人教版新舊高中物理教科書(shū)章節(jié)設(shè)置的對(duì)比分析*
——以必修第二冊(cè)“向心力和向心加速度”兩節(jié)為例

李秀如

(阜陽(yáng)市第四中學(xué) 安徽阜陽(yáng) 236063)

一、引言

2019年版的人教版普通高中物理教科書(shū)(以下簡(jiǎn)稱“新版教科書(shū)”)在我省已經(jīng)使用近兩年的時(shí)間了。在使用新版教材教學(xué)的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，其相較于2015年版的人教版教科書(shū)(以下簡(jiǎn)稱“舊版教科書(shū)”)發(fā)生了重大變化。首先新版教科書(shū)的內(nèi)容編排體系發(fā)生了明顯變化，教科書(shū)內(nèi)容根據(jù)2017年版課程標(biāo)準(zhǔn)的要求有所增刪，部分章節(jié)呈現(xiàn)順序根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)做了調(diào)整。此外，新版教科書(shū)在欄目的設(shè)置、內(nèi)容的選擇，以及習(xí)題的設(shè)計(jì)等方面都體現(xiàn)了物理學(xué)科核心素養(yǎng)的滲透。本文以“向心力和向心加速度”這兩節(jié)教材內(nèi)容編排為例，對(duì)人教版新舊物理教科書(shū)做簡(jiǎn)略的對(duì)比分析，從中體會(huì)新版教科書(shū)中體現(xiàn)的物理學(xué)科素養(yǎng)和學(xué)生的認(rèn)知科學(xué)性，進(jìn)一步對(duì)使用新版教科書(shū)教學(xué)的提出一些建議，希望對(duì)教師使用新版教材教學(xué)有所幫助。

二、新舊版教科書(shū)的編寫(xiě)思路

在舊版教科書(shū)中，“曲線運(yùn)動(dòng)”內(nèi)容包括“平拋運(yùn)動(dòng)”和“圓周運(yùn)動(dòng)”兩個(gè)部分。圓周運(yùn)動(dòng)部分是先學(xué)習(xí)向心加速度，再學(xué)習(xí)向心力。“向心力”這一節(jié)先是通過(guò)地球繞太陽(yáng)做近似圓周運(yùn)動(dòng)和光滑的桌面上小球在細(xì)線的作用下做勻速圓周運(yùn)動(dòng)這兩個(gè)例子引出新課，通過(guò)實(shí)例總結(jié)勻速圓周運(yùn)動(dòng)的合力、加速度的特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生理解向心加速度的概念；通過(guò)“做一做”欄目引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出向心加速度的表達(dá)式；最后利用“思考與討論”和“問(wèn)題與練習(xí)”欄目引導(dǎo)學(xué)生掌握公式。“向心加速度”這一節(jié)利用之前學(xué)習(xí)的牛頓第二定律知識(shí)，推導(dǎo)出向心力的表達(dá)式，并通過(guò)圓錐擺例題，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生理解向心力的大小、方向、來(lái)源；通過(guò)“做一做”欄目中設(shè)置的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)向心力與線速度、角速度、半徑之間的關(guān)系；通過(guò)“問(wèn)題與練習(xí)”欄目來(lái)鞏固對(duì)公式的應(yīng)用；最后利用一小塊版面介紹變速圓周運(yùn)動(dòng)的力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系和一般的曲線運(yùn)動(dòng)中的處理方法。

新版教科書(shū)先是把“曲線運(yùn)動(dòng)”一章內(nèi)容拆分成兩章，分別是第五章拋體運(yùn)動(dòng)和第六章圓周運(yùn)動(dòng)，第六章圓周運(yùn)動(dòng)中的四節(jié)內(nèi)容沒(méi)有進(jìn)行增刪，但是把向心力和向心加速度的學(xué)習(xí)順序進(jìn)行了調(diào)整，先學(xué)習(xí)向心力，再學(xué)習(xí)向心加速度。“向心力”這一節(jié)是先利用游樂(lè)場(chǎng)里“空中飛椅”游戲項(xiàng)目引出新課，進(jìn)行受力分析，再以細(xì)繩牽引小球在光滑桌面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)為例，讓學(xué)生感受小球的受力方向，從而進(jìn)行向心力概念的學(xué)習(xí)；再通過(guò)“做一做”欄目引導(dǎo)學(xué)生理解向心力的大小、方向和來(lái)源，以及向心力的大小與物體的質(zhì)量、速度、軌道半徑等關(guān)系；接著進(jìn)一步利用向心力演示器探究向心力大小的表達(dá)式；最后介紹變速圓周運(yùn)動(dòng)和一般曲線運(yùn)動(dòng)的受力特點(diǎn)和處理方法，通過(guò)“問(wèn)題與練習(xí)”欄目引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步理解向心力。“向心加速度”這一節(jié)利用天宮二號(hào)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，引出做變速運(yùn)動(dòng)的物體的受力不為零，有加速度且是向心加速度的概念。由于先學(xué)習(xí)了向心力，所以這里可以直接利用牛頓第二定律得出向心加速度的表達(dá)式。“思考與討論”欄目中利用自行車(chē)的大齒輪、小齒輪和后輪之間的關(guān)系，鞏固了學(xué)生對(duì)向心加速度與線速度、角速度、半徑的關(guān)系的理解。例題是圓錐擺，找出向心力是由哪些力來(lái)提供。最后是“拓展練習(xí)”，進(jìn)行向心加速度公式的推導(dǎo)。“練習(xí)與應(yīng)用”鞏固了學(xué)生對(duì)向心加速度概念的理解和公式應(yīng)用。

三、新舊教科書(shū)的對(duì)比分析

(一)舊新教科書(shū)中的欄目設(shè)置對(duì)比分析

新舊教材“向心力和向心加速度”這兩節(jié)中欄目設(shè)置對(duì)比如表1所示。相比舊版教科書(shū)，新版教科書(shū)新增了“問(wèn)題”欄目，并且將該欄目設(shè)置于每一小節(jié)開(kāi)頭部分以引出向心力和向心加速度的概念。該欄目設(shè)置的問(wèn)題貼近生活實(shí)際或是科技前沿，不僅能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲望，還能更好地培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科的核心素養(yǎng)。在“向心力”這一節(jié)里增加了利用“向心力演示儀”探究向心力大小表達(dá)式的探究實(shí)驗(yàn)，讓本節(jié)內(nèi)容從探究實(shí)驗(yàn)中來(lái)，體現(xiàn)了物理學(xué)科的特點(diǎn)和科學(xué)探究的意義，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

(二)新舊教科書(shū)中的內(nèi)容對(duì)比分析

首先，新舊教材每一節(jié)開(kāi)頭都有“問(wèn)題”欄目，問(wèn)題分別是“空中飛椅”和“天宮二號(hào)繞地球運(yùn)動(dòng)”，設(shè)置的問(wèn)題或貼合生活實(shí)際或是科學(xué)前沿，不僅具有教學(xué)中引出新課的作用，更能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣。在學(xué)生有了前一章曲線運(yùn)動(dòng)的知識(shí)基礎(chǔ)上，從動(dòng)力學(xué)的角度引出向心力的概念，先讓學(xué)生從“空中飛椅”情境中體會(huì)向心力的大小和方向，為接下來(lái)的定性和定量學(xué)習(xí)向心力做好預(yù)設(shè)。

其次，新教材中運(yùn)用向心力演示儀來(lái)探究向心力大小的表達(dá)式，讓舊教材中用大篇幅的物理描述來(lái)感受向心力的“做一做”欄目顯得不必要。物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)著科學(xué)探究的重要思想和方法，對(duì)培養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)意義重大。舊教材中只是用圓錐擺粗略驗(yàn)證向心力的表達(dá)式，其不僅違背物理學(xué)科嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科態(tài)度，更是讓學(xué)生對(duì)向心力的學(xué)習(xí)產(chǎn)生疑問(wèn)，是缺乏科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神的體現(xiàn)，而且教材中的圓錐擺實(shí)驗(yàn)在實(shí)際操作上難度較大，很難讓實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到預(yù)期效果，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果存在一定的不確定性。新教材把舊教材中的圓錐擺實(shí)驗(yàn)改編為向心加速度的例題使用，降低了教與學(xué)的難度。

再次，舊教材先學(xué)向心加速度再學(xué)向心力，“做一做”欄目中的探究向心加速度大小的表達(dá)式，是教和學(xué)的難點(diǎn)，由于學(xué)生數(shù)學(xué)知識(shí)掌握的不足，探究方法難教難學(xué)，讓本來(lái)就有認(rèn)知邏輯問(wèn)題的向心力和向心加速度的學(xué)習(xí)難上加難。新教材大膽地改變向心力和向心加速度的學(xué)習(xí)順序，把“做一做”改成“學(xué)習(xí)拓展”，把“探究”改成了“推導(dǎo)”，讓教師明確了教學(xué)主次性，讓學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知具有邏輯性，更讓教材的編排具有物理學(xué)科特點(diǎn)和體現(xiàn)物理學(xué)科的核心素養(yǎng)。

最后，在變速圓周運(yùn)動(dòng)和一般曲線運(yùn)動(dòng)的受力特點(diǎn)這一部分內(nèi)容上，新教材在標(biāo)題上加了“受力特點(diǎn)”幾個(gè)字，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)這部分內(nèi)容時(shí)目標(biāo)明確。新教材添加了“思考與討論”欄目，避免了舊教材中的大篇幅文字?jǐn)⑹龅膯握{(diào)乏味，讓學(xué)生在問(wèn)題中去學(xué)習(xí)和探索，更物理學(xué)科特點(diǎn)突顯，注重學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。

表1 新舊教科書(shū)“向心力和向心加速度”兩節(jié)欄目設(shè)置對(duì)比

(三)新舊教科書(shū)中的其他對(duì)比分析

對(duì)于舊教材中的好的部分，新教材有的略加修改和位置調(diào)整，有的只字未動(dòng)繼續(xù)使用。例如：舊教材“思考與討論”中的自行車(chē)大小齒輪和后輪問(wèn)題、“實(shí)驗(yàn)”中的圓錐擺問(wèn)題、“做一做”中的向心加速度公式的推導(dǎo)、部分知識(shí)插圖、課后習(xí)題，等等。從以上這些可以看出，舊教材中存在很多亟待解決的問(wèn)題，在普通高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)的指導(dǎo)下，在充分體現(xiàn)物理學(xué)科特點(diǎn)和學(xué)科核心素養(yǎng)的基礎(chǔ)上，相關(guān)部分教材進(jìn)行了改版。

四、基于物理核心素養(yǎng)的教學(xué)建議

通過(guò)從不同角度新舊教材進(jìn)行對(duì)比分析，現(xiàn)對(duì)向心力和向心加速度這兩節(jié)的教學(xué)提出以下幾點(diǎn)建議。

(一)創(chuàng)設(shè)物理情景，建構(gòu)物理觀念

在教材內(nèi)容的設(shè)置上，要兼顧教師的教和學(xué)生的學(xué)；教師在教學(xué)過(guò)程中，首先要研究教材章節(jié)里每一部分的編寫(xiě)意圖，通過(guò)問(wèn)題情景的創(chuàng)設(shè)，引導(dǎo)學(xué)生用物理的思維去學(xué)習(xí)物理，用物理的觀念去認(rèn)識(shí)物理概念和規(guī)律，并進(jìn)一步去解決與物理知識(shí)有關(guān)的實(shí)際問(wèn)題。

利用好新教材中的“問(wèn)題”欄目，例如：“空中飛椅”，教師在教學(xué)中要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入這個(gè)情境中，引導(dǎo)學(xué)生從受力的視角去分析飛椅和人的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而提出向心力的概念。利用天宮二號(hào)繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的視頻，引導(dǎo)學(xué)生抓住勻速圓周運(yùn)動(dòng)中力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系，從而引出向心加速度的概念。在利用向心力演示儀探究向心力大小的表達(dá)式時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生去研究向心力與物體的質(zhì)量、速度和軌道半徑的關(guān)系；在研究向心加速度時(shí)，要引導(dǎo)學(xué)生利用牛頓第二定律體會(huì)力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。通過(guò)多途徑引導(dǎo)學(xué)生深層學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生物理觀念的形成和發(fā)展。

(二)基于認(rèn)知邏輯，發(fā)展科學(xué)思維

在學(xué)習(xí)向心力和向心加速度的新課之前，學(xué)生已經(jīng)有了一定的知識(shí)儲(chǔ)備，例如牛頓運(yùn)動(dòng)定律、曲線運(yùn)動(dòng)、勻速圓周運(yùn)動(dòng)等。研究小球所受合力的方向，提出向心力的概念，在下一節(jié)進(jìn)一步研究向心加速度，符合力是物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因的認(rèn)知基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。在“空中飛椅”物理情境中引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行受力分析，找到向心力的來(lái)源。通過(guò)“做一做”欄目中引導(dǎo)學(xué)生思考向心力的大小與哪些因素有關(guān)，發(fā)展學(xué)生的物理模型建構(gòu)能力。在學(xué)習(xí)了向心力大小的表達(dá)式的基礎(chǔ)上，根據(jù)牛頓第二定律得出向心加速度大小的表達(dá)式，應(yīng)用極限思想推導(dǎo)向心加速度公式，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)推理能力。通過(guò)變速圓周運(yùn)動(dòng)和一般曲線的受力特點(diǎn)的學(xué)習(xí)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)論證和質(zhì)疑與創(chuàng)新能力。

(三)注重科學(xué)探究過(guò)程，提升科學(xué)探究能力

利用向心力演示儀探究向心力大小的表達(dá)式的探究實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)采用控制變量的方法進(jìn)行研究，是在感受向心力的基礎(chǔ)上進(jìn)行的定量研究，從學(xué)生的體驗(yàn)入手，逐步上升到理性認(rèn)識(shí)，在兩節(jié)的例題和習(xí)題中，得到了實(shí)際應(yīng)用。向心力相對(duì)于向心加速度更具感性特征，因此教材在描述圓周運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，先從感受向心力的大小和方向、探究影響向心力大小的因素入手，利用牛頓第二定律分析向心加速度的大小和方向。在教學(xué)的過(guò)程中，教師要根據(jù)教材編寫(xiě)的邏輯順序，逐步引導(dǎo)學(xué)生由感受到定量研究，再到公式的得出，注重學(xué)生的探究過(guò)程，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究的能力。

(四)從物理走向生活，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任

“向心力”一節(jié)中對(duì)“空中飛椅”進(jìn)行了解釋；“向心加速度”一節(jié)中，對(duì)“天宮二號(hào)繞地球運(yùn)動(dòng)”加速度大小和方向進(jìn)行了討論，對(duì)“思考與討論”欄目中的自行車(chē)大、小輪和后輪的向心加速度進(jìn)行了討論，在教學(xué)中要注重引導(dǎo)學(xué)生正確認(rèn)識(shí)科學(xué)的價(jià)值，不斷培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。在“向心力”一節(jié)的“習(xí)題與應(yīng)用”欄目中，第5題根據(jù)汽車(chē)在水平公路上轉(zhuǎn)彎的受力分析，引導(dǎo)學(xué)生利用科學(xué)知識(shí)分析生活中的實(shí)例，增強(qiáng)安全意識(shí)。在“向心加速度”一節(jié)的“習(xí)題與應(yīng)用”欄目中，第1題根據(jù)情況列舉生活中的實(shí)例，比較向心加速度的大小，讓物理知識(shí)走進(jìn)生活，在真實(shí)的物理情境中引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)計(jì)算、推理、分析、反思，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感。