向心力概念的学生自主建构活动教学设计 作者：吴怡
来源：《广西教育·B版》2014年第07期
【摘 要】针对新教材有关向心力概念的教学进行设计，体现学生自主建构概念的思想，在课堂上采用学生自主建构活动的教学方式进行教学，让学生自然地掌握概念，获得好的教学效果。
【关键词】向心力 自主建构活动 教学设计
【中图分类号】G【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2014）07B-0058-04
高中物理人教版新、老教材对向心力的处理呈现了很大的不同，老教材通过对一二个实例归纳得出向心力的概念，着重于对向心力大小的探究；新教材先从理论上分析推导出向心加速度的方向和大小，再得出向心力概念和大小，而后用实验验证向心力大小。笔者认为，对向心力概念及其内涵的理解与把握程度直接影响到学生对相关问题的分析，教学中如何帮助学生有效地构建这个概念很值得探讨。相比之下，新教材更注重前后知识之间的联系，逻辑性强，更有助于学生对向心力概念的全面建构。然而从运动学角度直接推导向心加速度显得起点较高，学生往往感到困难。为此，笔者在领会新教材精神的基础上，对相关教学素材进行了重新整合与编排，将该部分教学分两课时进行。第一课时着力于向心力概念的建构，第二课时侧重于探究向心力大小。其中第一课时的教学录像获第5届全国物理创新大赛一等奖，在此将该课的设计思想、教学过程及评析与各位同行作一交流与探讨。
一、教学设计思想
建构主义学习理论认为，物理概念的学习是由学生根据已有认知主动建构自己知识经验的过程，教师应当帮助学生在已有知识经验的基础上生长、发展、完善、深化对概念的认知。从知识的前后联系来看，向心力并非全新的知识，而是学生头脑中已有的动力学知识在圆周运动中进一步的发展和延伸。因此，笔者在进行教学设计时，将重点放在对匀速圆周运动的受力特点与其动力学机制的探究上，引导学生在探究规律的过程中不断生长和构建起向心力的概念。整节课按“提出课题、感知体验、理论探究、应用拓展”这一线索展开教学，通过不断创设问题情境，推动学生积极体验、主动思维、相互交流，充分调动学生的自主建构活动，使学生认知层层深入，最终实现对概念的较深层且全面的理解，进而获得能力的提升、感受学习的成就。
二、教学实施过程
（一）第1层次：从生活情境中质疑圆周运动的受力特点
学生提问：为什么自行车赛道的弯道部分是倾斜的，而在直道部分是水平的？ 教师进一步引导：倾斜意味着什么力在变？
学生回答：弯道倾斜说明支持力在变……
教师引导：看来，自行车在弯道部分所受的支持力和在直道部分时所受的支持力有所不同。
教师进一步引导：刚才大家提出的这些问题都与物体做圆周运动时的受力特点有关。生活中的圆周运动往往比较复杂，研究问题总是从简单到复杂，最简单的圆周运动是什么呢？ 学生回答：最简单的圆周运动是匀速圆周运动。
所以我们可以先来研究匀速圆周运动。
教师创设鲜活情境，引发认知冲突。当学生发现情境中的现象与自己头脑中的经验不符合时，产生困惑，激起强烈的问题意识和探究欲望，教师抓住契机，巧妙设疑，推进学生去发现、感悟情境中更为深层次的东西，以促使他们转化为有价值的探究课题。在此学生正是认识到水流星作圆周运动时水在最高点不掉落和自行车赛道弯道部分倾斜这两个现象的非常规、出乎意料之处，从而引发对圆周运动受力问题的探究愿望。发现问题往往比解决问题更重要，它是一切创新活动的开始。新课程标准将提出问题的能力作为重要的教学目标，这要求我们要有意识地去创设能够激发兴趣、引发联想的问题情境，并给学生足够的时间、空间去质疑、感悟，体验科学问题形成过程，从中培养学生的探究意识和创新能力。
（二）第2层次：从直观感知中对向心力形成基本认识
[教学片断]
教师设问：有什么办法使小球在光滑水平桌面上做匀速圆周运动？
（学生展开讨论）
教师设问：先讨论前面两种情况，在这两个实例中是什么力使物体做匀速圆周运动？ 学生回答：两例中小球都受到重力、支持力，使小球作匀速圆周运动的力分别是绳子的拉力、挡板的弹力。
教师引导学生体验：小球做匀速圆周运动的过程中撤去绳子拉力、撤去挡板弹力（事先准备一有缺口的圆槽），小球如何运动？
学生实验：观察小球此时的运动情况（沿着切线飞出）。
引导学生想象：不用绳子拉，也不用挡板挡，还可用什么方法使物体做匀速圆周运动？ 学生联想并回答：在小球运动方向的侧向用磁铁使小球轨迹发生弯曲，假设实验中使磁铁匀速转动，始终对准小球，就可以使小球做圆周运动。
教师播放视频并讲解：虽然这是一个思想实验，而自然界中有这样类似的模型，在日地系统中，太阳就像一个大磁铁，它对地球的引力使地球不断围绕太阳做近似匀速圆周运动。 教师引导：通过刚才的体验、观察和分析，大家觉得使物体做匀速圆周运动的力有什么特点？
学生归纳：应该都是指向圆心的。
体验是探究的核心，学生只有在实践体验中才能启发思维、发展心智，为更深入地展开思维和探究活动提供基础和动力，从而获得自主学习的能力。在这里，教师启发学生紧密联系生活经验以及切身的感受去构想最容易实现的圆周运动，并通过学生亲自动手操作、想象实验、播放视频等多种方式让学生去体验、观察、感悟这些圆周运动中物体的受力特点。与此同时，学生借助教师的点拨、启迪，对手头的感性材料进行分析、归纳、提炼，进而构建起“匀速圆周运动受力指向圆心”这一重要认知。它源于实际的感性材料又高于感性材料，可以说是一个初步的概念，为学生进一步从理论的高度来构建科学的概念做好了铺垫。在这一过程中学生也领悟到，当科学研究中面临疑难或思维障碍时，要多联系生活经验和有关实验，以便给抽象的思维以具体的支撑。应该说，这也是一种极其可贵的科学品质，纵观历史上许多成功的科学研究也确实开始于对生活现象的关注与投入。
（三）第3层次：通过演绎推理建构向心力的科学概念
[教学片断]
教师设问：刚才的结论我们是从几个实例中获得的，这是远远不够的，那么如何从理论上论证，作匀速圆周运动的物体一定需要一个指向圆心的力呢？
（学生们感到困惑）
教师启发：这是一个关于力和运动关系的问题，我们曾经学习过的牛顿第二定律，它不仅适用于直线运动，也适用于曲线运动。大家可以从牛顿第二定律出发作些探究尝试。
学生回答：根据牛二定律，物体如果受到的力指向圆心，就一定存在指向圆心的加速度，这个加速度与物体运动方向始终垂直，于是速度大小不改变而方向不断改变，所以物体做匀速圆周运动。
教师引导：大家知道，解决动力学问题有两条途径，刚才同学们从物体的受力出发，推知物体的加速度，进而推知物体的运动情况，那么考虑一下，能否从另一条途径加以论证呢？也就是说，从物体的运动情况出发推知物体的加速度，进而推知物体的受力情况。
（学生分组讨论）
学生代表回答：运动学中加速度的定义式，加速度的方向与某段时间内速度变化量一致，可以按先寻找速度变化量的方向，然后确定加速度的方向，进而确定力的方向。
（教师用板书总结学生的回答： →a→F，而后再让学生分组讨论，进行图示分析） 教师引导：中的方向反映的是某段时间内从A点到B点的速度变化量的方向，这一方向确切地说与A点到B点的平均加速度方向一致，若要获得A点的瞬时加速度的方向，应该怎样来思考、处理呢？
（学生分组讨论）
学生分析：运用极限思维方式，当B点不断靠近A点时，矢量图中的的方向将垂直于该处的速度方向，因此A点的瞬时加速度的方向指向圆心。
新知识的生成一定是与原有知识点相关联的，教学中我们要把握好学生认知的角度、深度和开放度，找准学生的认知节点，让学生在认知节点上生成新知识。本环节的教学中，从学生所熟悉的力、加速度、运动三者之间关系作为切入点，引导学生将解决直线运动中动力学问题的方法迁移到匀速圆周运动的新情境中，从而帮助学生寻找到新的知识生长的认知节点，为更深入的理论探究寻找到了方向。这里的探究活动对学生的思维能力和数学能力的要求较高，教师的设问既要具有启发性，又要具有开放性，以便积极有效地激发、促进学生的自主思维活动。为此，教师创设了生生互动的平台，让学生在交流与探讨中相互启迪、拓展认知，不断修正、完善自己的认识，逐步实现对新知识的自主建构。通过这一环节的学习，学生对匀速圆周运动的受力特征从感知水平上升到了逻辑数学水平，对这个“力”的认识从表象深入到了它的本质，于是向心力科学概念的建构也就水到渠成了。
（四）第4层次：在生活实例中寻找向心力的来源
[教学片断]
教师设问：那么，在常见的一些圆周运动的实例中，向心力的来源是什么呢？ 学生回答：静摩擦力。
教师设问：这是大家分析出来的，能否用一个实验来证明确实是静摩擦力在提供向心力呢？
师生共同讨论并设计实验：将转盘表面改成较为光滑的金属面，转动转盘，物体飞离盘面，说明没有足够大的摩擦力，物体无法跟随转盘作匀速转动。
教师展示ppt，并设问：在前面的学习中，出现过自行车运动员在赛道上匀速拐弯的情景，还有光滑水平面上的圆锥摆运动，请大家讨论这两个实例中向心力是什么提供的？ （学生讨论）
学生回答：前者是运动员及自行车的重力和地面的支持力的合力提供向心力，后者是拉力的一个分力提供向心力。
师生共同归纳：可见，向心力可以是弹力、摩擦力、重力中的任一个力、也可以是某几个力的合力或者任一个力的分力，它是一个效果力。平时我们在分析具体实例时应该是“找”向心力而不是“画”向心力。
教师展示ppt：在上课开始时我给大家做的水流星实验中，为什么到最高点水不落下来？ 学生回答：水处于完全失重状态，这和自由落体时的情况是一样的。
教师启发：那么水在自由下落时重力起到什么作用？
学生回答：水在自由下落时重力用来提供重力加速度，使水在竖直方向加速。
教师引导：那么在水流星实验中水也处于完全失重状态，重力是否起同样的作用呢？ 学生回答：哦，水没有加速，重力应该是起到了提供向心加速度的作用，使水改变运动的方向
对物理概念的理解是一个螺旋式上升的过程，需要在充分（下转第64页）（上接第60页）的实践和体验中得以巩固和深化。在本节课中丰富的实验资源提供了多样的圆周运动的实例，它们从不同侧面反映了向心力的来源及组成，教师充分利用课堂资源进行问题预设，引导学生进行比较、分析，学生经历着同中求异、异中求同的思辨过程，从而进一步理解向心力的本质，把握其内涵。在这里，师生对“水流星”的探讨则体现了课堂的动态生成，“水流星”出乎意料的现象精彩而令人困惑，学生很难一下子分析到位，教师及时捕捉住了学生在学习中的动态思维，顺着学生的思路因势利导，促使他们发挥自身的能动性，激发其创新的灵感，帮助学生从表象逐步深入到了问题的本质。与此同时，也为整堂课注入了生机和活力。
三、反思与结语
纵观整个教学过程，笔者觉得本节课的成功之处体现在以下几方面。首先，不拘泥教材，在理清知识逻辑结构和把握学生思维障碍的基础上重构、活化教材内容，使教学过程符合学生
的认知规律；其次，教学中创设情境、提供资源让学生获得充分体验的机会，以帮助学生激活经验和已有知识，充分调动学生探究新知识的动机；再次，教学中创设师生互动、生生互动的环境，推进学生在动态探究中不断修正和调整对物理问题的看法，培养他们自主思维的能力。当然，这节课也有不足之处，由于实验器材的限制使有些学生的想法不能实现，教师较多的设问和引导不能使更多的学生畅所欲言。所以，物理课堂如何更好的发挥学生的主体作用，让不同层次的学生在课堂上获得思维的提升和能力的发展，是我们进一步值得思考和探索研究的。 （责编 卢建龙）
向心力概念的学生自主建构活动教学设计 作者：吴怡
来源：《广西教育·B版》2014年第07期
【摘 要】针对新教材有关向心力概念的教学进行设计，体现学生自主建构概念的思想，在课堂上采用学生自主建构活动的教学方式进行教学，让学生自然地掌握概念，获得好的教学效果。
【关键词】向心力 自主建构活动 教学设计
【中图分类号】G【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2014）07B-0058-04
高中物理人教版新、老教材对向心力的处理呈现了很大的不同，老教材通过对一二个实例归纳得出向心力的概念，着重于对向心力大小的探究；新教材先从理论上分析推导出向心加速度的方向和大小，再得出向心力概念和大小，而后用实验验证向心力大小。笔者认为，对向心力概念及其内涵的理解与把握程度直接影响到学生对相关问题的分析，教学中如何帮助学生有效地构建这个概念很值得探讨。相比之下，新教材更注重前后知识之间的联系，逻辑性强，更有助于学生对向心力概念的全面建构。然而从运动学角度直接推导向心加速度显得起点较高，学生往往感到困难。为此，笔者在领会新教材精神的基础上，对相关教学素材进行了重新整合与编排，将该部分教学分两课时进行。第一课时着力于向心力概念的建构，第二课时侧重于探究向心力大小。其中第一课时的教学录像获第5届全国物理创新大赛一等奖，在此将该课的设计思想、教学过程及评析与各位同行作一交流与探讨。
一、教学设计思想
建构主义学习理论认为，物理概念的学习是由学生根据已有认知主动建构自己知识经验的过程，教师应当帮助学生在已有知识经验的基础上生长、发展、完善、深化对概念的认知。从知识的前后联系来看，向心力并非全新的知识，而是学生头脑中已有的动力学知识在圆周运动中进一步的发展和延伸。因此，笔者在进行教学设计时，将重点放在对匀速圆周运动的受力特点与其动力学机制的探究上，引导学生在探究规律的过程中不断生长和构建起向心力的概念。整节课按“提出课题、感知体验、理论探究、应用拓展”这一线索展开教学，通过不断创设问题情境，推动学生积极体验、主动思维、相互交流，充分调动学生的自主建构活动，使学生认知层层深入，最终实现对概念的较深层且全面的理解，进而获得能力的提升、感受学习的成就。
二、教学实施过程
（一）第1层次：从生活情境中质疑圆周运动的受力特点
学生提问：为什么自行车赛道的弯道部分是倾斜的，而在直道部分是水平的？ 教师进一步引导：倾斜意味着什么力在变？
学生回答：弯道倾斜说明支持力在变……
教师引导：看来，自行车在弯道部分所受的支持力和在直道部分时所受的支持力有所不同。
教师进一步引导：刚才大家提出的这些问题都与物体做圆周运动时的受力特点有关。生活中的圆周运动往往比较复杂，研究问题总是从简单到复杂，最简单的圆周运动是什么呢？ 学生回答：最简单的圆周运动是匀速圆周运动。
所以我们可以先来研究匀速圆周运动。
教师创设鲜活情境，引发认知冲突。当学生发现情境中的现象与自己头脑中的经验不符合时，产生困惑，激起强烈的问题意识和探究欲望，教师抓住契机，巧妙设疑，推进学生去发现、感悟情境中更为深层次的东西，以促使他们转化为有价值的探究课题。在此学生正是认识到水流星作圆周运动时水在最高点不掉落和自行车赛道弯道部分倾斜这两个现象的非常规、出乎意料之处，从而引发对圆周运动受力问题的探究愿望。发现问题往往比解决问题更重要，它是一切创新活动的开始。新课程标准将提出问题的能力作为重要的教学目标，这要求我们要有意识地去创设能够激发兴趣、引发联想的问题情境，并给学生足够的时间、空间去质疑、感悟，体验科学问题形成过程，从中培养学生的探究意识和创新能力。
（二）第2层次：从直观感知中对向心力形成基本认识
[教学片断]
教师设问：有什么办法使小球在光滑水平桌面上做匀速圆周运动？
（学生展开讨论）
教师设问：先讨论前面两种情况，在这两个实例中是什么力使物体做匀速圆周运动？ 学生回答：两例中小球都受到重力、支持力，使小球作匀速圆周运动的力分别是绳子的拉力、挡板的弹力。
教师引导学生体验：小球做匀速圆周运动的过程中撤去绳子拉力、撤去挡板弹力（事先准备一有缺口的圆槽），小球如何运动？
学生实验：观察小球此时的运动情况（沿着切线飞出）。
引导学生想象：不用绳子拉，也不用挡板挡，还可用什么方法使物体做匀速圆周运动？ 学生联想并回答：在小球运动方向的侧向用磁铁使小球轨迹发生弯曲，假设实验中使磁铁匀速转动，始终对准小球，就可以使小球做圆周运动。
教师播放视频并讲解：虽然这是一个思想实验，而自然界中有这样类似的模型，在日地系统中，太阳就像一个大磁铁，它对地球的引力使地球不断围绕太阳做近似匀速圆周运动。 教师引导：通过刚才的体验、观察和分析，大家觉得使物体做匀速圆周运动的力有什么特点？
学生归纳：应该都是指向圆心的。
体验是探究的核心，学生只有在实践体验中才能启发思维、发展心智，为更深入地展开思维和探究活动提供基础和动力，从而获得自主学习的能力。在这里，教师启发学生紧密联系生活经验以及切身的感受去构想最容易实现的圆周运动，并通过学生亲自动手操作、想象实验、播放视频等多种方式让学生去体验、观察、感悟这些圆周运动中物体的受力特点。与此同时，学生借助教师的点拨、启迪，对手头的感性材料进行分析、归纳、提炼，进而构建起“匀速圆周运动受力指向圆心”这一重要认知。它源于实际的感性材料又高于感性材料，可以说是一个初步的概念，为学生进一步从理论的高度来构建科学的概念做好了铺垫。在这一过程中学生也领悟到，当科学研究中面临疑难或思维障碍时，要多联系生活经验和有关实验，以便给抽象的思维以具体的支撑。应该说，这也是一种极其可贵的科学品质，纵观历史上许多成功的科学研究也确实开始于对生活现象的关注与投入。
（三）第3层次：通过演绎推理建构向心力的科学概念
[教学片断]
教师设问：刚才的结论我们是从几个实例中获得的，这是远远不够的，那么如何从理论上论证，作匀速圆周运动的物体一定需要一个指向圆心的力呢？
（学生们感到困惑）
教师启发：这是一个关于力和运动关系的问题，我们曾经学习过的牛顿第二定律，它不仅适用于直线运动，也适用于曲线运动。大家可以从牛顿第二定律出发作些探究尝试。
学生回答：根据牛二定律，物体如果受到的力指向圆心，就一定存在指向圆心的加速度，这个加速度与物体运动方向始终垂直，于是速度大小不改变而方向不断改变，所以物体做匀速圆周运动。
教师引导：大家知道，解决动力学问题有两条途径，刚才同学们从物体的受力出发，推知物体的加速度，进而推知物体的运动情况，那么考虑一下，能否从另一条途径加以论证呢？也就是说，从物体的运动情况出发推知物体的加速度，进而推知物体的受力情况。
（学生分组讨论）
学生代表回答：运动学中加速度的定义式，加速度的方向与某段时间内速度变化量一致，可以按先寻找速度变化量的方向，然后确定加速度的方向，进而确定力的方向。
（教师用板书总结学生的回答： →a→F，而后再让学生分组讨论，进行图示分析） 教师引导：中的方向反映的是某段时间内从A点到B点的速度变化量的方向，这一方向确切地说与A点到B点的平均加速度方向一致，若要获得A点的瞬时加速度的方向，应该怎样来思考、处理呢？
（学生分组讨论）
学生分析：运用极限思维方式，当B点不断靠近A点时，矢量图中的的方向将垂直于该处的速度方向，因此A点的瞬时加速度的方向指向圆心。
新知识的生成一定是与原有知识点相关联的，教学中我们要把握好学生认知的角度、深度和开放度，找准学生的认知节点，让学生在认知节点上生成新知识。本环节的教学中，从学生所熟悉的力、加速度、运动三者之间关系作为切入点，引导学生将解决直线运动中动力学问题的方法迁移到匀速圆周运动的新情境中，从而帮助学生寻找到新的知识生长的认知节点，为更深入的理论探究寻找到了方向。这里的探究活动对学生的思维能力和数学能力的要求较高，教师的设问既要具有启发性，又要具有开放性，以便积极有效地激发、促进学生的自主思维活动。为此，教师创设了生生互动的平台，让学生在交流与探讨中相互启迪、拓展认知，不断修正、完善自己的认识，逐步实现对新知识的自主建构。通过这一环节的学习，学生对匀速圆周运动的受力特征从感知水平上升到了逻辑数学水平，对这个“力”的认识从表象深入到了它的本质，于是向心力科学概念的建构也就水到渠成了。
（四）第4层次：在生活实例中寻找向心力的来源
[教学片断]
教师设问：那么，在常见的一些圆周运动的实例中，向心力的来源是什么呢？ 学生回答：静摩擦力。
教师设问：这是大家分析出来的，能否用一个实验来证明确实是静摩擦力在提供向心力呢？
师生共同讨论并设计实验：将转盘表面改成较为光滑的金属面，转动转盘，物体飞离盘面，说明没有足够大的摩擦力，物体无法跟随转盘作匀速转动。
教师展示ppt，并设问：在前面的学习中，出现过自行车运动员在赛道上匀速拐弯的情景，还有光滑水平面上的圆锥摆运动，请大家讨论这两个实例中向心力是什么提供的？ （学生讨论）
学生回答：前者是运动员及自行车的重力和地面的支持力的合力提供向心力，后者是拉力的一个分力提供向心力。
师生共同归纳：可见，向心力可以是弹力、摩擦力、重力中的任一个力、也可以是某几个力的合力或者任一个力的分力，它是一个效果力。平时我们在分析具体实例时应该是“找”向心力而不是“画”向心力。
教师展示ppt：在上课开始时我给大家做的水流星实验中，为什么到最高点水不落下来？ 学生回答：水处于完全失重状态，这和自由落体时的情况是一样的。
教师启发：那么水在自由下落时重力起到什么作用？
学生回答：水在自由下落时重力用来提供重力加速度，使水在竖直方向加速。
教师引导：那么在水流星实验中水也处于完全失重状态，重力是否起同样的作用呢？ 学生回答：哦，水没有加速，重力应该是起到了提供向心加速度的作用，使水改变运动的方向
对物理概念的理解是一个螺旋式上升的过程，需要在充分（下转第64页）（上接第60页）的实践和体验中得以巩固和深化。在本节课中丰富的实验资源提供了多样的圆周运动的实例，它们从不同侧面反映了向心力的来源及组成，教师充分利用课堂资源进行问题预设，引导学生进行比较、分析，学生经历着同中求异、异中求同的思辨过程，从而进一步理解向心力的本质，把握其内涵。在这里，师生对“水流星”的探讨则体现了课堂的动态生成，“水流星”出乎意料的现象精彩而令人困惑，学生很难一下子分析到位，教师及时捕捉住了学生在学习中的动态思维，顺着学生的思路因势利导，促使他们发挥自身的能动性，激发其创新的灵感，帮助学生从表象逐步深入到了问题的本质。与此同时，也为整堂课注入了生机和活力。
三、反思与结语
纵观整个教学过程，笔者觉得本节课的成功之处体现在以下几方面。首先，不拘泥教材，在理清知识逻辑结构和把握学生思维障碍的基础上重构、活化教材内容，使教学过程符合学生
的认知规律；其次，教学中创设情境、提供资源让学生获得充分体验的机会，以帮助学生激活经验和已有知识，充分调动学生探究新知识的动机；再次，教学中创设师生互动、生生互动的环境，推进学生在动态探究中不断修正和调整对物理问题的看法，培养他们自主思维的能力。当然，这节课也有不足之处，由于实验器材的限制使有些学生的想法不能实现，教师较多的设问和引导不能使更多的学生畅所欲言。所以，物理课堂如何更好的发挥学生的主体作用，让不同层次的学生在课堂上获得思维的提升和能力的发展，是我们进一步值得思考和探索研究的。 （责编 卢建龙）