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(jì)
——以“圓周運(yùn)動(dòng)”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(shí)驗(yàn)中學(xué)豐臺(tái)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(jià)值追求，單元教學(xué)設(shè)計(jì)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(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)，才能實(shí)現(xiàn)單元教學(xué)設(shè)計(jì)既統(tǒng)攬全局又有序開展的初衷，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。單元教學(xué)設(shè)計(jì)要讓學(xué)生在真實(shí)的生活實(shí)踐情境中找尋問題解決的思路，在探究的過程中完成知識(shí)的建構(gòu)，通過問題解決促使原有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和新的知識(shí)相互作用，實(shí)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(shí)，梳理圍繞大概念的知識(shí)結(jié)構(gòu)

“圓周運(yùn)動(dòng)”單元是人教版高中物理必修第二冊(cè)第六章的內(nèi)容，是運(yùn)動(dòng)與相互作用觀的體現(xiàn),是“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”核心概念下面的次級(jí)概念之一，也是本單元運(yùn)用動(dòng)力學(xué)知識(shí)與方法(大思路)分析解決新問題的延續(xù)，知識(shí)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(yùn)用直線運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)中分析問題的方法，完成圓周運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程的建構(gòu)和問題的解決。此外，圓周運(yùn)動(dòng)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(shí)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2

2.2 剖析知識(shí)教學(xué)中隱含的思想方法

在“圓周運(yùn)動(dòng)”單元的教學(xué)內(nèi)容中，蘊(yùn)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(jià)值，剖析知識(shí)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(biāo)

在大概念、大思路引領(lǐng)下，以“力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系”為主線，結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，確定本單元的教學(xué)目標(biāo)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(jì)

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(jí)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(shí)現(xiàn)上述學(xué)習(xí)目標(biāo)，先要確定單元科學(xué)概念學(xué)習(xí)層級(jí)(表3),根據(jù)學(xué)習(xí)層級(jí),設(shè)置“過山車”大情境，以“能否用直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律來研究曲線運(yùn)動(dòng)”為大問題，進(jìn)行學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)。

表3

續(xù) 表學(xué)習(xí)層級(jí)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)具體內(nèi)容層級(jí)3向心加速度及其表達(dá)式推導(dǎo)、能根據(jù)問題情境選擇合適的表達(dá)式進(jìn)行簡(jiǎn)單運(yùn)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(gè)關(guān)系不僅對(duì)直線運(yùn)動(dòng)成立,對(duì)曲線運(yùn)動(dòng)同樣成立。提出問題:做勻速圓周運(yùn)動(dòng)物體的加速度方向是怎樣的呢?大小呢?知識(shí)內(nèi)容向心加速度表達(dá)式的推導(dǎo)及其簡(jiǎn)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(dá)式,培養(yǎng)學(xué)生的建模能力;通過推導(dǎo)向心加速度表達(dá)式,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力和養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度;利用直線、曲線運(yùn)動(dòng)的對(duì)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(duì)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的實(shí)例進(jìn)行分析,根據(jù)牛頓第二定律可知做勻速圓周運(yùn)動(dòng)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(dá)式。學(xué)習(xí)難點(diǎn)突破本層級(jí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)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(duì)向心加速度有初步認(rèn)識(shí);(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(dá)式;(3) 提供必要的實(shí)驗(yàn)器材,以便學(xué)習(xí)小組做實(shí)驗(yàn)探究;同時(shí)制作必要的微課視頻,輔助探究能力不強(qiáng)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(cè)要點(diǎn)及方式要點(diǎn):(1) 向心加速度大小的不同表達(dá)式的應(yīng)用;(2) 通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。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(jìn)行過程性檢測(cè)和評(píng)價(jià);(2) 根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)來考查實(shí)驗(yàn)探究能力。時(shí)間安排1課時(shí)層級(jí)4能分析生活中的圓周運(yùn)動(dòng),知道離心運(yùn)動(dòng)及其產(chǎn)生條件,了解離心運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)。提出問題:它們的運(yùn)動(dòng)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(shí)內(nèi)容生活中的圓周運(yùn)動(dòng)。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(shí)應(yīng)用于生活和生產(chǎn)實(shí)踐的意識(shí);通過把真實(shí)問題情境與物理知識(shí)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(shí)際運(yùn)動(dòng)情境,采用分類的方法,找到它們的共同特征。學(xué)習(xí)難點(diǎn)突破本層級(jí)的重點(diǎn)和難點(diǎn)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(shí)際問題。(1) 通過演示實(shí)驗(yàn)以及相關(guān)視頻,讓學(xué)生感受生活中的圓周運(yùn)動(dòng)、離心運(yùn)動(dòng);(2) 通過構(gòu)建模型,分析各種圓周運(yùn)動(dòng)、離心運(yùn)動(dòng)的受力情況。學(xué)習(xí)反饋檢測(cè)要點(diǎn)及方式要點(diǎn):(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(yùn)動(dòng)、離心運(yùn)動(dòng)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(jìn)行檢測(cè);(2) 課下通過課后作業(yè)應(yīng)用規(guī)律解決實(shí)際問題。時(shí)間安排2課時(shí)

5 主要教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

5.1 借助實(shí)驗(yàn)探究完成大概念構(gòu)建

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

5.2 依據(jù)實(shí)驗(yàn)事實(shí)或現(xiàn)象，逐步形成物理觀念

雖然物理課程標(biāo)準(zhǔn)中以物理觀念作為核心素養(yǎng)的一個(gè)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(duì)物理知識(shí)有深刻理解的基礎(chǔ)上，進(jìn)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(píng)價(jià)

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(cè)量那部分，因此，學(xué)科能力是評(píng)價(jià)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(cè)量主要看學(xué)生學(xué)科能力的表現(xiàn)，而不僅僅是知識(shí)掌握的熟練程度。學(xué)習(xí)者的知識(shí)獲得結(jié)果其實(shí)是非穩(wěn)定的心理結(jié)構(gòu)，隨著時(shí)間與環(huán)境的變化，這種以知識(shí)掌握為基礎(chǔ)的認(rèn)知結(jié)構(gòu)就會(huì)變得不穩(wěn)定；而通過知識(shí)的學(xué)習(xí)過程所獲得的能力(或認(rèn)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(duì)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(shí)際生活中還有哪些圓周運(yùn)動(dòng)？針對(duì)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(jì)報(bào)告。以此鍛煉學(xué)生從實(shí)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(rèn)知的聯(lián)系與矛盾，提出并表述可以進(jìn)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(yàn)證向心力的大小時(shí)，經(jīng)過討論分析發(fā)現(xiàn)此實(shí)驗(yàn)屬于半定量實(shí)驗(yàn)，可對(duì)此實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)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(jì)是按照物理知識(shí)的內(nèi)在邏輯并結(jié)合學(xué)生的學(xué)習(xí)實(shí)際情況劃分單元。并試圖打破知識(shí)界限，圍繞大思路劃分單元。并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡(jiǎn)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(shí)的形成，而不重視知識(shí)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。