凸显物理思想方法的教材设计分析——以人教版新教材“运动的合成与分解”为例

顾钰雯 袁海泉

(苏州大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215006)

教材是课程标准的具体体现.新课标明确指出，“教材的内容要重视科学的发展过程，关注科学界在科学探索过程中所凝练、升华的科学思维方式和科学研究方法.”而2017版高中物理课程标准对“运动的合成与分解”的要求是这样规定的： (1) 会用运动合成与分解的方法分析平抛运动.(2) 体会将复杂运动分解为简单运动的物理思想.[1]可见，“运动的合成与分解”内容可以很好地体现物理思想方法.本文以人教版必修2中“运动的合成与分解”一节为例，从教材结构、内容设计、实验安排和习题配置4方面，比较新旧教材，分析新教材如何凸显物理思想方法.

中学物理的科学思想和方法是指在物理概念建构、物理规律的探索中，那些反映物理本质、体现科学思维的观念，是认识物理本质的精髓.[2]物理思想和方法比物理知识本身更富有创造性，也是学生获得知识的手段，思想方法的学习能使学生透彻理解知识，形成独立探索、解决问题的能力.[3]清华大学叶企孙教授曾强调，物理教学不仅要给予学生知识，更要给予学生科学思想和方法，因为知识只有通过方法加以应用才能体现出它的价值.新教材中物理思想方法的渗透，为教师教学指明了方向.

1 从教材结构上看物理思想方法的呈现

从教材编排视角看，新教材将旧教材中“曲线运动”一章细分为“抛体运动”和“圆周运动”两章，新增“运动的合成与分解”为独立的一节，和“抛体运动的规律”一节，将旧教材中“平抛运动”和“实验：研究平抛运动”的顺序进行了调整.新旧教材的章节目录变化见表1.新教材更好地体现各章节知识点间的关联，有助于引导学生对教材内容形成系统、整体的认识.较之旧教材以隐性的方式呈现物理思想方法，而新教材中“运动的合成与分解”作为独立的一节，显化物理思想方法.

表1 新旧教材章节目录

2 从内容设计上看物理思想方法的呈现

新旧教材中“运动合成与分解”内容安排见表2.旧教材中“运动的合成与分解“的内容只出现在第5章第1节“曲线运动”的子章节中，分析蜡块在平面上的运动情况，虽然提到要分解蜡块的速度为vx和vy，但并没有明确提出“运动的合成与分解”这一研究运动的思想方法，从这一点看与新课标的要求有些出入.[4]而新教材新增“运动的合成与分解”为独立的一节，对比课程标准，新教材明确提出“运动的合成与分解”的实质，并充分利用此方法研究平抛运动的特点和抛体运动的规律，在内容安排和呈现形式上凸显物理思想方法.

表2 新旧教材中对“运动的合成与分解”的内容安排

平抛运动是抛体运动的一种特例，而解决抛体运动问题的方法是运用“运动的合成与分解”思想.新旧教材都从分解平抛运动入手，先分解速度，后分解位移，再运用合成思想求出平抛运动的合速度，分析得出平抛运动的轨迹是一条抛物线.这里体现思想方法的引领作用.旧教材注重对平抛运动的研究，侧重运动合成与分解思想的应用，从而忽视了物理思想的本质.而新教材中渗透物理思想，将“运动的合成与分解”的思想推广到更一般的抛体运动上来，回归物理思想本质.

3 从实验安排上看物理思想方法的呈现

在章节顺序安排上，旧教材中先以平抛运动为例，理论上分析平抛运动的特点，进一步了解分析曲线运动的方法，再通过实验研究平抛运动.而新教材中先通过实验探究平抛运动的特点，再归纳出抛体运动的规律.因为平抛运动是抛体运动中比较简单的一种，新旧教材中都本着由易到难的原则让学生先研究平抛运动，主要从3方面入手，一是分析平抛运动的受力情况，运用“运动的合成与分解”的思想将平抛运动分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动；二是通过实验验证或探究平抛运动在水平方向和竖直方向上的分运动；三是定量研究平抛运动的规律，用数学方法研究平抛运动的位移、速度和运动轨迹等.

在实验内容上(见表3)，旧教材通过实验来判断平抛运动的轨迹是不是抛物线和计算平抛物体的初速度，以描述性的语言叙述整个实验过程；而新教材在“进行实验”之前新增“实验思路”，提供可以把复杂的曲线运动分解为不同方向上两个相对简单的直线运动的思路，请学生思考平抛运动可以分解为哪两个方向的运动，如何测量这两个方向的位移和速度，体现了更完整的实验探究过程.新教材在实验设计上注重物理思想方法的灌输，为学生提供必要的实验思路，显化物理思想和方法.

表3 “研究平抛运动”实验内容比较

4 从习题配置上看物理思想方法的呈现

习题是教材正文内容的延伸，承载着对学生进行诊断和评价的重要功能.[5]整理新教材第5章“抛体运动”中的新增习题并进行分类(见表4).由表4可知，新教材注重回归思想本质，新增习题多考查学生对运动合成与分解思想实质的理解程度，有助于学生进一步巩固知识，掌握思想方法，“知其然，知其所以然”.同时也新增了几道考查运动合成与分解思想应用的习题，但数量上相对较少.

表4 新教材第5章新增习题分类

接下来将以新教材中新增的一道题为例，从解题思路和过程上体现新教材更加凸显物理思想，注重物理思想的形成.

新教材第21页第6题：某质点在Oxy平面上运动.t=0时，质点位于y轴上.它在x方向运动的速度-时间图像如图1(甲)所示，它在y方向的位移-时间图像如图1(乙)所示.

(1) 求t=0.5 s时质点速度的大小和方向.

(2) 说出t=0.5 s时质点的位置.

(3) 在平面直角坐标系上大致描绘质点在2 s内的运动轨迹.

本题运用到了运动合成与分解思想，由图1可知，x方向上是做初速度为4 m/s，加速度为2 m/s2的匀加速直线运动，y方向上是做初速度为5 m/s的匀速直线运动.

图1

第1小题要求t=0.5 s时质点速度的大小和方向，运用到分解的思想，质点的速度v可以分解为vx和vy，知道x方向和y方向的运动情况后，可求出分速度vx和vy，再运用合成的思想求出质点运动的合速度的大小和方向.

第2小题要求t=0.5 s时质点的位置，运用到分解的思想，质点的位置可通过求出x方向和y方向的位移得知，列出位移的表达式为

x=4t+t2.

(1)

y=10-5t.

(2)

将t=0.5 s代入上式求出x方向和y方向上的位移，质点的位置可以用坐标表示.

第3小题要求质点的运动轨迹，运用到合成的思想，现已知x方向和y方向位移和时间的关系式(1)和(2)，两式联立消去时间t，可求出x关于y的表达式，是一条抛物线，质点在2 s内的运动轨迹取图上一段.

这道题运用到了运动合成与分解相结合的思想，凸显物理思想方法，帮助学生真正掌握分析物体运动的方法，拓宽学生的思路.

新教材以显化的方式系统地介绍“运动的合成与分解”这一思想方法，并且通过融入平抛运动和抛体运动规律的研究使科学方法更具有实用性.以“运动的合成与分解”一节为例，新教材从教材结构、内容设计、实验安排和习题配置这4方面都凸显物理思想方法，在教材设计上将思想方法作为一节独立的教学内容，在习题配置上注重回归思想方法实质，考查点从运动合成与分解思想的应用回归到思想的实质上来.