能力.通過討論向心加速度與圓周運(yùn)動半徑的關(guān)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(xué)生的質(zhì)疑與創(chuàng)新能力.

教科書通過設(shè)置合適的內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生反省，促進(jìn)所學(xué)知識的融會貫通，形成解決問題的認(rèn)知策略.例如，在“向心加速度”一節(jié)的“思考與討論”中設(shè)計了討論向心加速度與圓周運(yùn)動的半徑是成正比還是反比的問題，試圖引導(dǎo)學(xué)生明白在實(shí)際問題中物理量之間成正比與反比的條件，體會物理與數(shù)學(xué)的關(guān)系.在“生活中的圓周運(yùn)動”一節(jié)中討論了汽車過拱形橋的問題，然后在這個基礎(chǔ)上，通過“思考與討論”欄目，引導(dǎo)學(xué)生思考：把地球看成一個巨大的拱形橋，汽車速度達(dá)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(yùn)動做好了鋪墊.把地球看成一個巨大的拱形橋，引導(dǎo)學(xué)生展開想象的“翅膀”，發(fā)展學(xué)生想象力，有利于激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)興趣.

2.3 注重豐富學(xué)生對客觀世界的體驗(yàn)，在體驗(yàn)中深化認(rèn)識

本章內(nèi)容比較抽象，做圓周運(yùn)動物體的速度不斷在變化，同時力也不斷變化，使學(xué)生感到困難.增加學(xué)生的體驗(yàn)是突破難點(diǎn)的重要方式.體驗(yàn)的獲得離不開真實(shí)的物理情境，學(xué)生通過建立知識與情境之間的聯(lián)系，促進(jìn)知識的情境化.

教科書選擇的大量實(shí)例與學(xué)生的日常生活有關(guān)，例如自行車、游樂項(xiàng)目、汽車等等，這些實(shí)例容易喚醒學(xué)生的體驗(yàn)，不僅可以幫助學(xué)生有效突破學(xué)習(xí)難點(diǎn)，還可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐意識.教科書還通過“做一做”等欄目設(shè)計體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生豐富感性認(rèn)識，為探究實(shí)驗(yàn)做好鋪墊.在探究向心力大小的表達(dá)式之前，教科書在“做一做”欄目中安排了“感受向心力”的體驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生首先體驗(yàn)向心力大小與物體質(zhì)量、圓周運(yùn)動的半徑、線速度等物理量之間的關(guān)系，有利于學(xué)生在探究實(shí)驗(yàn)前提出有依據(jù)的猜想假設(shè)，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐意識.

建構(gòu)物理概念的意義，或者說引入物理概念的必要性，一直是學(xué)生在學(xué)習(xí)中容易忽視的，也是物理教學(xué)的薄弱環(huán)節(jié).教科書通過“問題”等欄目，豐富學(xué)生體驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生體會建立概念的必要性，體會實(shí)踐與理論的關(guān)系.例如，在“圓周運(yùn)動”一節(jié)中，通過比較自行車大、小齒輪邊緣上的點(diǎn)，以及同一齒輪上到轉(zhuǎn)軸距離不同的點(diǎn)運(yùn)動的快慢，引導(dǎo)學(xué)生體會建立線速度和角速度等物理量來描述圓周運(yùn)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(xiàng)目為情境，引導(dǎo)學(xué)生體會做圓周運(yùn)動的人的受力情況，豐富學(xué)生對向心力的感性認(rèn)識，為提出向心力概念提供基礎(chǔ).

教科書在結(jié)構(gòu)安排上也體現(xiàn)了從學(xué)生的體驗(yàn)入手，逐步上升到理性認(rèn)識，理性認(rèn)識再回到生活實(shí)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(yùn)動的基礎(chǔ)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(yīng)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(lián)系實(shí)際，在真實(shí)情境中促進(jìn)學(xué)生素養(yǎng)全面發(fā)展

科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的形成無法通過直接說教達(dá)成.教科書注重通過實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)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(cè)重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任：一個是在課文的正文中引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)的價值，解釋日常生活現(xiàn)象，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任;另一個是在“練習(xí)與應(yīng)用”中設(shè)置有針對性題目，在真實(shí)的物理情境中引導(dǎo)學(xué)生通過計算推理、分析、反思，或者對運(yùn)算結(jié)果賦予實(shí)踐意義，引導(dǎo)學(xué)生情感的投入，培養(yǎng)學(xué)生的社會責(zé)任感.例如，教科書正文介紹了離心運(yùn)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(dǎo)學(xué)生理性認(rèn)識交通規(guī)則，增強(qiáng)安全意識.

（收稿日期：2019-08-15）