指向核心素養(yǎng)的“圓周運(yùn)動(dòng)”單元教學(xué)設(shè)計(jì)

高永生 李 靜

（天津外國(guó)語(yǔ)大學(xué)附屬外國(guó)語(yǔ)學(xué)校 天津 300230）

在全面深化課程改革落實(shí)立德樹(shù)人根本任務(wù)的指導(dǎo)下，教育部從更高的文化層面提出了物理學(xué)科核心素養(yǎng)，包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面，這四個(gè)方面是有機(jī)融合的整體，是相互貫通，共同發(fā)展的?，F(xiàn)階段，教師在實(shí)際授課過(guò)程中往往存在更加關(guān)注學(xué)科知識(shí)的掌握，進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)通常立足于單一課時(shí)，而忽視了知識(shí)內(nèi)容在整體框架中的地位和作用。核心素養(yǎng)的形成并不能依靠零散知識(shí)的簡(jiǎn)單疊加，而應(yīng)該是知識(shí)的有機(jī)融合，具備物理學(xué)科核心素養(yǎng)的學(xué)生應(yīng)能夠運(yùn)用整合的物理觀念、科學(xué)的思維方法理解自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題。因此，跳出課時(shí)的束縛，從單元整體視角開(kāi)展教學(xué)有利于幫助學(xué)生建立完整的知識(shí)結(jié)構(gòu)和方法體系，促進(jìn)核心素養(yǎng)的形成。本文以新教材人教版必修第二冊(cè)第六章“圓周運(yùn)動(dòng)”為例，分析整合單元內(nèi)容，提煉核心素養(yǎng)要素，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展單元教學(xué)設(shè)計(jì)。

1 分析單元要素

單元要素的分析與重構(gòu)是確定教學(xué)目標(biāo)、設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)的基礎(chǔ)，包括課標(biāo)和教材分析、學(xué)生分析、單元結(jié)構(gòu)分析與核心素養(yǎng)要素分析。

對(duì)比新舊教材不難發(fā)現(xiàn)，舊教材中“曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)”一章在新教材中拆分成了兩章：第五章拋體運(yùn)動(dòng)和第六章圓周運(yùn)動(dòng)。并且向心力和向心加速度兩節(jié)內(nèi)容的先后順序發(fā)生了變化，這意味著對(duì)這一部分內(nèi)容所承載的核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)發(fā)生了變化。新課標(biāo)中明確指出“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，探究并了解勻速圓周運(yùn)動(dòng)向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系”，降低了演繹推導(dǎo)能力的要求，而突出了科學(xué)探究過(guò)程，因而教師的教學(xué)方法也應(yīng)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

學(xué)習(xí)圓周運(yùn)動(dòng)之前，學(xué)生完成了直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及牛頓運(yùn)動(dòng)定律等內(nèi)容的學(xué)習(xí)，具備了運(yùn)用運(yùn)動(dòng)與相互作用的觀念解決直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的思維與能力。此外，學(xué)生完成了曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)、拋體運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)，對(duì)于曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方向和物體做曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的條件有一定的理解。根據(jù)維果斯基的最近發(fā)展區(qū)理論，通過(guò)圓周運(yùn)動(dòng)的學(xué)習(xí)，學(xué)生將知道如何對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述，并能夠利用運(yùn)動(dòng)與相互作用的思維與觀念解決曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)中動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。

立足于對(duì)教材和學(xué)情的分析，整合本單元教學(xué)內(nèi)容，梳理出本單元結(jié)構(gòu)層次，先是觀察生活中的圓周運(yùn)動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的思考；進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系生活實(shí)際，通過(guò)感受、猜想和實(shí)驗(yàn)探究鞏固物理概念和運(yùn)動(dòng)規(guī)律；結(jié)合學(xué)生已具備的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀分析日常生活中的圓周運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化科學(xué)思維，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的遷移與應(yīng)用，推動(dòng)核心素養(yǎng)的發(fā)展。

本單元蘊(yùn)含了類(lèi)比分析、模型構(gòu)建、控制變量等學(xué)科核心素養(yǎng)要素，表1對(duì)本單元核心素養(yǎng)要素分布進(jìn)行了歸類(lèi)，指引教學(xué)。

表1：“圓周運(yùn)動(dòng)”單元核心要素分布與歸類(lèi)

2 確定教學(xué)目標(biāo)

基于對(duì)上述單元要素的分析，確定本單元教學(xué)目標(biāo)為：物理觀念：了解曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，能用線(xiàn)速度、角速度、周期和頻率等概念對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述；結(jié)合生活中的圓周運(yùn)動(dòng)以及離心現(xiàn)象，能夠利用牛頓第二定律分析勻速圓周運(yùn)動(dòng)，提升運(yùn)動(dòng)與相互作用觀?？茖W(xué)探究：鼓勵(lì)學(xué)生自制教具，利用控制變量的方法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，探究勻速圓周運(yùn)動(dòng)向心力的影響因素；掌握數(shù)據(jù)處理的方法，如常用的一次函數(shù)法?？茖W(xué)思維：從實(shí)際情景出發(fā)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究、邏輯推理、歸納演繹、模型構(gòu)建等學(xué)習(xí)過(guò)程，掌握探究未知的方法?？茖W(xué)態(tài)度與責(zé)任：在實(shí)踐過(guò)程中培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與合作學(xué)習(xí)的能力，并能將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到生活實(shí)踐中。

3 單元學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì)

結(jié)合教學(xué)目標(biāo)，確定本單元的三個(gè)主題為：（1）圓周運(yùn)動(dòng)的描述；（2）向心力大小的實(shí)驗(yàn)探究；（3）運(yùn)動(dòng)與相互作用觀的運(yùn)用。

3.1 主題1：圓周運(yùn)動(dòng)的描述

（1）通過(guò)觀察生活中圓周運(yùn)動(dòng)的實(shí)例，如教材中提供的比較自行車(chē)大、小車(chē)輪邊緣的點(diǎn)，以及同一齒輪上到轉(zhuǎn)軸距離不同的點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)快慢，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)建立線(xiàn)速度、和角速度等物理量描述圓周運(yùn)動(dòng)的必要性；（2）通過(guò)類(lèi)比直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，體會(huì)用比值定義法的特點(diǎn)，明確線(xiàn)速度、角速度等概念的物理意義、內(nèi)涵、外延關(guān)聯(lián)和發(fā)展，引導(dǎo)學(xué)生形成良好的概念體系；（3）通過(guò)極限法理解線(xiàn)速度的瞬時(shí)性，體會(huì)物理學(xué)中的抽象思維；（4）知道可以使用周期和頻率描述做周期性運(yùn)動(dòng)的物體，豐富學(xué)生頭腦中原有的機(jī)械運(yùn)動(dòng)的類(lèi)型。（5）采用生活中“地球儀”“蘑菇釘”等玩具，搭建傳動(dòng)裝置，幫助學(xué)生理解同軸傳動(dòng)和皮帶傳動(dòng)的特點(diǎn)。

3.2 主題2：向心力大小的實(shí)驗(yàn)探究學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì)

（1）聯(lián)系生活實(shí)際，體會(huì)做圓周運(yùn)動(dòng)的物體的受力情況，在此基礎(chǔ)上動(dòng)手開(kāi)展定性分析實(shí)驗(yàn)，體會(huì)向心力的影響因素；（2）演示半定量實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步探究的愿望；（3）課前提供素材，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，自制教具，定量研究向心力大小與物體質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)半徑、線(xiàn)速度、角速度等物理量間的關(guān)系；（4）引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)前的猜想假設(shè)、自制教具實(shí)驗(yàn)探究、實(shí)驗(yàn)后的推力論證、科學(xué)解釋與誤差分析等思維過(guò)程，撰寫(xiě)完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3.3 主題3：運(yùn)動(dòng)與相互作用觀的運(yùn)用學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì)

（1）應(yīng)用“運(yùn)動(dòng)—>力—>運(yùn)動(dòng)與力關(guān)系”的大思路分析生活中的圓周運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建物理模型，尋找向心力的來(lái)源，體會(huì)加速度是聯(lián)系運(yùn)動(dòng)和力的紐帶；（2）通過(guò)親身體驗(yàn)、視頻拍攝等途徑，思考汽車(chē)轉(zhuǎn)彎和火車(chē)轉(zhuǎn)彎時(shí)，哪一種力充當(dāng)了向心力，引導(dǎo)學(xué)生分析向心力的來(lái)源，并運(yùn)用相互作用觀念分析水平面上的勻速圓周運(yùn)動(dòng)；（3）結(jié)合生活實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手制作實(shí)物模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究比較汽車(chē)通過(guò)拱形橋時(shí)對(duì)橋的壓力與汽車(chē)自身的重力，分析橋最高點(diǎn)處的向心力，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生思考汽車(chē)在橋的其他位置時(shí)的向心力，運(yùn)用相互作用觀念分析豎直面上的非勻速圓周運(yùn)動(dòng)；在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，通過(guò)“過(guò)山車(chē)”“水流星”等實(shí)例，分析豎直平面上圓周運(yùn)動(dòng)的臨界條件；（4）通過(guò)教材“思考與討論”欄目，引導(dǎo)學(xué)生利用圓周運(yùn)動(dòng)的研究方法分析航天器中的失重現(xiàn)象。（5）通過(guò)科技館中的離心機(jī)工作視頻，引導(dǎo)學(xué)生思考物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)、近心運(yùn)動(dòng)和離心運(yùn)動(dòng)的條件，加深對(duì)離心現(xiàn)象的本質(zhì)的理解。

4 單元學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

下面以主題2向心力大小的實(shí)驗(yàn)探究為例，說(shuō)明主要教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)。本主題的重點(diǎn)是讓學(xué)生經(jīng)歷定性感受，半定量演示，再到參與制作定量研究實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)而開(kāi)展定量研究，驗(yàn)證猜想，得出結(jié)論的過(guò)程。定性實(shí)驗(yàn)中，利用教材中提供的“手拿細(xì)繩拉著小物體做圓周運(yùn)動(dòng)”，使學(xué)生獲得直觀感受，從而對(duì)向心力大小的影響因素形成猜想；半定量實(shí)驗(yàn)，初步驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)猜想，激發(fā)同學(xué)探究欲望，為自制教具的科學(xué)探究做好鋪墊；自制學(xué)具開(kāi)展定量探究實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生制定實(shí)驗(yàn)方案、靈活選用合適的器材開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，獲得數(shù)據(jù)，通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，讓學(xué)生帶著問(wèn)題去科學(xué)探究、論證，通過(guò)交流協(xié)作做出合理解釋?zhuān)M(jìn)而得到向心力大小與各物理量之間的定量關(guān)系。

教師可通過(guò)設(shè)計(jì)“問(wèn)題串”引發(fā)學(xué)生思考并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究，具體問(wèn)題如下：（1）通過(guò)感受，繩子拉力的大小與哪些因素有關(guān)呢？（2）如何測(cè)量繩子上拉力大?。浚?）如何測(cè)量物體的質(zhì)量？（4）轉(zhuǎn)動(dòng)快慢用學(xué)過(guò)的哪個(gè)物理量來(lái)表示？如何測(cè)量？（5）如何測(cè)量物體轉(zhuǎn)動(dòng)半徑？（6）圖像為曲線(xiàn)時(shí)，如何確定向心力大小和角速度的定量關(guān)系？（7）得到了向心力大小與質(zhì)量、半徑和角速度平方成正比的關(guān)系，能否根據(jù)定量實(shí)驗(yàn)確定比例系數(shù)？學(xué)生在探究的過(guò)程中形成清晰、系統(tǒng)的物理觀念，不斷學(xué)習(xí)、分析、研究問(wèn)題的科學(xué)方法，提高科學(xué)探究的能力。重現(xiàn)知識(shí)的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、深入認(rèn)知物理情境中的科學(xué)本質(zhì)的能力。

5 學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)

單元教學(xué)評(píng)價(jià)不僅關(guān)注結(jié)果，還要關(guān)注過(guò)程，強(qiáng)調(diào)從“對(duì)學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)”轉(zhuǎn)為“為學(xué)習(xí)的評(píng)價(jià)”，強(qiáng)調(diào)在真實(shí)過(guò)程中的評(píng)價(jià)，嘗試基于學(xué)生表現(xiàn)的評(píng)價(jià)，以及不同主體共同參與的評(píng)價(jià)，讓評(píng)價(jià)更好地促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程。

5.1 評(píng)價(jià)內(nèi)容多元化促進(jìn)學(xué)科素養(yǎng)全面發(fā)展

采用過(guò)程性評(píng)價(jià)，使得評(píng)價(jià)更加全面、真實(shí)和有效。如主題2的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可以從課堂問(wèn)答、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果分析、實(shí)驗(yàn)報(bào)告呈現(xiàn)以及課后作業(yè)等多方面出發(fā)，依據(jù)《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的劃分，設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)表格。

5.2 多主體評(píng)價(jià)相結(jié)合促進(jìn)學(xué)習(xí)的發(fā)生

在設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)表格時(shí)，應(yīng)采用教師評(píng)價(jià)、自我評(píng)價(jià)和同伴評(píng)價(jià)相結(jié)合的多主體評(píng)價(jià)方式，檢查回顧學(xué)習(xí)的起點(diǎn)、過(guò)程、成果和困難。在學(xué)習(xí)過(guò)程中，通過(guò)收獲來(lái)自同學(xué)的評(píng)價(jià)和自我反思，對(duì)自己的學(xué)習(xí)有更清醒的認(rèn)識(shí)，這不僅對(duì)當(dāng)前學(xué)習(xí)有助益，對(duì)學(xué)生形成終身學(xué)習(xí)能力也十分重要。

6 單元教學(xué)設(shè)計(jì)反思

“圓周運(yùn)動(dòng)”單元以概念和模型構(gòu)建為起點(diǎn)，以運(yùn)動(dòng)與相互作用觀為核心，通過(guò)情境問(wèn)題創(chuàng)設(shè)和實(shí)驗(yàn)探究，發(fā)展學(xué)生物理觀念與科學(xué)思維。針對(duì)概念教學(xué)，密切聯(lián)系實(shí)際，以真實(shí)情境為載體，幫助學(xué)生理解概念的意義、內(nèi)涵、外延、關(guān)聯(lián)和發(fā)展。針對(duì)探究實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生經(jīng)歷定性感受形成猜想，半定量演示激發(fā)興趣，定量探究挖掘規(guī)律的研究過(guò)程，促進(jìn)科學(xué)思維的形成。針對(duì)運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念，重在模型構(gòu)建，在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生利用物理觀念解釋自然現(xiàn)象，發(fā)展學(xué)生解決問(wèn)題的大思路。