單元教學(xué)視角下單元活動(dòng)實(shí)施初探
——以“測(cè)量加速度”教學(xué)為例

張昊旻

（上海市控江中學(xué)，上海 200061）

1 教學(xué)背景

近年來(lái)，隨著教學(xué)改革的不斷深入，單元教學(xué)的概念已經(jīng)逐漸深入課堂教學(xué).單元教學(xué)要求教學(xué)跳出課時(shí)，希望通過(guò)單元的整體設(shè)計(jì)落實(shí)核心素養(yǎng)的養(yǎng)成，更好地整體規(guī)劃學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展.［1］通過(guò)整合多種學(xué)習(xí)元素，用真問(wèn)題驅(qū)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí).［2］目前，已經(jīng)有很多關(guān)于單元教學(xué)的研究，單元教學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程被分為單元規(guī)劃、單元內(nèi)容學(xué)情和教法分析、單元教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)、單元學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)、單元作業(yè)設(shè)計(jì)、單元教學(xué)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)6個(gè)環(huán)節(jié)，［3］其中，設(shè)計(jì)單元學(xué)習(xí)活動(dòng)，圍繞主題，針對(duì)目標(biāo)，創(chuàng)設(shè)情境，有效評(píng)價(jià)，對(duì)提升學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)尤為重要.［4］然而如何在有限的課時(shí)內(nèi)，有效開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)一直是教師關(guān)心的核心課題.相應(yīng)的，上海高中物理新教材中，每一章節(jié)都配有能夠統(tǒng)領(lǐng)這一單元的，基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)方式的“學(xué)期活動(dòng)”板塊，要求學(xué)生在掌握本章知識(shí)的基礎(chǔ)上，能夠完成一些綜合性單元活動(dòng).本文通過(guò)具體教學(xué)設(shè)計(jì)，討論單元活動(dòng)學(xué)習(xí)在教學(xué)中的開(kāi)展方式.

2 單元教學(xué)視角下開(kāi)展單元大活動(dòng)的教學(xué)實(shí)踐

上海物理新教材必修1 第4 章“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”的學(xué)期活動(dòng)中，要求學(xué)生設(shè)計(jì)并制作一個(gè)能動(dòng)態(tài)顯示加速度大小的加速度計(jì).用制作的加速度計(jì)測(cè)量地鐵的加速度，根據(jù)實(shí)際測(cè)量的過(guò)程和數(shù)據(jù)，對(duì)制作的加速度計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，提出改進(jìn)措施，并以小組為單位制作實(shí)物，撰寫(xiě)配套的操作說(shuō)明書(shū).新教材注重在機(jī)械運(yùn)動(dòng)情境下培養(yǎng)學(xué)生的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念，要求學(xué)生能夠分析自然與生活中的物理問(wèn)題.制作加速度計(jì)，需要學(xué)生在理解力和運(yùn)動(dòng)，明確測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，選擇合適的材料，考慮如何定標(biāo)，動(dòng)手制作，分析誤差等.作為單元學(xué)習(xí)活動(dòng)對(duì)高一上的學(xué)生來(lái)說(shuō)具有一定的困難，也需要較長(zhǎng)的周期來(lái)完成，因此，本文嘗試進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，利用40 min課堂時(shí)間，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，能夠在學(xué)習(xí)活動(dòng)之前，給學(xué)生提供一些基礎(chǔ)的思路與想法.經(jīng)過(guò)實(shí)際的課堂教學(xué)，也產(chǎn)生了一些思考.以下記錄本節(jié)課的教學(xué)設(shè)計(jì)，與同行探討.

2.1 前期準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖且谱饕粋€(gè)能夠動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)顯示加速度大小的加速度計(jì).想要在課堂上進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，需要可以模擬公交、地鐵加速運(yùn)動(dòng)的平臺(tái).這個(gè)平臺(tái)需要滿足兩個(gè)基本要求：（1）為了能夠觀測(cè)數(shù)據(jù)，判斷測(cè)量值正確與否.這個(gè)平臺(tái)應(yīng)該做加速度恒定不變的勻加速直線運(yùn)動(dòng).（2）能夠用來(lái)測(cè)量加速度的原理多種多樣，在課堂上，需要根據(jù)學(xué)生的想法，選擇不同的儀器進(jìn)行測(cè)量，因此提供的測(cè)量環(huán)境，要求能夠方便將各類儀器進(jìn)行固定，用于測(cè)量.基于以上兩條要求的考慮，在課堂上使用的實(shí)驗(yàn)儀器是“牛頓第二定律”DIS實(shí)驗(yàn)中的導(dǎo)軌與小車，在鉤碼（為使現(xiàn)象明顯，鉤碼重100 g）的恒定拉力作用下，小車做勻加速直線運(yùn)動(dòng).如圖1 所示在小車上固定一塊泡沫塑料，為減小泡沫塑料在測(cè)量時(shí)的形變，選用4 cm 厚的泡沫塑料.通過(guò)此裝置，來(lái)創(chuàng)設(shè)情境，模擬一個(gè)做勻加速直線運(yùn)動(dòng)的汽車，要求學(xué)生利用各種儀器測(cè)量這個(gè)帶平臺(tái)的小車在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度.

圖1 實(shí)驗(yàn)用小車

2.2 教學(xué)過(guò)程

環(huán)節(jié)1.情境引入：視頻播放汽車剎車過(guò)程中，導(dǎo)致乘客摔倒受傷，引入這節(jié)課的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，激發(fā)學(xué)生探究興趣.

師：公交車在剎車過(guò)程中，因?yàn)閯x車踩得太猛，公交車的速度很快減小為0，在短時(shí)間內(nèi)，加速度非常大，導(dǎo)致乘客摔倒.如果在網(wǎng)上搜索一下，會(huì)發(fā)現(xiàn)類似的由于公交車起步或者剎車過(guò)快導(dǎo)致乘客摔倒受傷，甚至致死的例子有很多.那我們就會(huì)產(chǎn)生疑問(wèn)，公交車、地鐵或者火車起步或剎車時(shí)的加速度是多少？因此，今天我們要在實(shí)驗(yàn)室完成一個(gè)全新的挑戰(zhàn)性任務(wù)，嘗試著設(shè)計(jì)一個(gè)能夠動(dòng)態(tài)顯示汽車加速度的儀器，并且進(jìn)行實(shí)際測(cè)量.

環(huán)節(jié)2.方案設(shè)計(jì)：引導(dǎo)學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室提供的儀器設(shè)計(jì)能夠在車廂內(nèi)測(cè)量加速度的方案，交流討論.

師（問(wèn)題）：為了測(cè)量在水平方向做勻加速直線運(yùn)動(dòng)汽車的加速度，先請(qǐng)同學(xué)們回憶一下，你們學(xué)過(guò)哪些計(jì)算加速度的公式？

本問(wèn)題情境的設(shè)置目的是幫助學(xué)生回憶第2章、4章學(xué)習(xí)的加速度公式，指出生活中較為直觀的方法是通過(guò)觀察物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化來(lái)得到加速度，而運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化其深層次的原因是受力發(fā)生改變，因此今天希望學(xué)生能夠從測(cè)量力的角度來(lái)思考，幫助學(xué)生形成正確的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念.

師（活動(dòng)）：提供部分儀器，包括：彈簧秤，大小不同重量已知的鐵球，細(xì)線，量角器，直尺，一杯水.請(qǐng)同學(xué)分組討論，假設(shè)你站在一輛做勻加速運(yùn)動(dòng)的車廂內(nèi)部，與車廂一起做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，能否利用以上儀器，測(cè)量這個(gè)車廂的加速度.

生：分組討論，可以得出如圖2 所示3 種方案.

圖2 測(cè)量加速度3種方案

方案1.在車廂內(nèi)懸掛一個(gè)擺球，測(cè)量細(xì)線與豎直方向傾角，根據(jù)a=g tanθ 計(jì)算加速度.方案2.在車廂地面上放一個(gè)比較光滑的鐵球，用一彈簧秤在水平方向拉住鐵球，忽略摩擦，測(cè)量鐵球重力與拉力大小，根據(jù)a=FT／m 計(jì)算加速度.方案3.將一杯水置于水平面上，測(cè)量加速時(shí)液面與水平面間的夾角，根據(jù)a=g tanθ計(jì)算加速度.

環(huán)節(jié)3.測(cè)量討論：實(shí)際測(cè)量小車的加速度，針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與測(cè)量效果，提出實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案.

本環(huán)節(jié)的設(shè)置，是希望學(xué)生認(rèn)識(shí)到，在科學(xué)探究的過(guò)程中，理論和實(shí)踐總是相輔相成的，實(shí)際操作的過(guò)程一定不會(huì)像理論分析一樣順利，學(xué)會(huì)在真實(shí)的環(huán)境下解決問(wèn)題才是科學(xué)探究的趣味所在.

方案1.師（提問(wèn)）：剛才同學(xué)們已經(jīng)分組對(duì)3種測(cè)量方案進(jìn)行了實(shí)踐，現(xiàn)在我們逐一來(lái)進(jìn)行討論.首先是利用擺球的測(cè)量方案，請(qǐng)同學(xué)們告訴我，你們觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象了嗎？有沒(méi)有測(cè)量出加速度的大??？有什么改進(jìn)措施？

師（提問(wèn)）：能夠觀察到在小車勻加速運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，細(xì)線與豎直方向存在一個(gè)角度.通過(guò)課前錄好的慢動(dòng)作視頻可以觀察到，這個(gè)角度是穩(wěn)定不變的.但是由于整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間很短，很難直接觀察到這個(gè)角度的大小.拍慢動(dòng)作視頻可以幫助我們測(cè)出角度，但是我們的根本目的是制作一個(gè)能在公交車內(nèi)實(shí)時(shí)顯示加速度大小的儀器，拍照，測(cè)量，再計(jì)算，顯然過(guò)于麻煩了，你們有沒(méi)有更好的方式？我們需要角度的目的是計(jì)算其正切值.計(jì)算正切值有很多方法，能不能嘗試轉(zhuǎn)化一下，通過(guò)測(cè)量一些別的物理量來(lái)計(jì)算加速度？

師（定標(biāo)）：如圖3所示，在懸點(diǎn)下方固定一把直尺，并且取懸點(diǎn)到直尺的垂直距離剛好是9.8 cm，那么細(xì)線指示的刻度大小，即為加速度的大小.

圖3 擺球測(cè)加速度實(shí)驗(yàn)圖與改進(jìn)方案

方案2.師（提問(wèn)）：現(xiàn)在來(lái)看第2個(gè)方案，利用彈簧秤測(cè)拉力來(lái)計(jì)算加速度，同學(xué)們有沒(méi)有觀察到彈簧秤示數(shù)變化？（此實(shí)驗(yàn)中小球受力大約為0.2 N，用彈簧秤難以測(cè)到準(zhǔn)確數(shù)值，學(xué)生測(cè)量結(jié)果差距很大或觀察不到示數(shù).）這個(gè)方案中，我們看不到示數(shù)，或者誤差很大，可能有哪些原因？

師：經(jīng)過(guò)總結(jié)，引導(dǎo)得出一方面存在摩擦，可以選用盡量光滑的接觸面，或者在真實(shí)測(cè)量公交車加速度時(shí)，將氣墊導(dǎo)軌等沒(méi)有摩擦的儀器，整個(gè)放在公交車內(nèi)，即可排除摩擦的影響.另一方面，可能鐵球受到的力本身比較小，則可以采用增加鐵球質(zhì)量、減小彈簧勁度系數(shù)等方案，或是采用更加精確的儀器進(jìn)行測(cè)量，比如DIS力傳感器（教師用DIS力傳感器演示，測(cè)量結(jié)果如圖4所示）.與之前類似，如果取質(zhì)量為1 kg的小球，則力的大小直接代表加速度的大小.

圖4 DIS力傳感器測(cè)拉力裝置圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果截圖

方案3.這個(gè)方案對(duì)于高一學(xué)生來(lái)說(shuō)存在一定的難度.由于課堂時(shí)間有限，本節(jié)課沒(méi)有展開(kāi)討論，僅引導(dǎo)學(xué)生觀察慢動(dòng)作現(xiàn)象，比較和方案1之間的角度關(guān)系.圖5中，（a）圖為慢動(dòng)作截圖，可以看到一個(gè)比較穩(wěn)定的傾斜液面，（b）圖為液面所在直線與擺線所在直線的比較，二者基本相互垂直.

圖5 液體測(cè)量加速度實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

并且在此方案中，如果取一開(kāi)始刻度為0，半徑為9.8 cm，杯子上的刻度，就代表加速度的大小.

環(huán)節(jié)4.拓展討論：介紹Phyphox軟件與DIS加速度傳感器測(cè)量方式與測(cè)量原理，課堂小結(jié)，布置作業(yè).

師：以上就是我們討論的3 種不同的實(shí)驗(yàn)方案.實(shí)際上，在現(xiàn)在的科學(xué)技術(shù)條件下，已經(jīng)有很多能夠直接測(cè)量空間加速度的方式了，比如一般的智能手機(jī)，其實(shí)內(nèi)部就有一個(gè)加速度傳感器，只要安裝了Phyphox這個(gè)物理實(shí)驗(yàn)軟件，就能夠調(diào)用這個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)空間中任意方向加速度的測(cè)量.

手機(jī)加速度傳感器的原理與方案2 非常相似，只不過(guò)手機(jī)中，傳感器上下、左右、前后各方向都有一個(gè)類似彈簧的結(jié)構(gòu).這個(gè)彈簧體積更小，反應(yīng)更靈敏，能夠非常快地將各方向的受力轉(zhuǎn)化為加速度.［5］此外，DIS配套儀器中，也有一個(gè)加速度傳感器，對(duì)同一套運(yùn)動(dòng)小車的裝置，測(cè)量出來(lái)的結(jié)果如圖6所示是很接近的.除此之外，還有很多原理，不同應(yīng)用場(chǎng)景的加速度傳感器留給學(xué)生課外自己去查閱資料.

圖6 測(cè)量結(jié)果

3 單元教學(xué)視角下的課堂教學(xué)總結(jié)

3.1 教學(xué)設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課作為單元學(xué)習(xí)活動(dòng)“制作加速度計(jì)”的前期引導(dǎo)課，以“設(shè)計(jì)—制作—分析—改進(jìn)”為主線，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地建立合適的實(shí)驗(yàn)環(huán)境.通過(guò)對(duì)各類加速度測(cè)量方案的討論，給學(xué)生提供一定的思路，幫助學(xué)生更好地完成加速度計(jì)的制作.按照教材上加速度計(jì)的設(shè)計(jì)要求，以帶平臺(tái)的小車模擬勻加速行駛的汽車，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)加速度計(jì)的制作方案.通過(guò)對(duì)牛頓第二定律進(jìn)行理論分析，學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室提供的各類實(shí)驗(yàn)儀器，選擇恰當(dāng)?shù)膬x器，測(cè)量小車的加速度，對(duì)能夠觀察到明顯現(xiàn)象的方案討論數(shù)據(jù)記錄方法，對(duì)不能觀察到明顯現(xiàn)象的方案研究其原因，針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與效果，提出實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案.

此外，按照應(yīng)當(dāng)具備實(shí)際測(cè)量功能的要求，定標(biāo)這一環(huán)節(jié)是必不可少的.如何確定需要測(cè)量的物理量，轉(zhuǎn)化成汽車的加速度，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)將會(huì)是一個(gè)難點(diǎn)，因此在教學(xué)設(shè)計(jì)中注重對(duì)學(xué)生的引導(dǎo).

3.2 教學(xué)設(shè)計(jì)反思

由于一節(jié)課40 min的時(shí)間限制，本節(jié)課是在一定的框架下引導(dǎo)，幫助學(xué)生對(duì)加速度計(jì)的制作建立初步思路.實(shí)際上，還有更多的方案等待學(xué)生挖掘，例如利用U 型管、滑動(dòng)變阻器等儀器進(jìn)行測(cè)量的方案.在課上討論的3 種方案中，還有很多可以發(fā)散討論的點(diǎn)，例如：方案1利用擺球測(cè)加速度實(shí)驗(yàn)中，擺角往往偏大，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)當(dāng)牽引小車的鉤碼質(zhì)量為100 g時(shí)，擺角接近45°.這可能是由于空氣阻力所造成的影響.方案2彈簧秤測(cè)加速度實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量得到的力的大小與小車以及鐵球的質(zhì)量分配有關(guān).當(dāng)鐵球放置于泡沫塑料上時(shí)，會(huì)引起泡沫塑料形變，因此鐵球放置的方式不同也會(huì)使測(cè)量結(jié)果不同.液體測(cè)加速度實(shí)驗(yàn)中，為何液面往往呈一個(gè)拋物面？選用什么形狀的容器才能使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確呢？這些有趣的問(wèn)題都可以留作學(xué)生在課后自行完成加速度計(jì)的過(guò)程中思考、討論.