大概念、大思路、大情境和大問題引領(lǐng)下的單元教學(xué)設(shè)計
——以“圓周運動”教學(xué)為例

張曉琳 趙海艷

(1. 北京大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080；2. 北京師范大學(xué)實驗中學(xué)豐臺學(xué)校，北京 100086)

1 引言

發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)是課程改革的價值追求，單元教學(xué)設(shè)計是發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)的重要途徑。在教學(xué)中只有把大概念、大思路、大情境、大問題融入單元教學(xué)設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，才能實現(xiàn)單元教學(xué)設(shè)計既統(tǒng)攬全局又有序開展的初衷，切實培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。單元教學(xué)設(shè)計要讓學(xué)生在真實的生活實踐情境中找尋問題解決的思路，在探究的過程中完成知識的建構(gòu)，通過問題解決促使原有的知識經(jīng)驗和新的知識相互作用，實現(xiàn)概念、規(guī)律的提煉和升華，形成少而精的大概念。更為重要的是，在不斷探究中逐漸形成適用范圍廣泛、更容易在不同情境或者主題下遷移的一般化解決問題的大思路。

2 基于大概念的單元內(nèi)容分析

2.1 整合單元知識，梳理圍繞大概念的知識結(jié)構(gòu)

“圓周運動”單元是人教版高中物理必修第二冊第六章的內(nèi)容，是運動與相互作用觀的體現(xiàn),是“機械運動”核心概念下面的次級概念之一，也是本單元運用動力學(xué)知識與方法(大思路)分析解決新問題的延續(xù)，知識結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1

在“解決問題”的大思路下，運用直線運動學(xué)習(xí)中分析問題的方法，完成圓周運動動力學(xué)方程的建構(gòu)和問題的解決。此外，圓周運動模型的建構(gòu)為萬有引力定律的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，因此本單元的知識結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2

2.2 剖析知識教學(xué)中隱含的思想方法

在“圓周運動”單元的教學(xué)內(nèi)容中，蘊含了模型建構(gòu)、科學(xué)探究、推理論證等豐富的科學(xué)方法。教師應(yīng)充分發(fā)掘教學(xué)內(nèi)容中的育人價值，剖析知識背后隱含的思想方法(表1)。

表1

3 大概念、大思路引領(lǐng)下的單元教學(xué)目標

在大概念、大思路引領(lǐng)下，以“力和運動的關(guān)系”為主線，結(jié)合課程標準的要求，確定本單元的教學(xué)目標如表2。

表2

4 大情境、大問題引領(lǐng)下的單元學(xué)習(xí)設(shè)計

核心概念的學(xué)習(xí)并不是一蹴而就，需要大量的具體概念作為支撐，逐步深化理解?？茖W(xué)概念層級是選擇教學(xué)策略和教學(xué)具體方式的主要依據(jù)，為了實現(xiàn)上述學(xué)習(xí)目標，先要確定單元科學(xué)概念學(xué)習(xí)層級(表3),根據(jù)學(xué)習(xí)層級,設(shè)置“過山車”大情境，以“能否用直線運動的規(guī)律來研究曲線運動”為大問題，進行學(xué)習(xí)設(shè)計。

表3

續(xù) 表學(xué)習(xí)層級學(xué)習(xí)設(shè)計具體內(nèi)容層級3向心加速度及其表達式推導(dǎo)、能根據(jù)問題情境選擇合適的表達式進行簡單運算問題情境創(chuàng)設(shè)牛頓第二定律告訴我們:物體的加速度方向總與它所受合外力的方向一致。這個關(guān)系不僅對直線運動成立,對曲線運動同樣成立。提出問題:做勻速圓周運動物體的加速度方向是怎樣的呢?大小呢?知識內(nèi)容向心加速度表達式的推導(dǎo)及其簡單應(yīng)用。核心素養(yǎng)發(fā)展規(guī)劃建立模型推導(dǎo)向心加速度的表達式,培養(yǎng)學(xué)生的建模能力;通過推導(dǎo)向心加速度表達式,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力和養(yǎng)成嚴謹治學(xué)的態(tài)度;利用直線、曲線運動的對比,培養(yǎng)學(xué)生類比分析、歸納總結(jié)的能力,發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。學(xué)習(xí)方式指導(dǎo)對做勻速圓周運動的實例進行分析,根據(jù)牛頓第二定律可知做勻速圓周運動的物體的加速度方向和大小;通過建模,推導(dǎo)出向心加速度表達式。學(xué)習(xí)難點突破本層級的重點和難點是向心加速度方向、大小的確定和向心加速度大小的推導(dǎo)。(1) 閱讀教材,讓學(xué)生對向心加速度有初步認識;(2) 由加速度的定義,引導(dǎo)學(xué)生建立模型,利用數(shù)形結(jié)合推導(dǎo)向心加速度表達式;(3) 提供必要的實驗器材,以便學(xué)習(xí)小組做實驗探究;同時制作必要的微課視頻,輔助探究能力不強同學(xué)的學(xué)習(xí),為他們提供可參考的范例。學(xué)習(xí)反饋檢測要點及方式要點:(1) 向心加速度大小的不同表達式的應(yīng)用;(2) 通過設(shè)計實驗,進行驗證性實驗設(shè)計。方式:(1) 通過提問、討論交流和課堂鞏固練習(xí)等環(huán)節(jié)進行過程性檢測和評價;(2) 根據(jù)學(xué)生實驗方案設(shè)計來考查實驗探究能力。時間安排1課時層級4能分析生活中的圓周運動,知道離心運動及其產(chǎn)生條件,了解離心運動的應(yīng)用和防止問題情境創(chuàng)設(shè)讓學(xué)生觀看視頻,其中包括火車拐彎、F1賽車比賽、汽車過拱橋、過山車游戲等生活中常見的圓周運動。提出問題:它們的運動有什么相同之處,又有什么不同之處呢?什么力提供了向心力呢?知識內(nèi)容生活中的圓周運動。核心素養(yǎng)發(fā)展規(guī)劃通過向心力在具體問題中的應(yīng)用,培養(yǎng)學(xué)生將物理知識應(yīng)用于生活和生產(chǎn)實踐的意識;通過把真實問題情境與物理知識相結(jié)合,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維習(xí)慣,提高其科學(xué)思維能力。學(xué)習(xí)方式指導(dǎo)借助實際運動情境,采用分類的方法,找到它們的共同特征。學(xué)習(xí)難點突破本層級的重點和難點是利用向心力公式解釋現(xiàn)象,利用向心力公式解決生活中的實際問題。(1) 通過演示實驗以及相關(guān)視頻,讓學(xué)生感受生活中的圓周運動、離心運動;(2) 通過構(gòu)建模型,分析各種圓周運動、離心運動的受力情況。學(xué)習(xí)反饋檢測要點及方式要點:(1) 利用向心力公式解釋生活中的一些現(xiàn)象;(2) 建構(gòu)模型,定量分析各種圓周運動、離心運動的受力情況。方式:(1) 通過提問、討論交流和課堂鞏固練習(xí)等環(huán)節(jié)進行檢測;(2) 課下通過課后作業(yè)應(yīng)用規(guī)律解決實際問題。時間安排2課時

5 主要教學(xué)活動設(shè)計

5.1 借助實驗探究完成大概念構(gòu)建

學(xué)生正處于由直觀認識向邏輯推理過渡的階段，雖然可以熟練使用基本的實驗器材，但對于用實驗探究影響向心力的因素，學(xué)生缺乏具體措施。同時，設(shè)計有效的科學(xué)探究活動，也是教師思考的焦點問題。如圖3所示，通過理論探究與實驗探究，實現(xiàn)概念、規(guī)律的提煉和升華。

5.2 依據(jù)實驗事實或現(xiàn)象，逐步形成物理觀念

雖然物理課程標準中以物理觀念作為核心素養(yǎng)的一個方面，沒有直接提物理概念和規(guī)律，但這并不意味著只要這些“提煉”和“升華”后的東西，而是要讓學(xué)生在對物理知識有深刻理解的基礎(chǔ)上，進一步上升到觀念層次，教學(xué)中主要采取圖4所示的策略。

圖3

圖4

6 單元學(xué)習(xí)效果評價

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是構(gòu)建學(xué)業(yè)質(zhì)量水平體系的依據(jù)，是學(xué)科關(guān)鍵能力和必備品格的融合。而學(xué)科關(guān)鍵能力又是學(xué)科核心素養(yǎng)中更容易測量那部分，因此，學(xué)科能力是評價學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的核心。學(xué)生學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的測量主要看學(xué)生學(xué)科能力的表現(xiàn)，而不僅僅是知識掌握的熟練程度。學(xué)習(xí)者的知識獲得結(jié)果其實是非穩(wěn)定的心理結(jié)構(gòu)，隨著時間與環(huán)境的變化，這種以知識掌握為基礎(chǔ)的認知結(jié)構(gòu)就會變得不穩(wěn)定；而通過知識的學(xué)習(xí)過程所獲得的能力(或認知結(jié)構(gòu))具有穩(wěn)定的心理特征。所以，需要讓學(xué)生再次面對與本單元內(nèi)容有關(guān)的情境問題。

(1) 設(shè)置典型問題，歸納問題解決的思路和方法。

(2) 實際生活中還有哪些圓周運動？針對這些現(xiàn)象，我們能否提出相關(guān)課題？以小組為單位遞交設(shè)計報告。以此鍛煉學(xué)生從實際情景中建構(gòu)物理模型、解決物理問題的能力。

(3) 通過現(xiàn)象與已有認知的聯(lián)系與矛盾，提出并表述可以進行探究的物理問題，將問題情境轉(zhuǎn)

化為發(fā)散性情境問題。如在用向心力演示儀驗證向心力的大小時，經(jīng)過討論分析發(fā)現(xiàn)此實驗屬于半定量實驗，可對此實驗進行改進并闡述其原理等。

7 結(jié)語

從整體上看，本單元教學(xué)設(shè)計是按照物理知識的內(nèi)在邏輯并結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)實際情況劃分單元。并試圖打破知識界限，圍繞大思路劃分單元。并在此基礎(chǔ)上進一步簡化、概括，提出統(tǒng)領(lǐng)單元學(xué)習(xí)的大問題，使學(xué)生的學(xué)習(xí)不再只關(guān)注知識的形成，而不重視知識的結(jié)構(gòu)化，不再只注重一題一法的小技巧，而無法形成問題解決的大思路。