大單元視域下圓周運動教學的研究

摘" 要：圓周運動是曲線運動的一種類型，貫穿力學、電學、電磁學等相關知識。基于對大單元內涵的理解，圍繞魯科版《普通高中教科書·物理》提出作好教學預告、夯實知識根基、構建運動模型、創設可視情境、明晰應用視野的圓周運動大單元教學策略，助力高中物理教學效率的提高及學生核心素養的培養。

關鍵詞：高中物理；大單元；圓周運動

大單元既可以是教材中呈現的教學單元，又可以是依據明確的主題對教材中的內容進行重構的單元。在高中物理教學中，立足大單元視域對圓周運動的知識進行統整，對與之相關的運動情境進行梳理，系統構建圓周運動知識體系，可以幫助學生深入理解與靈活運用所學知識，提高物理學習效率和解題能力。因此，教師應該認識到基于大單元視域開展圓周運動教學的意義，并采取有效措施積極開展相關教學活動。

一、統整知識，進行教學預告

大單元視域下，教師在圓周運動教學中可以統整力學、電學、電磁學相關知識，體現知識間的內在邏輯關系及知識的整體性。為幫助學生形成對圓周運動知識的整體感知，教師需要進行教學預告。教學預告主要包括教學內容的介紹、學習重點和難點的提示、教學計劃的公布三方面。教師可以使用相關教學工具，如思維導圖、表格等，結構化、層次化地呈現大單元教學內容，給學生留下深刻印象。例如，通過表格為學生展示圓周運動內容在教材中的具體分布，使學生能一目了然，明確圓周運動知識的所屬章節、學習的先后順序等。同時，圍繞呈現的具體內容，通過給出學習重點和難點的提示指導學生預習，在學習過程中合理分配時間和精力，把握學習的注意事項，提高學習質量。另外，教師可以按照統整后的知識及學生的實際情況制訂教學計劃，并提前公布計劃，包括教學課時的分配、教學進度、每節課的教學目標和教學舉措等內容，根據學生理解和掌握圓周運動的情況動態調整教學計劃，滿足學生的學習需求。

魯科版《普通高中教科書·物理》（以下統稱“魯科版教材”）中，“圓周運動”相關知識的主要分布及重點和難點具體如表1所示。

總之，教師在教學中使用表格呈現教學重點和難點內容，并配合教學計劃的制訂與公布完成教學預告，能促進大單元視域下圓周運動教學活動的有序、高效推進。

二、聚焦原理，夯實知識根基

大單元視域下高中物理中與圓周運動相關的內容雖然較多，但大都是從圓周運動的基礎知識延伸而來。針對這一情況，教師應該聚焦圓周運動原理，借助實施實驗、連續追問和引導總結的方式完成教學，使學生夯實基礎，順利達成教學目標。實驗是揭示物理現象、探究物體運動規律的重要手段。課堂上，教師可以進行“探究影響向心力大小的因素”實驗的講解，激發學生參與實驗、主動探究的欲望；可以根據教學需要運用現代化的實驗裝置，對實驗進行優化，提高實驗效率。為驅動學生深度思考，從實驗現象中了解圓周運動的原理，教師應設計由淺入深、層層遞進的問題，并在課堂上不斷追問，逐漸深化學生的認識，幫助其厘清各物理量之間的關系。另外，教師可以通過給學生預留總結的時間，使其自主完成圓周運動知識的歸納，加強對圓周運動基礎知識的系統掌握。

例如，向心力、向心加速度是圓周運動大單元的核心概念。教學中，教師可以創設游客坐過山車游玩的情境，并提出問題：“做圓周運動的物體，其受力有什么特點？”在這一問題的指引下，學生認真閱讀教學內容，完成對向心力相關內容的學習。通過學習，學生了解了物體做圓周運動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：“如何根據物體做圓周運動時的參數，如線速度、角速度的大小，得出其受到的向心力大小？”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”這一實驗，并要求學生進行實驗操作，條件允許的情況下還可以要求學生使用DIS向心力實驗器完成實驗，以降低實驗操作的難度。實驗中，通過改變小球運動的角速度[ω]、轉動半徑r、質量m，分別記錄對應向心力的大小，能夠得出向心力的公式為[F=mrω2。] 隨后，教師提出問題：“根據牛頓第二定律，應該怎樣計算物體做圓周運動時的加速度？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，學生結合向心力公式可以推導出向心加速度的計算公式為[a=rω2，] 得出“對于某一確定的勻速圓周運動，向心力和向心加速度的大小恒定不變，但方向卻時刻在改變”的結論。課堂將要結束時，教師可以要求學生回顧所學的線速度、角速度和周期的關系等知識，進行相關公式變式的推導與總結，為大單元視域下圓周運動知識更深層次的教學奠定堅實基礎。

三、精選習題，構建運動模型

在進行大單元視域下圓周運動教學時，教師應該認識到物體做圓周運動的復雜性，指導學生積極構建相關的運動模型。教師可以選擇常考的習題情境鼓勵學生積極思考，完成運動模型的構建，做好模型的應用檢驗，確保模型構建的正確性。根據經驗，小球做圓周運動時，以及帶電粒子在電場、磁場中做圓周運動是考試中的常考情境。教師應該精選圓周運動相關的習題，組織學生開展建模活動。為提高構建效果，教師可以講解構建模型的思路和方法，指導學生根據習題情境畫出物體運動至關鍵位置的草圖，標出已知量，并結合受力分析、幾何知識充分挖掘隱含條件，依托圓周運動原理，推導出對應模型。另外，教師可以創設新的習題情境，要求學生運用構建的模型進行分析，及時發現問題，對構建的模型進行調整，理解、牢記模型成立的條件，并能夠根據實際情況靈活運用模型，確保解決圓周運動問題的高效性和正確性。

例如，“將可視為質點的小球系在輕繩或輕桿一端，在豎直平面內做圓周運動”的習題情境在日常測驗和高考中出現頻率較高，教師應該認識到這一習題情境在大單元視域下教學的重要性，引導學生構建小球在最高點的速度模型。其中，當輕繩系著小球時，到達最高點時輕繩張力為0，此時由小球自身的重力提供向心力，可得[mg=mv2r，] 即[v=gr，] 該模型為小球運動到豎直平面做完整圓周運動的臨界速度模型。那么這一模型是否適用于小球固定在輕桿一端時，做完整圓周運動的情境呢？分析這個問題需要了解輕繩和輕桿性質的不同，輕桿對小球可以產生拉和支撐的作用，而輕繩只能產生拉的作用。因此，使用輕桿時小球做圓周運動在最高點的速度可以為0。如果小球帶電且系在輕繩一端，另一端固定在一點，放在勻強電場中，那么小球做完整圓周運動時的臨界速度模型又是怎樣的？帶電小球在勻強電場中會受到電場力，分析時需要確定小球做圓周運動的等效最高點。通過受力分析可知，等效最高點在小球靜止時重力、電場力合力的反方向上。根據力的合成法則，需要求出等效重力。取小球靜止時與豎直方向的夾角為[θ]，則合力為[F合=mgcosθ，] 等效重力[g=gcosθ，] 此時的臨界速度模型為[v=gr=grcosθ。] 通過構建模型，并結合不同的情境對模型進行調整，使學生從更深層次理解圓周運動原理，提高大單元視域下圓周運動教學的效率。

四、活用教法，創設可視情境

大單元視域下圓周運動教學中，教師應該汲取以往成功的教學經驗，靈活運用教學方法，創設易于學生觀察、理解的可視情境，增強學生的學習體驗，幫助學生逐個擊破圓周運動學習的難點，如可以借助微課視頻、教學動畫完成可視情境的創設。其中，帶電粒子在電場、磁場中做圓周運動的部分情境對學生的空間想象能力要求較高。教學中，教師應通過課堂觀察、互動交流，了解、聚焦學生不易理解的運動情境，如針對帶電粒子在磁場中做螺旋運動的情境，利用微課視頻進行多視角展現，使學生認識到螺旋運動是圓周運動和直線運動的合運動，靈活運用運動的分解知識、圓周運動原理分析帶電粒子做圓周運動的規律，計算相關運動參數。另外，教學動畫具有趣味性強、簡單、易懂的優點，用于展示帶電粒子在磁場中的運動優勢明顯。教學中，教師可以播放相關的教學動畫，展示帶電粒子做圓周運動的細節，如粒子是如何被加速的，是以怎樣的規律做圓周運動的，幫助學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動的重要裝置，也是圓周運動大單元中的重要考點。部分學生對回旋加速器的工作原理認識不深，遇到相關的問題時找不到突破口。據此，教師可以通過播放相關的教學動畫進行授課，在動畫中詳細介紹回旋加速器的構成及各部分的組裝過程。同時，以某一帶電粒子為對象，模擬帶電粒子加速的過程。通過觀看教學動畫，學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入到兩個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生偏轉，做圓周運動，其中洛倫茲力提供向心力。在運動過程中，帶電粒子中間狹縫中的電壓呈現周期性變化，即中間狹縫中的電壓變化周期和帶電粒子的運動周期保持一致。如此可以幫助學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動規律。不僅如此，學生可以結合圓周運動原理推導出以下結論：[qvB=mv2r，][r=mvqB，] [T=2πrv，] [t=2πmqB，] 從中得出帶電粒子的運動周期與粒子的質量、電荷量、磁感應強度有關。這一結論可用于解決回旋加速器相關的諸多問題，提高學生的解題能力，促進大單元教學質量的提高。

五、剖析典型例題，明晰應用視野

大單元視域下的圓周運動教學既要注重學生對基礎知識的理解和掌握程度，又要注重提高學生靈活運用圓周運動知識解題的能力。為實現這一目標，教師可以與學生一起剖析典型例題，并通過改編習題拓寬學生的視野，鍛煉學生的發散思維。教師應多給予學生引導和啟發，使學生自己探尋解題思路，把握解題關鍵，書寫解題過程，以深化理解，并給予學生適當的鼓勵，增強學生的自信，幫助學生積累解題經驗。不僅如此，教師應引導學生深挖典型例題的價值，基于對典型例題的理解和對物體運動狀態的把握，積極聯系所學知識提出新的問題，并嘗試作答，使學生參與到習題改編和作答環節，從中獲得不一樣的學習體驗，在提高學生解題能力的同時，促進大單元視域下圓周運動教學目標的順利達成。

例如，當帶電粒子以某一角度射入有邊界的勻強磁場中，在洛倫茲力的作用下做圓周運動，要求帶電粒子射入速度的臨界值，如最大值或最小值，是圓周運動大單元教學的難點。該類問題在高中物理中較為常見，考查的知識點有圓周運動、磁場、洛倫茲力等，綜合性較強，難度較大。大單元視域下的教學中，教師可以通過提出如下問題幫助學生找到解題切入點：以最大速度射入時，帶電粒子的運動軌跡是怎樣的？如何確定其做圓周運動的圓心？如何運用已知條件計算出其運動軌跡的半徑？在問題的引導下，學生嘗試畫出運動草圖，在圖形的輔助下完成作答。在此基礎上，教師鼓勵學生結合自身實際情況對習題進行改編，如改變帶電粒子的電性、改變粒子的射入位置、改變勻強磁場強度的大小等，再進行求解。改變條件后，帶電粒子的運動軌跡一般會發生變化，需要學生重新作出判斷，畫出對應的草圖。如此，學生可以運用圓周運動知識解決物理問題，提高圓周運動大單元教學效率。

綜上所述，教師在實施大單元視域下高中物理圓周運動教學時應該做好充分準備，明確大單元教學與傳統教學之間的區別和聯系，準確把握大單元教學的內涵，將高中物理中的圓周運動知識進行統整。同時，深入講解圓周運動原理，使學生通過自主探究與總結，把握圓周運動的本質及相關物理量的關系，構建圓周運動基本模型，靈活運用多種教學方法，剖析典型例題，為大單元視域下圓周運動教學工作的順利開展作鋪墊。

參考文獻：

［1］閔喜珍. 鏈接實際生活" 培養核心素養：高中物理“生活中的圓周運動”習題教學例談［J］.湖北教育（教育教學），2023（11）：75-76.

［2］鄭洪均. 融合信息技術，化解圓周運動知識難點［J］. 中學理科園地，2023，19（5）：54-56.