向心力概念的學生自主建構活動教學設計

【摘 要】針對新教材有關向心力概念的教學進行設計，體現學生自主建構概念的思想，在課堂上采用學生自主建構活動的教學方式進行教學，讓學生自然地掌握概念，獲得好的教學效果。

【關鍵詞】向心力 自主建構活動 教學設計

【中圖分類號】G【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）07B-0058-04

高中物理人教版新、老教材對向心力的處理呈現了很大的不同，老教材通過對一二個實例歸納得出向心力的概念，著重于對向心力大小的探究；新教材先從理論上分析推導出向心加速度的方向和大小，再得出向心力概念和大小，而后用實驗驗證向心力大小。筆者認為，對向心力概念及其內涵的理解與把握程度直接影響到學生對相關問題的分析，教學中如何幫助學生有效地構建這個概念很值得探討。相比之下，新教材更注重前后知識之間的聯系，邏輯性強，更有助于學生對向心力概念的全面建構。然而從運動學角度直接推導向心加速度顯得起點較高，學生往往感到困難。為此，筆者在領會新教材精神的基礎上，對相關教學素材進行了重新整合與編排，將該部分教學分兩課時進行。第一課時著力于向心力概念的建構，第二課時側重于探究向心力大小。其中第一課時的教學錄像獲第5屆全國物理創新大賽一等獎，在此將該課的設計思想、教學過程及評析與各位同行作一交流與探討。

一、教學設計思想

建構主義學習理論認為，物理概念的學習是由學生根據已有認知主動建構自己知識經驗的過程，教師應當幫助學生在已有知識經驗的基礎上生長、發展、完善、深化對概念的認知。從知識的前后聯系來看，向心力并非全新的知識，而是學生頭腦中已有的動力學知識在圓周運動中進一步的發展和延伸。因此，筆者在進行教學設計時，將重點放在對勻速圓周運動的受力特點與其動力學機制的探究上，引導學生在探究規律的過程中不斷生長和構建起向心力的概念。整節課按“提出課題、感知體驗、理論探究、應用拓展”這一線索展開教學，通過不斷創設問題情境，推動學生積極體驗、主動思維、相互交流，充分調動學生的自主建構活動，使學生認知層層深入，最終實現對概念的較深層且全面的理解，進而獲得能力的提升、感受學習的成就。

二、教學實施過程

（一）第1層次：從生活情境中質疑圓周運動的受力特點

學生提問：為什么自行車賽道的彎道部分是傾斜的，而在直道部分是水平的？

教師進一步引導：傾斜意味著什么力在變？

學生回答：彎道傾斜說明支持力在變……

教師引導：看來，自行車在彎道部分所受的支持力和在直道部分時所受的支持力有所不同。

教師進一步引導：剛才大家提出的這些問題都與物體做圓周運動時的受力特點有關。生活中的圓周運動往往比較復雜，研究問題總是從簡單到復雜，最簡單的圓周運動是什么呢？

學生回答：最簡單的圓周運動是勻速圓周運動。

所以我們可以先來研究勻速圓周運動。

教師創設鮮活情境，引發認知沖突。當學生發現情境中的現象與自己頭腦中的經驗不符合時，產生困惑，激起強烈的問題意識和探究欲望，教師抓住契機，巧妙設疑，推進學生去發現、感悟情境中更為深層次的東西，以促使他們轉化為有價值的探究課題。在此學生正是認識到水流星作圓周運動時水在最高點不掉落和自行車賽道彎道部分傾斜這兩個現象的非常規、出乎意料之處，從而引發對圓周運動受力問題的探究愿望。發現問題往往比解決問題更重要，它是一切創新活動的開始。新課程標準將提出問題的能力作為重要的教學目標，這要求我們要有意識地去創設能夠激發興趣、引發聯想的問題情境，并給學生足夠的時間、空間去質疑、感悟，體驗科學問題形成過程，從中培養學生的探究意識和創新能力。

（二）第2層次：從直觀感知中對向心力形成基本認識

[教學片斷]

教師設問：有什么辦法使小球在光滑水平桌面上做勻速圓周運動？

（學生展開討論）

教師設問：先討論前面兩種情況，在這兩個實例中是什么力使物體做勻速圓周運動？

學生回答：兩例中小球都受到重力、支持力，使小球作勻速圓周運動的力分別是繩子的拉力、擋板的彈力。

教師引導學生體驗：小球做勻速圓周運動的過程中撤去繩子拉力、撤去擋板彈力（事先準備一有缺口的圓槽），小球如何運動？

學生實驗：觀察小球此時的運動情況（沿著切線飛出）。

引導學生想象：不用繩子拉，也不用擋板擋，還可用什么方法使物體做勻速圓周運動？

學生聯想并回答：在小球運動方向的側向用磁鐵使小球軌跡發生彎曲，假設實驗中使磁鐵勻速轉動，始終對準小球，就可以使小球做圓周運動。

教師播放視頻并講解：雖然這是一個思想實驗，而自然界中有這樣類似的模型，在日地系統中，太陽就像一個大磁鐵，它對地球的引力使地球不斷圍繞太陽做近似勻速圓周運動。

教師引導：通過剛才的體驗、觀察和分析，大家覺得使物體做勻速圓周運動的力有什么特點？

學生歸納：應該都是指向圓心的。

體驗是探究的核心，學生只有在實踐體驗中才能啟發思維、發展心智，為更深入地展開思維和探究活動提供基礎和動力，從而獲得自主學習的能力。在這里，教師啟發學生緊密聯系生活經驗以及切身的感受去構想最容易實現的圓周運動，并通過學生親自動手操作、想象實驗、播放視頻等多種方式讓學生去體驗、觀察、感悟這些圓周運動中物體的受力特點。與此同時，學生借助教師的點撥、啟迪，對手頭的感性材料進行分析、歸納、提煉，進而構建起“勻速圓周運動受力指向圓心”這一重要認知。它源于實際的感性材料又高于感性材料，可以說是一個初步的概念，為學生進一步從理論的高度來構建科學的概念做好了鋪墊。在這一過程中學生也領悟到，當科學研究中面臨疑難或思維障礙時，要多聯系生活經驗和有關實驗，以便給抽象的思維以具體的支撐。應該說，這也是一種極其可貴的科學品質，縱觀歷史上許多成功的科學研究也確實開始于對生活現象的關注與投入。

（三）第3層次：通過演繹推理建構向心力的科學概念

[教學片斷]

教師設問：剛才的結論我們是從幾個實例中獲得的，這是遠遠不夠的，那么如何從理論上論證，作勻速圓周運動的物體一定需要一個指向圓心的力呢？

（學生們感到困惑）

教師啟發：這是一個關于力和運動關系的問題，我們曾經學習過的牛頓第二定律，它不僅適用于直線運動，也適用于曲線運動。大家可以從牛頓第二定律出發作些探究嘗試。

學生回答：根據牛二定律，物體如果受到的力指向圓心，就一定存在指向圓心的加速度，這個加速度與物體運動方向始終垂直，于是速度大小不改變而方向不斷改變，所以物體做勻速圓周運動。

教師引導：大家知道，解決動力學問題有兩條途徑，剛才同學們從物體的受力出發，推知物體的加速度，進而推知物體的運動情況，那么考慮一下，能否從另一條途徑加以論證呢？也就是說，從物體的運動情況出發推知物體的加速度，進而推知物體的受力情況。

（學生分組討論）

學生代表回答：運動學中加速度的定義式，加速度的方向與某段時間內速度變化量一致，可以按先尋找速度變化量的方向，然后確定加速度的方向，進而確定力的方向。

（教師用板書總結學生的回答： →a→F，而后再讓學生分組討論，進行圖示分析）

教師引導：中的方向反映的是某段時間內從A點到B點的速度變化量的方向，這一方向確切地說與A點到B點的平均加速度方向一致，若要獲得A點的瞬時加速度的方向，應該怎樣來思考、處理呢？

（學生分組討論）

學生分析：運用極限思維方式，當B點不斷靠近A點時，矢量圖中的的方向將垂直于該處的速度方向，因此A點的瞬時加速度的方向指向圓心。

新知識的生成一定是與原有知識點相關聯的，教學中我們要把握好學生認知的角度、深度和開放度，找準學生的認知節點，讓學生在認知節點上生成新知識。本環節的教學中，從學生所熟悉的力、加速度、運動三者之間關系作為切入點，引導學生將解決直線運動中動力學問題的方法遷移到勻速圓周運動的新情境中，從而幫助學生尋找到新的知識生長的認知節點，為更深入的理論探究尋找到了方向。這里的探究活動對學生的思維能力和數學能力的要求較高，教師的設問既要具有啟發性，又要具有開放性，以便積極有效地激發、促進學生的自主思維活動。為此，教師創設了生生互動的平臺，讓學生在交流與探討中相互啟迪、拓展認知，不斷修正、完善自己的認識，逐步實現對新知識的自主建構。通過這一環節的學習，學生對勻速圓周運動的受力特征從感知水平上升到了邏輯數學水平，對這個“力”的認識從表象深入到了它的本質，于是向心力科學概念的建構也就水到渠成了。

（四）第4層次：在生活實例中尋找向心力的來源

[教學片斷]

教師設問：那么，在常見的一些圓周運動的實例中，向心力的來源是什么呢？

學生回答：靜摩擦力。

教師設問：這是大家分析出來的，能否用一個實驗來證明確實是靜摩擦力在提供向心力呢？

師生共同討論并設計實驗：將轉盤表面改成較為光滑的金屬面，轉動轉盤，物體飛離盤面，說明沒有足夠大的摩擦力，物體無法跟隨轉盤作勻速轉動。

教師展示ppt，并設問：在前面的學習中，出現過自行車運動員在賽道上勻速拐彎的情景，還有光滑水平面上的圓錐擺運動，請大家討論這兩個實例中向心力是什么提供的？

（學生討論）

學生回答：前者是運動員及自行車的重力和地面的支持力的合力提供向心力，后者是拉力的一個分力提供向心力。

師生共同歸納：可見，向心力可以是彈力、摩擦力、重力中的任一個力、也可以是某幾個力的合力或者任一個力的分力，它是一個效果力。平時我們在分析具體實例時應該是“找”向心力而不是“畫”向心力。

教師展示ppt：在上課開始時我給大家做的水流星實驗中，為什么到最高點水不落下來？

學生回答：水處于完全失重狀態，這和自由落體時的情況是一樣的。

教師啟發：那么水在自由下落時重力起到什么作用？

學生回答：水在自由下落時重力用來提供重力加速度，使水在豎直方向加速。

教師引導：那么在水流星實驗中水也處于完全失重狀態，重力是否起同樣的作用呢？

學生回答：哦，水沒有加速，重力應該是起到了提供向心加速度的作用，使水改變運動的方向

對物理概念的理解是一個螺旋式上升的過程，需要在充分（下轉第64頁）（上接第60頁）的實踐和體驗中得以鞏固和深化。在本節課中豐富的實驗資源提供了多樣的圓周運動的實例，它們從不同側面反映了向心力的來源及組成，教師充分利用課堂資源進行問題預設，引導學生進行比較、分析，學生經歷著同中求異、異中求同的思辨過程，從而進一步理解向心力的本質，把握其內涵。在這里，師生對“水流星”的探討則體現了課堂的動態生成，“水流星”出乎意料的現象精彩而令人困惑，學生很難一下子分析到位，教師及時捕捉住了學生在學習中的動態思維，順著學生的思路因勢利導，促使他們發揮自身的能動性，激發其創新的靈感，幫助學生從表象逐步深入到了問題的本質。與此同時，也為整堂課注入了生機和活力。

三、反思與結語

縱觀整個教學過程，筆者覺得本節課的成功之處體現在以下幾方面。首先，不拘泥教材，在理清知識邏輯結構和把握學生思維障礙的基礎上重構、活化教材內容，使教學過程符合學生的認知規律；其次，教學中創設情境、提供資源讓學生獲得充分體驗的機會，以幫助學生激活經驗和已有知識，充分調動學生探究新知識的動機；再次，教學中創設師生互動、生生互動的環境，推進學生在動態探究中不斷修正和調整對物理問題的看法，培養他們自主思維的能力。當然，這節課也有不足之處，由于實驗器材的限制使有些學生的想法不能實現，教師較多的設問和引導不能使更多的學生暢所欲言。所以，物理課堂如何更好的發揮學生的主體作用，讓不同層次的學生在課堂上獲得思維的提升和能力的發展，是我們進一步值得思考和探索研究的。

（責編 盧建龍）