大單元視域下圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)的研究

摘" 要：圓周運(yùn)動(dòng)是曲線運(yùn)動(dòng)的一種類型，貫穿力學(xué)、電學(xué)、電磁學(xué)等相關(guān)知識(shí)?；趯?duì)大單元內(nèi)涵的理解，圍繞魯科版《普通高中教科書·物理》提出作好教學(xué)預(yù)告、夯實(shí)知識(shí)根基、構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型、創(chuàng)設(shè)可視情境、明晰應(yīng)用視野的圓周運(yùn)動(dòng)大單元教學(xué)策略，助力高中物理教學(xué)效率的提高及學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中物理；大單元；圓周運(yùn)動(dòng)

大單元既可以是教材中呈現(xiàn)的教學(xué)單元，又可以是依據(jù)明確的主題對(duì)教材中的內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)的單元。在高中物理教學(xué)中，立足大單元視域?qū)A周運(yùn)動(dòng)的知識(shí)進(jìn)行統(tǒng)整，對(duì)與之相關(guān)的運(yùn)動(dòng)情境進(jìn)行梳理，系統(tǒng)構(gòu)建圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)體系，可以幫助學(xué)生深入理解與靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，提高物理學(xué)習(xí)效率和解題能力。因此，教師應(yīng)該認(rèn)識(shí)到基于大單元視域開展圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)的意義，并采取有效措施積極開展相關(guān)教學(xué)活動(dòng)。

一、統(tǒng)整知識(shí)，進(jìn)行教學(xué)預(yù)告

大單元視域下，教師在圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)中可以統(tǒng)整力學(xué)、電學(xué)、電磁學(xué)相關(guān)知識(shí)，體現(xiàn)知識(shí)間的內(nèi)在邏輯關(guān)系及知識(shí)的整體性。為幫助學(xué)生形成對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)的整體感知，教師需要進(jìn)行教學(xué)預(yù)告。教學(xué)預(yù)告主要包括教學(xué)內(nèi)容的介紹、學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)的提示、教學(xué)計(jì)劃的公布三方面。教師可以使用相關(guān)教學(xué)工具，如思維導(dǎo)圖、表格等，結(jié)構(gòu)化、層次化地呈現(xiàn)大單元教學(xué)內(nèi)容，給學(xué)生留下深刻印象。例如，通過表格為學(xué)生展示圓周運(yùn)動(dòng)內(nèi)容在教材中的具體分布，使學(xué)生能一目了然，明確圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)的所屬章節(jié)、學(xué)習(xí)的先后順序等。同時(shí)，圍繞呈現(xiàn)的具體內(nèi)容，通過給出學(xué)習(xí)重點(diǎn)和難點(diǎn)的提示指導(dǎo)學(xué)生預(yù)習(xí)，在學(xué)習(xí)過程中合理分配時(shí)間和精力，把握學(xué)習(xí)的注意事項(xiàng)，提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。另外，教師可以按照統(tǒng)整后的知識(shí)及學(xué)生的實(shí)際情況制訂教學(xué)計(jì)劃，并提前公布計(jì)劃，包括教學(xué)課時(shí)的分配、教學(xué)進(jìn)度、每節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)舉措等內(nèi)容，根據(jù)學(xué)生理解和掌握?qǐng)A周運(yùn)動(dòng)的情況動(dòng)態(tài)調(diào)整教學(xué)計(jì)劃，滿足學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。

魯科版《普通高中教科書·物理》（以下統(tǒng)稱“魯科版教材”）中，“圓周運(yùn)動(dòng)”相關(guān)知識(shí)的主要分布及重點(diǎn)和難點(diǎn)具體如表1所示。

總之，教師在教學(xué)中使用表格呈現(xiàn)教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)內(nèi)容，并配合教學(xué)計(jì)劃的制訂與公布完成教學(xué)預(yù)告，能促進(jìn)大單元視域下圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)活動(dòng)的有序、高效推進(jìn)。

二、聚焦原理，夯實(shí)知識(shí)根基

大單元視域下高中物理中與圓周運(yùn)動(dòng)相關(guān)的內(nèi)容雖然較多，但大都是從圓周運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)知識(shí)延伸而來。針對(duì)這一情況，教師應(yīng)該聚焦圓周運(yùn)動(dòng)原理，借助實(shí)施實(shí)驗(yàn)、連續(xù)追問和引導(dǎo)總結(jié)的方式完成教學(xué)，使學(xué)生夯實(shí)基礎(chǔ)，順利達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)是揭示物理現(xiàn)象、探究物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要手段。課堂上，教師可以進(jìn)行“探究影響向心力大小的因素”實(shí)驗(yàn)的講解，激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)、主動(dòng)探究的欲望；可以根據(jù)教學(xué)需要運(yùn)用現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，提高實(shí)驗(yàn)效率。為驅(qū)動(dòng)學(xué)生深度思考，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中了解圓周運(yùn)動(dòng)的原理，教師應(yīng)設(shè)計(jì)由淺入深、層層遞進(jìn)的問題，并在課堂上不斷追問，逐漸深化學(xué)生的認(rèn)識(shí)，幫助其厘清各物理量之間的關(guān)系。另外，教師可以通過給學(xué)生預(yù)留總結(jié)的時(shí)間，使其自主完成圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)的歸納，加強(qiáng)對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)知識(shí)的系統(tǒng)掌握。

例如，向心力、向心加速度是圓周運(yùn)動(dòng)大單元的核心概念。教學(xué)中，教師可以創(chuàng)設(shè)游客坐過山車游玩的情境，并提出問題：“做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，其受力有什么特點(diǎn)？”在這一問題的指引下，學(xué)生認(rèn)真閱讀教學(xué)內(nèi)容，完成對(duì)向心力相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。通過學(xué)習(xí)，學(xué)生了解了物體做圓周運(yùn)動(dòng)是受到了向心力的作用，而且向心力是效果力，由其他力提供。教師追問：“如何根據(jù)物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的參數(shù)，如線速度、角速度的大小，得出其受到的向心力大??？”為回答這一問題，教師可以講解“探究影響向心力大小的因素”這一實(shí)驗(yàn)，并要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，條件允許的情況下還可以要求學(xué)生使用DIS向心力實(shí)驗(yàn)器完成實(shí)驗(yàn)，以降低實(shí)驗(yàn)操作的難度。實(shí)驗(yàn)中，通過改變小球運(yùn)動(dòng)的角速度[ω]、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r、質(zhì)量m，分別記錄對(duì)應(yīng)向心力的大小，能夠得出向心力的公式為[F=mrω2。] 隨后，教師提出問題：“根據(jù)牛頓第二定律，應(yīng)該怎樣計(jì)算物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度？加速度是矢量，其大小和方向又是怎樣的？”通過這些問題的引導(dǎo)，學(xué)生結(jié)合向心力公式可以推導(dǎo)出向心加速度的計(jì)算公式為[a=rω2，] 得出“對(duì)于某一確定的勻速圓周運(yùn)動(dòng)，向心力和向心加速度的大小恒定不變，但方向卻時(shí)刻在改變”的結(jié)論。課堂將要結(jié)束時(shí)，教師可以要求學(xué)生回顧所學(xué)的線速度、角速度和周期的關(guān)系等知識(shí)，進(jìn)行相關(guān)公式變式的推導(dǎo)與總結(jié)，為大單元視域下圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)更深層次的教學(xué)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

三、精選習(xí)題，構(gòu)建運(yùn)動(dòng)模型

在進(jìn)行大單元視域下圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)該認(rèn)識(shí)到物體做圓周運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，指導(dǎo)學(xué)生積極構(gòu)建相關(guān)的運(yùn)動(dòng)模型。教師可以選擇?？嫉牧?xí)題情境鼓勵(lì)學(xué)生積極思考，完成運(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建，做好模型的應(yīng)用檢驗(yàn)，確保模型構(gòu)建的正確性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，小球做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，以及帶電粒子在電場、磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)是考試中的?？记榫?。教師應(yīng)該精選圓周運(yùn)動(dòng)相關(guān)的習(xí)題，組織學(xué)生開展建?；顒?dòng)。為提高構(gòu)建效果，教師可以講解構(gòu)建模型的思路和方法，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)習(xí)題情境畫出物體運(yùn)動(dòng)至關(guān)鍵位置的草圖，標(biāo)出已知量，并結(jié)合受力分析、幾何知識(shí)充分挖掘隱含條件，依托圓周運(yùn)動(dòng)原理，推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)模型。另外，教師可以創(chuàng)設(shè)新的習(xí)題情境，要求學(xué)生運(yùn)用構(gòu)建的模型進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行調(diào)整，理解、牢記模型成立的條件，并能夠根據(jù)實(shí)際情況靈活運(yùn)用模型，確保解決圓周運(yùn)動(dòng)問題的高效性和正確性。

例如，“將可視為質(zhì)點(diǎn)的小球系在輕繩或輕桿一端，在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)”的習(xí)題情境在日常測驗(yàn)和高考中出現(xiàn)頻率較高，教師應(yīng)該認(rèn)識(shí)到這一習(xí)題情境在大單元視域下教學(xué)的重要性，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建小球在最高點(diǎn)的速度模型。其中，當(dāng)輕繩系著小球時(shí)，到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)輕繩張力為0，此時(shí)由小球自身的重力提供向心力，可得[mg=mv2r，] 即[v=gr，] 該模型為小球運(yùn)動(dòng)到豎直平面做完整圓周運(yùn)動(dòng)的臨界速度模型。那么這一模型是否適用于小球固定在輕桿一端時(shí)，做完整圓周運(yùn)動(dòng)的情境呢？分析這個(gè)問題需要了解輕繩和輕桿性質(zhì)的不同，輕桿對(duì)小球可以產(chǎn)生拉和支撐的作用，而輕繩只能產(chǎn)生拉的作用。因此，使用輕桿時(shí)小球做圓周運(yùn)動(dòng)在最高點(diǎn)的速度可以為0。如果小球帶電且系在輕繩一端，另一端固定在一點(diǎn)，放在勻強(qiáng)電場中，那么小球做完整圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的臨界速度模型又是怎樣的？帶電小球在勻強(qiáng)電場中會(huì)受到電場力，分析時(shí)需要確定小球做圓周運(yùn)動(dòng)的等效最高點(diǎn)。通過受力分析可知，等效最高點(diǎn)在小球靜止時(shí)重力、電場力合力的反方向上。根據(jù)力的合成法則，需要求出等效重力。取小球靜止時(shí)與豎直方向的夾角為[θ]，則合力為[F合=mgcosθ，] 等效重力[g=gcosθ，] 此時(shí)的臨界速度模型為[v=gr=grcosθ。] 通過構(gòu)建模型，并結(jié)合不同的情境對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，使學(xué)生從更深層次理解圓周運(yùn)動(dòng)原理，提高大單元視域下圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)的效率。

四、活用教法，創(chuàng)設(shè)可視情境

大單元視域下圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)中，教師應(yīng)該汲取以往成功的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，靈活運(yùn)用教學(xué)方法，創(chuàng)設(shè)易于學(xué)生觀察、理解的可視情境，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，幫助學(xué)生逐個(gè)擊破圓周運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)，如可以借助微課視頻、教學(xué)動(dòng)畫完成可視情境的創(chuàng)設(shè)。其中，帶電粒子在電場、磁場中做圓周運(yùn)動(dòng)的部分情境對(duì)學(xué)生的空間想象能力要求較高。教學(xué)中，教師應(yīng)通過課堂觀察、互動(dòng)交流，了解、聚焦學(xué)生不易理解的運(yùn)動(dòng)情境，如針對(duì)帶電粒子在磁場中做螺旋運(yùn)動(dòng)的情境，利用微課視頻進(jìn)行多視角展現(xiàn)，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到螺旋運(yùn)動(dòng)是圓周運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)，靈活運(yùn)用運(yùn)動(dòng)的分解知識(shí)、圓周運(yùn)動(dòng)原理分析帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，計(jì)算相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。另外，教學(xué)動(dòng)畫具有趣味性強(qiáng)、簡單、易懂的優(yōu)點(diǎn)，用于展示帶電粒子在磁場中的運(yùn)動(dòng)優(yōu)勢明顯。教學(xué)中，教師可以播放相關(guān)的教學(xué)動(dòng)畫，展示帶電粒子做圓周運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)，如粒子是如何被加速的，是以怎樣的規(guī)律做圓周運(yùn)動(dòng)的，幫助學(xué)生在頭腦中形成清晰的印象，助力問題的順利解決。

例如，回旋加速器是加速帶電粒子運(yùn)動(dòng)的重要裝置，也是圓周運(yùn)動(dòng)大單元中的重要考點(diǎn)。部分學(xué)生對(duì)回旋加速器的工作原理認(rèn)識(shí)不深，遇到相關(guān)的問題時(shí)找不到突破口。據(jù)此，教師可以通過播放相關(guān)的教學(xué)動(dòng)畫進(jìn)行授課，在動(dòng)畫中詳細(xì)介紹回旋加速器的構(gòu)成及各部分的組裝過程。同時(shí)，以某一帶電粒子為對(duì)象，模擬帶電粒子加速的過程。通過觀看教學(xué)動(dòng)畫，學(xué)生可以清晰地看到帶電粒子被中間狹縫中的電場加速后進(jìn)入到兩個(gè)中空的半圓形銅盒中，帶電粒子受到垂直于盒面的磁場的作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，做圓周運(yùn)動(dòng)，其中洛倫茲力提供向心力。在運(yùn)動(dòng)過程中，帶電粒子中間狹縫中的電壓呈現(xiàn)周期性變化，即中間狹縫中的電壓變化周期和帶電粒子的運(yùn)動(dòng)周期保持一致。如此可以幫助學(xué)生更為深入地了解回旋加速器的工作原理，明確帶電粒子在其中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。不僅如此，學(xué)生可以結(jié)合圓周運(yùn)動(dòng)原理推導(dǎo)出以下結(jié)論：[qvB=mv2r，][r=mvqB，] [T=2πrv，] [t=2πmqB，] 從中得出帶電粒子的運(yùn)動(dòng)周期與粒子的質(zhì)量、電荷量、磁感應(yīng)強(qiáng)度有關(guān)。這一結(jié)論可用于解決回旋加速器相關(guān)的諸多問題，提高學(xué)生的解題能力，促進(jìn)大單元教學(xué)質(zhì)量的提高。

五、剖析典型例題，明晰應(yīng)用視野

大單元視域下的圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)既要注重學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解和掌握程度，又要注重提高學(xué)生靈活運(yùn)用圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)解題的能力。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，教師可以與學(xué)生一起剖析典型例題，并通過改編習(xí)題拓寬學(xué)生的視野，鍛煉學(xué)生的發(fā)散思維。教師應(yīng)多給予學(xué)生引導(dǎo)和啟發(fā)，使學(xué)生自己探尋解題思路，把握解題關(guān)鍵，書寫解題過程，以深化理解，并給予學(xué)生適當(dāng)?shù)墓膭?lì)，增強(qiáng)學(xué)生的自信，幫助學(xué)生積累解題經(jīng)驗(yàn)。不僅如此，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生深挖典型例題的價(jià)值，基于對(duì)典型例題的理解和對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的把握，積極聯(lián)系所學(xué)知識(shí)提出新的問題，并嘗試作答，使學(xué)生參與到習(xí)題改編和作答環(huán)節(jié)，從中獲得不一樣的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，在提高學(xué)生解題能力的同時(shí)，促進(jìn)大單元視域下圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)目標(biāo)的順利達(dá)成。

例如，當(dāng)帶電粒子以某一角度射入有邊界的勻強(qiáng)磁場中，在洛倫茲力的作用下做圓周運(yùn)動(dòng)，要求帶電粒子射入速度的臨界值，如最大值或最小值，是圓周運(yùn)動(dòng)大單元教學(xué)的難點(diǎn)。該類問題在高中物理中較為常見，考查的知識(shí)點(diǎn)有圓周運(yùn)動(dòng)、磁場、洛倫茲力等，綜合性較強(qiáng)，難度較大。大單元視域下的教學(xué)中，教師可以通過提出如下問題幫助學(xué)生找到解題切入點(diǎn)：以最大速度射入時(shí)，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡是怎樣的？如何確定其做圓周運(yùn)動(dòng)的圓心？如何運(yùn)用已知條件計(jì)算出其運(yùn)動(dòng)軌跡的半徑？在問題的引導(dǎo)下，學(xué)生嘗試畫出運(yùn)動(dòng)草圖，在圖形的輔助下完成作答。在此基礎(chǔ)上，教師鼓勵(lì)學(xué)生結(jié)合自身實(shí)際情況對(duì)習(xí)題進(jìn)行改編，如改變帶電粒子的電性、改變粒子的射入位置、改變勻強(qiáng)磁場強(qiáng)度的大小等，再進(jìn)行求解。改變條件后，帶電粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡一般會(huì)發(fā)生變化，需要學(xué)生重新作出判斷，畫出對(duì)應(yīng)的草圖。如此，學(xué)生可以運(yùn)用圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)解決物理問題，提高圓周運(yùn)動(dòng)大單元教學(xué)效率。

綜上所述，教師在實(shí)施大單元視域下高中物理圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)時(shí)應(yīng)該做好充分準(zhǔn)備，明確大單元教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)之間的區(qū)別和聯(lián)系，準(zhǔn)確把握大單元教學(xué)的內(nèi)涵，將高中物理中的圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)進(jìn)行統(tǒng)整。同時(shí)，深入講解圓周運(yùn)動(dòng)原理，使學(xué)生通過自主探究與總結(jié)，把握?qǐng)A周運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)及相關(guān)物理量的關(guān)系，構(gòu)建圓周運(yùn)動(dòng)基本模型，靈活運(yùn)用多種教學(xué)方法，剖析典型例題，為大單元視域下圓周運(yùn)動(dòng)教學(xué)工作的順利開展作鋪墊。

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