凸顯物理思想方法的教材設計分析
——以人教版新教材“運動的合成與分解”為例

顧鈺雯 袁海泉

(蘇州大學物理科學與技術學院，江蘇 蘇州 215006)

教材是課程標準的具體體現.新課標明確指出，“教材的內容要重視科學的發展過程，關注科學界在科學探索過程中所凝練、升華的科學思維方式和科學研究方法.”而2017版高中物理課程標準對“運動的合成與分解”的要求是這樣規定的： (1) 會用運動合成與分解的方法分析平拋運動.(2) 體會將復雜運動分解為簡單運動的物理思想.[1]可見，“運動的合成與分解”內容可以很好地體現物理思想方法.本文以人教版必修2中“運動的合成與分解”一節為例，從教材結構、內容設計、實驗安排和習題配置4方面，比較新舊教材，分析新教材如何凸顯物理思想方法.

中學物理的科學思想和方法是指在物理概念建構、物理規律的探索中，那些反映物理本質、體現科學思維的觀念，是認識物理本質的精髓.[2]物理思想和方法比物理知識本身更富有創造性，也是學生獲得知識的手段，思想方法的學習能使學生透徹理解知識，形成獨立探索、解決問題的能力.[3]清華大學葉企孫教授曾強調，物理教學不僅要給予學生知識，更要給予學生科學思想和方法，因為知識只有通過方法加以應用才能體現出它的價值.新教材中物理思想方法的滲透，為教師教學指明了方向.

1 從教材結構上看物理思想方法的呈現

從教材編排視角看，新教材將舊教材中“曲線運動”一章細分為“拋體運動”和“圓周運動”兩章，新增“運動的合成與分解”為獨立的一節，和“拋體運動的規律”一節，將舊教材中“平拋運動”和“實驗：研究平拋運動”的順序進行了調整.新舊教材的章節目錄變化見表1.新教材更好地體現各章節知識點間的關聯，有助于引導學生對教材內容形成系統、整體的認識.較之舊教材以隱性的方式呈現物理思想方法，而新教材中“運動的合成與分解”作為獨立的一節，顯化物理思想方法.

表1 新舊教材章節目錄

2 從內容設計上看物理思想方法的呈現

新舊教材中“運動合成與分解”內容安排見表2.舊教材中“運動的合成與分解“的內容只出現在第5章第1節“曲線運動”的子章節中，分析蠟塊在平面上的運動情況，雖然提到要分解蠟塊的速度為vx和vy，但并沒有明確提出“運動的合成與分解”這一研究運動的思想方法，從這一點看與新課標的要求有些出入.[4]而新教材新增“運動的合成與分解”為獨立的一節，對比課程標準，新教材明確提出“運動的合成與分解”的實質，并充分利用此方法研究平拋運動的特點和拋體運動的規律，在內容安排和呈現形式上凸顯物理思想方法.

表2 新舊教材中對“運動的合成與分解”的內容安排

平拋運動是拋體運動的一種特例，而解決拋體運動問題的方法是運用“運動的合成與分解”思想.新舊教材都從分解平拋運動入手，先分解速度，后分解位移，再運用合成思想求出平拋運動的合速度，分析得出平拋運動的軌跡是一條拋物線.這里體現思想方法的引領作用.舊教材注重對平拋運動的研究，側重運動合成與分解思想的應用，從而忽視了物理思想的本質.而新教材中滲透物理思想，將“運動的合成與分解”的思想推廣到更一般的拋體運動上來，回歸物理思想本質.

3 從實驗安排上看物理思想方法的呈現

在章節順序安排上，舊教材中先以平拋運動為例，理論上分析平拋運動的特點，進一步了解分析曲線運動的方法，再通過實驗研究平拋運動.而新教材中先通過實驗探究平拋運動的特點，再歸納出拋體運動的規律.因為平拋運動是拋體運動中比較簡單的一種，新舊教材中都本著由易到難的原則讓學生先研究平拋運動，主要從3方面入手，一是分析平拋運動的受力情況，運用“運動的合成與分解”的思想將平拋運動分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動；二是通過實驗驗證或探究平拋運動在水平方向和豎直方向上的分運動；三是定量研究平拋運動的規律，用數學方法研究平拋運動的位移、速度和運動軌跡等.

在實驗內容上(見表3)，舊教材通過實驗來判斷平拋運動的軌跡是不是拋物線和計算平拋物體的初速度，以描述性的語言敘述整個實驗過程；而新教材在“進行實驗”之前新增“實驗思路”，提供可以把復雜的曲線運動分解為不同方向上兩個相對簡單的直線運動的思路，請學生思考平拋運動可以分解為哪兩個方向的運動，如何測量這兩個方向的位移和速度，體現了更完整的實驗探究過程.新教材在實驗設計上注重物理思想方法的灌輸，為學生提供必要的實驗思路，顯化物理思想和方法.

表3 “研究平拋運動”實驗內容比較

4 從習題配置上看物理思想方法的呈現

習題是教材正文內容的延伸，承載著對學生進行診斷和評價的重要功能.[5]整理新教材第5章“拋體運動”中的新增習題并進行分類(見表4).由表4可知，新教材注重回歸思想本質，新增習題多考查學生對運動合成與分解思想實質的理解程度，有助于學生進一步鞏固知識，掌握思想方法，“知其然，知其所以然”.同時也新增了幾道考查運動合成與分解思想應用的習題，但數量上相對較少.

表4 新教材第5章新增習題分類

接下來將以新教材中新增的一道題為例，從解題思路和過程上體現新教材更加凸顯物理思想，注重物理思想的形成.

新教材第21頁第6題：某質點在Oxy平面上運動.t=0時，質點位于y軸上.它在x方向運動的速度-時間圖像如圖1(甲)所示，它在y方向的位移-時間圖像如圖1(乙)所示.

(1) 求t=0.5 s時質點速度的大小和方向.

(2) 說出t=0.5 s時質點的位置.

(3) 在平面直角坐標系上大致描繪質點在2 s內的運動軌跡.

本題運用到了運動合成與分解思想，由圖1可知，x方向上是做初速度為4 m/s，加速度為2 m/s2的勻加速直線運動，y方向上是做初速度為5 m/s的勻速直線運動.

圖1

第1小題要求t=0.5 s時質點速度的大小和方向，運用到分解的思想，質點的速度v可以分解為vx和vy，知道x方向和y方向的運動情況后，可求出分速度vx和vy，再運用合成的思想求出質點運動的合速度的大小和方向.

第2小題要求t=0.5 s時質點的位置，運用到分解的思想，質點的位置可通過求出x方向和y方向的位移得知，列出位移的表達式為

x=4t+t2.

(1)

y=10-5t.

(2)

將t=0.5 s代入上式求出x方向和y方向上的位移，質點的位置可以用坐標表示.

第3小題要求質點的運動軌跡，運用到合成的思想，現已知x方向和y方向位移和時間的關系式(1)和(2)，兩式聯立消去時間t，可求出x關于y的表達式，是一條拋物線，質點在2 s內的運動軌跡取圖上一段.

這道題運用到了運動合成與分解相結合的思想，凸顯物理思想方法，幫助學生真正掌握分析物體運動的方法，拓寬學生的思路.

新教材以顯化的方式系統地介紹“運動的合成與分解”這一思想方法，并且通過融入平拋運動和拋體運動規律的研究使科學方法更具有實用性.以“運動的合成與分解”一節為例，新教材從教材結構、內容設計、實驗安排和習題配置這4方面都凸顯物理思想方法，在教材設計上將思想方法作為一節獨立的教學內容，在習題配置上注重回歸思想方法實質，考查點從運動合成與分解思想的應用回歸到思想的實質上來.