基于核心素養(yǎng)的物理教學(xué)單元設(shè)計
——以“勻變速直線運動的研究”為例

(1. 江蘇省無錫市輔仁高級中學(xué)，江蘇 無錫 214123;2. 南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210023)

物理核心素養(yǎng)指的是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，主要由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面構(gòu)成。

核心素養(yǎng)理念的提出，要求物理教學(xué)要從知識的學(xué)習(xí)走向能力的培養(yǎng)，要從微觀的課時學(xué)習(xí)走向中觀的單元設(shè)計，指向宏觀的核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。筆者針對人教版高中物理必修一第二章“勻變速直線運動的研究”，進(jìn)行了有別于教材的單元設(shè)計，并付諸教學(xué)實踐。

1 關(guān)于本章教材的思考

人們對事物的認(rèn)知有兩種基本的途徑，一種是從一般到特殊，另一種是從特殊到一般。人教版教材中“勻變速直線運動的研究”這部分內(nèi)容編寫是從一般到特殊、按照從概念→規(guī)律→應(yīng)用的順序展開的。筆者通過對課標(biāo)的學(xué)習(xí)，結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)驗和問卷調(diào)查，認(rèn)為傳統(tǒng)的由一般到特殊的教學(xué)模式存在以下不足：

(1) 平鋪直敘，缺乏生動的情境，不容易激發(fā)學(xué)生的興趣；

(2) 從概念出發(fā)，缺少與生活的聯(lián)系，學(xué)生會感到不夠親切；

(3) 學(xué)生缺少對認(rèn)知過程的體驗，學(xué)生難以體會到物理學(xué)的研究方法。

2 本章單元教學(xué)整體設(shè)計及思考

為了讓學(xué)生經(jīng)歷伽利略探究自由落體運動、研究勻變速直線運動的過程，學(xué)習(xí)科學(xué)探究和科學(xué)思維的方法，發(fā)展科學(xué)探究能力，筆者決定改變一下學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑，按照從特殊到一般的方式組織教學(xué)，具體順序調(diào)整為：自由落體運動(v0=0，a=g)→初速度為零的勻加速直線運動(v0=0，a為定值)→初速度不為零的勻加速直線運動(v0≠0，a為定值)→勻變速直線運動規(guī)律的應(yīng)用。

這個單元設(shè)計采用從“自由落體”開始的順序，基于以下考慮：

(1) 突出物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。伽利略對落體運動的研究較全面地體現(xiàn)了科學(xué)探究的過程，通過這個過程的展示，使學(xué)生有身臨其境的體驗：伽利略遇到了哪些困難？他是怎樣克服困難的？運用了哪些方法？

(2) 在物理學(xué)發(fā)展史中，對自由落體運動的研究有著極其重要的地位，蘊含著豐富的科學(xué)思維和科學(xué)探究的教育素材。遺憾的是，在過去很長一段時間里，對伽利略的研究不夠重視，后來稍有改善，也只是作為閱讀材料點綴在正文后面，給學(xué)生的感覺似乎可有可無，這不能不說是一種嚴(yán)重的缺憾。再后來把“伽利略對自由落體運動的研究”作為正文了，但放在全章最后一節(jié)，實際教學(xué)中教師往往還是當(dāng)作“閱讀材料”處理的，屬于“可講可不講”的內(nèi)容。與其如此，不妨把這一節(jié)內(nèi)容放在本章開篇來講，可能會取得更好的教學(xué)效果。

(3) 人們對運動的認(rèn)識通常是從認(rèn)識具體運動開始的，自由落體運動是一種很典型、很理想的勻變速直線運動。可以這么說，在現(xiàn)實生活中恐怕很難找到比自由落體更直觀、更理想的勻變速直線運動的例子了！而本章開篇通過實驗“在重物牽引下小車的運動”引入勻變速直線運動，是“人工制造”的，顯得有點“刻意”為之。

(4) 本章教學(xué)從“自由落體”開始、改變原來教材的呈現(xiàn)順序，使學(xué)生能夠更好地學(xué)會思考、學(xué)會探究、學(xué)會學(xué)習(xí)。跟隨伽利略的腳步，得出自由落體的運動規(guī)律后，接下去就是知識上的推廣、擴展，水到渠成、順理成章。同時，從“輕重物體誰下落得快”這個耳熟能詳?shù)膯栴}開始新的一章的學(xué)習(xí)，也會讓學(xué)生感到有趣而親切！

3 本章教學(xué)示例

3.1 伽利略對自由落體運動的研究

(1) 伽利略采用悖論的方式，用石頭的運動詰難亞里士多德：把一塊大石頭跟一塊小石頭捆在一起落下，會有什么結(jié)果？

(2) 通過實驗探究，撥開阻力的迷霧：① 通過輕重不同的小石頭、硬板紙片、餐巾紙等素材，兩兩同時從等高處下落，觀察其運動快慢，探究影響物體下落快慢的因素；② 用“錢毛管”實驗進(jìn)一步探究，明確在排除空氣阻力的影響后落體的運動情況。

(3) 伽利略通過研究認(rèn)識到：如果能排除空氣阻力的影響，輕重不同的物體下落快慢完全一樣，進(jìn)而建構(gòu)了自由落體運動模型。

(4) 重走伽利略的探究之路：伽利略因?qū)嶒灄l件的限制，不能直接檢驗關(guān)于自由落體運動的猜想，他利用斜面(木槽)來“沖淡重力”，研究小球從靜止開始在斜面上的運動規(guī)律，進(jìn)而推論自由落體運動的規(guī)律。

在課堂上可引導(dǎo)學(xué)生重走伽利略的探究之路，實驗器材和過程如下：取長約2米的PVC管，從中間切開，兩端墊不同厚度的木塊做成凹槽長斜面，貼上以厘米為單位的刻度。讓小鋼球從頂端滾下，利用電子節(jié)拍器，在發(fā)出2、3、4、5個聲響時用細(xì)木棒攔住小球，讀取此時的位移，并輸入Excel表格，處理數(shù)據(jù)可知：在同一傾角下x/t2為一個定值，即x∝t2。保持傾角不變，換質(zhì)量不同的小球再做實驗，可得到同樣結(jié)論，且兩小球運動情況幾乎相同。增大傾角，實驗得到的x/t2仍然是一個定值，且隨傾角的增大而增大。再請學(xué)生思考：當(dāng)斜面傾角為90°時，情況如何？此時小球做什么運動？

(5) 超越伽利略：伽利略在17世紀(jì)用實驗驗證x∝t2時，計時和定位都是很困難的。現(xiàn)在，我們完全不必再用斜面來“沖淡重力”，采用實驗室儀器設(shè)備可以對落體運動精確地計時、定位，直接研究落體運動的性質(zhì)。通過上一章的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠說出用“打點計時器”來研究自由落體運動的方法，“超越”了伽利略，是不是感到很激動？除此以外，教師還可以補充介紹頻閃照相等方法，并啟發(fā)學(xué)生運用手機、數(shù)碼相機來研究自由落體運動。

(6) 課后作業(yè)：① 收集人類對自由落體運動認(rèn)識的歷史資料；② 通過學(xué)習(xí)，簡述伽利略是如何發(fā)現(xiàn)問題、克服一個又一個困難的？寫一篇短文，談?wù)勛约旱恼J(rèn)識、體會；③ 利用生活中的素材，設(shè)計一個研究自由落體運動規(guī)律的實驗。

3.2 自由落體運動的規(guī)律

這一節(jié)包含兩部分內(nèi)容：自由落體公式的推導(dǎo)、重力加速度的測定，滲透了科學(xué)思維方法的教育，包括圖像法的應(yīng)用、極限與微元的思想等。

圖像可以直觀地反映物理量之間的關(guān)系，通過分析可得到兩者之間的函數(shù)關(guān)系。把自由落體的位移與其v-t圖線下的“面積”相聯(lián)系(如圖1、圖2)，從數(shù)學(xué)上看就是微積分，在這里，我們是把一個在物理學(xué)發(fā)展中極為重要而有效的思維方法，以簡約化的方式呈現(xiàn)出來了。

圖1

圖2

在推導(dǎo)位移公式時，可以先舉一個勻速直線運動的例子，引出求“面積”這個思路，再運用極限與微元的方法進(jìn)行分析。

(1) 請同學(xué)們研究上節(jié)實驗課得到的重物下落的v-t圖像，引出“勻變速直線運動”的概念。

(2) 利用v-t圖像推導(dǎo)自由落體速度與時間的關(guān)系、位移與時間的關(guān)系。

(3) 測定v-t圖像的斜率，研究重力加速度。

(4) 測定反應(yīng)時間。請一位同學(xué)用兩個手指捏住直尺的頂端，你用一只手在直尺下方做捏住直尺的準(zhǔn)備，但手不能碰到直尺，記下這時手指在直尺上的位置(如圖3)。當(dāng)看到那位同學(xué)放開直尺時，你立即捏住直尺。測出直尺降落的高度，根據(jù)自由落體運動的知識，可以算出反應(yīng)時間。

圖3

圖4

3.3 勻變速直線運動的規(guī)律

對于勻加速直線運動，利用加速度的定義式，速度公式顯然易得。結(jié)合圖4，將“矩形”面積與“三角形面積”相加，就得到位移公式。

圖5

設(shè)計思路：(1) 基本公式涉及5個物理量：v0、a、t、v、x，對勻變速直線運動來說，v0和a是常量，t、v、x是變量。本節(jié)通過“圖像”將3個基本公式的推導(dǎo)“串聯(lián)”在一起，有利于學(xué)生形成“常量”與“變量”的概念，加深對公式的理解、形成系統(tǒng)認(rèn)知。原教材將3個基本公式分3小節(jié)內(nèi)容介紹，就淡化了它們之間的聯(lián)系，不利于學(xué)生應(yīng)用時靈活選擇。(2) 學(xué)生通過圖像自主推導(dǎo)公式，記得牢，就算一時忘記，畫個圖馬上就可以推導(dǎo)出來，有利于提高自主學(xué)習(xí)和理論探究能力。

4 學(xué)習(xí)評價設(shè)計

4.1 科學(xué)短文匯報交流和自由落體實驗設(shè)計展示

這個為期兩周的長作業(yè)在本章第1節(jié)課時已經(jīng)布置下去，全章內(nèi)容結(jié)束時請學(xué)生在課堂上進(jìn)行匯報展示。

具體做法為：(1) 關(guān)于伽利略的科學(xué)短文兩周后收上來，教師先進(jìn)行批閱，挑選優(yōu)秀文章備用；(2) 自由落體實驗設(shè)計的任務(wù)分小組完成，全班分成5個小組，組員分配好各自的工作，兩周后以小組為單位將方案提交給老師，教師進(jìn)行指導(dǎo)，在匯報課上請各小組進(jìn)行演示。對學(xué)生本次作業(yè)進(jìn)行打分并記錄在學(xué)習(xí)檔案袋，作為本學(xué)期平時成績的一部分。

4.2 單元試卷的命制

單元試卷命制也是從整體設(shè)計的思想出發(fā)的，從知識、模型、方法三個方面進(jìn)行選題，體現(xiàn)能力立意，注重題目情境與生活緊密聯(lián)系。