基于學習進階的高中物理單元教學設計
——以“圓周運動”學習為例

廣東省佛山市南海區(qū)第一中學(528200) 楊 恒

單元教學設計是從大概念、大思路的角度出發(fā)，為了實現(xiàn)課程目標和課時目標，教師基于對學科內容的理解和學習內容的特點，基于學科核心素養(yǎng)，以幫助學生構建系統(tǒng)化、結構化的知識體系為目的，把章節(jié)或者單元中不同的知識點由簡單到復雜、由淺入深組織起來的系列教學事件。學習進階是對學生思維由簡單到復雜、由淺入深的學習層級的刻畫。本文以學習進階進行單元教學設計，并以“圓周運動”為例說明高中物理單元教學設計的具體做法。

1 單元教學內容選擇

人教版《物理》必修2第5章“曲線運動”這一章由7節(jié)內容組成，按照教學內容將其劃分為“運動的合成和分解”“平拋運動”“圓周運動”?！皥A周運動”屬于后面4節(jié)內容，幫助學生進一步加深對曲線運動中的動力學問題的理解和運用，是研究天體運動和帶電粒子在電磁場運動的預備知識，具有基礎性和預備性。

2 單元教學目標制定

新的課程標準要求加強了實驗探究，為了使學生更好地理解與掌握向心加速度與各量之間關系的含義，增加了“探究并了解勻速圓周運動向心力大小與半徑、角速度、質量的關系”。

教學建議這部分內容注重分析思路和方法的滲透，對這部分的描述是“根據(jù)運動學的知識先學習向心加速度，然后再根據(jù)牛頓第二定律學習向心力的知識，有利于形成合理的知識結構，而且更加符合認知規(guī)律。”

結合課程標準的要求，制定本學習單元的教學目標如下。

(1)通過觀察實驗，得到線速度、角速度的物理意義和定義式，了解轉速和周期，知道勻速圓周運動的特點。加深學生對比值定義法的理解，發(fā)展學生基于證據(jù)的科學論證能力。

(2)通過實驗探究，知道和理解向心加速度的方向和表達式，能根據(jù)問題情景選擇合適的向心加速度表達式進行簡單的運算。培養(yǎng)學生實驗探究的意識，發(fā)展學生基于事實進行抽象概括的模型建構能力。

(3)了解向心力的概念，能從牛頓第二定律的角度理解向心力的表達式。運用牛頓運動定律解決勻速圓周運動的問題，完善運動與相互作用的物理觀念。

(4)能定性定量地分析生活中的圓周運動，知道離心運動及其產生條件，了解離心運動的應用和防止。發(fā)展學生基于事實的科學解釋能力，形成正確的科學態(tài)度。

3 學習進階路徑規(guī)劃

從物理觀念上看，本單元的學習可以讓學生進一步完善對曲線運動的認識，有利于建立力與運動的物理觀念。從科學思維上看，本單元涉及的比值定義法、模型建構思想是物理學習研究的主要思想方法?！吧钪械膱A周運動”這一節(jié)，一方面可以讓學生親身經(jīng)歷模型建構、科學推理、科學論證的過程；另一方面也可以通過解決生活中的實際問題，發(fā)展學生的學科思維，增強實踐意識。從科學探究上看，本單元中的“向心加速度”“向心力”由原來的驗證性實驗變成了探究性實驗，目的是為了培養(yǎng)學生的實驗探究能力。在教學過程中有意識地多提問，讓學生在解釋交流的過程中提高實驗探究能力、問題意識和論證意識。從科學態(tài)度與責任上看，比較2個質點運動的快慢或者轉動的快慢，可以發(fā)展學生基于證據(jù)的科學論證能力。本單元的2個實驗探究教學可以發(fā)展學生基于事實進行抽象概括的模型建構能力，培養(yǎng)學生的求真精神與團隊合作意識。最后一節(jié)“生活中的圓周運動”，運用物理知識解決生活中的實際問題有助于學生養(yǎng)成用物理視角發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。

基于學習進階系統(tǒng)設計知識點間的銜接和單位知識間的內在邏輯，“圓周運動”的學習層級與素養(yǎng)發(fā)展規(guī)劃進階表見表1。

表1 “圓周運動”學習層級與素養(yǎng)發(fā)展規(guī)劃進階表

4 單元教學環(huán)節(jié)落實

4.1 層次1、2：認識圓周運動(1課時)

(1)(物理情景創(chuàng)設)列舉生活中的圓周運動，引導學生觀察物體運動軌跡的形狀，并提出問題：如何比較圓周運動物體的快慢？

(2)(猜想與假設)引導學生基于原有經(jīng)驗進行有效的猜想：轉過一圈所花時間的多少，在相同時間內轉過的圈數(shù)……對比我們之前學過直線運動速度的定義，是否可以類比遷移到曲線運動？通過直線運動速度的比值定義的類比遷移到曲線運動的線速度、角速度的定義，即比較物體在相同時間內通過圓弧的長短，在相同時間內轉過的角度的大小，從而突破教學難點。

(3)(實驗探究)讓學生思考測什么、用什么測、怎么測？即要測量哪些物理量、用什么實驗儀器進行測量、實驗步驟如何安排？通過網(wǎng)上購置可以調速的轉盤，向學生展示勻速圓周運動的情況。

1.4 統(tǒng)計學方法 數(shù)據(jù)用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件分析，其中計量資料用±s)表示，采用t檢驗，計數(shù)資料用χ2檢驗，等級資料采用秩和檢驗，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

(4)(科學解釋)如圖1所示，A、B兩點誰運動得更快一點，為什么？在相同的時間里面，A、B運動的弧長不一樣，說明了什么？這樣就將直線運動中定義速度的方法自然類比遷移到圓周運動中定義線速度的方法，而且也讓學生明白到曲線運動的線速度與直線運動的速度沒有本質的區(qū)別。只是在圓周運動中，我們還可以通過半徑轉過角度的快慢(角速度)來描述，所以為了區(qū)分角速度，我們把圓周運動中的速度稱為線速度。

再讓學生觀察A、B兩點，發(fā)現(xiàn)A、B轉過一圈所花的時間相同，提醒學生質點運動得快與轉動得快不相同，線速度是描述質點運動的快慢，而角速度、周期、轉速是描述質點轉動的快慢(質點與圓心的連線掃過角度的快慢)。然后類比線速度的比值定義法，得到角速度的定義。

4.2 層次3、4：向心加速度(1課時)

(1)(情景創(chuàng)設)我們知道物體如果不受力，它將做勻速直線運動，加速度為零。勻速圓周運動不是勻速直線運動，那么這就意味著它所受到的合力不為零，加速度也不為零。那么這個加速度的大小和方向是怎么樣的呢？

(2)(實驗探究一)這里面我們采用的是手機傳感器App——accelVisu2，它可以直接顯示加速度的方向。從實驗圖像，我們可以直接看到勻速圓周運動的加速度時時刻刻指向圓心，故此我們稱其為向心加速度。

(3)(實驗探究二)接下來采用另一個手機傳感器App——phyphox，它利用手機內置的陀螺儀和角速度傳感器可以測量角速度和向心加速度隨時間的變化。當開始測量時，轉盤的電機處于關閉狀態(tài)；測得的向心加速度接近于零。大約5 s后，啟動電機。從這個時候起，手機跟隨轉盤以設定的角速度移動。

先控制角速度不變，改變轉動半徑，記錄不同轉動半徑對應的加速度。通過Excel用電腦作出向心加速度a與轉動半徑r的關系圖。

再控制轉動半徑不變，調節(jié)電機調速器，改變角速度，記錄不同角速度對應的加速度。觀察向心加速度a與角速度ω、加速度a與角速度的平方ω2的關系圖。

(4)(理論推導)從運動學的角度學習向心加速度。因為向心加速度是線速度變化量Δv跟時間Δt的比值，這里面的關鍵是線速度變化量Δv。在課堂上，先復習回顧直線運動的速度變化量Δv的概念，強調速度變化量的方向；再引伸到曲線運動中速度變化量Δv的計算，即不在同一直線的速度變化量的方向；然后求質點做圓周運動時，在Δt時間間隔內的速度變化量的方向；最后，強調Δt趨于零時，速度變化量與該點線速度方向垂直，指向圓心。

4.3 層次5：向心力(1課時)

(2)(實驗探究)利用機械鳥做勻速圓周運動，拖動繩子形成圓錐擺驗證向心力的表達式(見圖2)。這個實驗采用同學們常玩的機械鳥，除了實驗器材常見易得外，每個學生還可以動手實驗，而且對于機械鳥的受力分析方法也是以后常用的，掌握之后有利于后面的學習。而且這個實驗容易保證機械鳥做圓周運動，比普通常見的圓錐擺實驗有優(yōu)勢。

通過對機械鳥的研究，學生理解實驗中的向心力是由不同方向的繩子拉力和重力合成后提供的，方向時時不同，利用手機App——tracker進行分析。從而理解向心力是按照效果來命名的，是由其他性質的力提供的。

(3)(拓展)為了使學生可以在更加廣闊的背景下認識圓周運動，我們可以將一般情況下的變速圓周運動，分為切向分力(切向力)和法向分力(向心力)的作用。

4.4 層次6：生活中的圓周運動(2課時)

(1)(情景創(chuàng)設)本節(jié)課是圓周運動的運用課，展示教材上具有特點的生活例子，再逐一理論分析。

(2)(理論分析)以汽車經(jīng)過彎道作為分析水平方向上的勻速圓周運動的例子(見圖3)。先播放汽車在水平路面上、傾斜路面上轉彎的視頻，再讓學生思考、分析物體受力，哪些力提供向心力，圓心建立在何處，用牛頓第二定律建立方程，然后再通過汽車速度變大或者變小進行拓展。

以汽車通過凸形橋的最頂端(最高點)或者凹形橋的最低端(最低點)作為豎直方向上的圓周運動的例子。汽車通過拱橋是變速圓周運動，我們只分析最高點和最低點的受力情況，因為這時候合外力全部在同一直線上，合力提供向心力。分析完汽車過拱橋模型后，給學生演示“水流星”，讓學生獨立分析水流星在最高點的受力情況。

以航天器中的失重現(xiàn)象作為超失重現(xiàn)象在圓周運動的例子。先播放航天員的錄相資料，了解現(xiàn)象，再對現(xiàn)象進行分析和討論，讓學生思考、分析物體受力，哪些力提供向心力，圓心建立在何處，用牛頓第二定律建立方程，理解航天器中的失重現(xiàn)象。

5 單元教學設計反思

(1)依據(jù)課程標準和學科教學指導意見進行分析，確定本單元教學目標和具體內容?；趯W習進階的理論，從學業(yè)要求和核心素養(yǎng)2個層面進行單元教學設計。

(2)在分析課程標準、學科指導意見以及教材的基礎上，梳理本單元的主要知識有哪些，結合教學經(jīng)驗，圍繞著大概念建構知識體系，對本單元知識間的邏輯關系進行挖掘。

(3)對于本單元涉及的物理思想方法、分析問題的思路進行深度挖掘，幫助學生深度理解物理知識，找出不同概念之間的相互聯(lián)系，建構出自己的知識體系，加深對科學本質的理解。