(1. 江蘇省無(wú)錫市輔仁高級(jí)中學(xué)，江蘇 無(wú)錫 214123;2. 南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210023)

物理核心素養(yǎng)指的是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)需要的必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，主要由物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面構(gòu)成。

核心素養(yǎng)理念的提出，要求物理教學(xué)要從知識(shí)的學(xué)習(xí)走向能力的培養(yǎng)，要從微觀的課時(shí)學(xué)習(xí)走向中觀的單元設(shè)計(jì)，指向宏觀的核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標(biāo)。筆者針對(duì)人教版高中物理必修一第二章“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究”，進(jìn)行了有別于教材的單元設(shè)計(jì)，并付諸教學(xué)實(shí)踐。

1 關(guān)于本章教材的思考

人們對(duì)事物的認(rèn)知有兩種基本的途徑，一種是從一般到特殊，另一種是從特殊到一般。人教版教材中“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的研究”這部分內(nèi)容編寫(xiě)是從一般到特殊、按照從概念→規(guī)律→應(yīng)用的順序展開(kāi)的。筆者通過(guò)對(duì)課標(biāo)的學(xué)習(xí)，結(jié)合自己的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和問(wèn)卷調(diào)查，認(rèn)為傳統(tǒng)的由一般到特殊的教學(xué)模式存在以下不足：

(1) 平鋪直敘，缺乏生動(dòng)的情境，不容易激發(fā)學(xué)生的興趣；

(2) 從概念出發(fā)，缺少與生活的聯(lián)系，學(xué)生會(huì)感到不夠親切；

(3) 學(xué)生缺少對(duì)認(rèn)知過(guò)程的體驗(yàn)，學(xué)生難以體會(huì)到物理學(xué)的研究方法。

2 本章單元教學(xué)整體設(shè)計(jì)及思考

為了讓學(xué)生經(jīng)歷伽利略探究自由落體運(yùn)動(dòng)、研究勻變速直線運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，學(xué)習(xí)科學(xué)探究和科學(xué)思維的方法，發(fā)展科學(xué)探究能力，筆者決定改變一下學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑，按照從特殊到一般的方式組織教學(xué)，具體順序調(diào)整為：自由落體運(yùn)動(dòng)(v0=0，a=g)→初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)(v0=0，a為定值)→初速度不為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)(v0≠0，a為定值)→勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用。

這個(gè)單元設(shè)計(jì)采用從“自由落體”開(kāi)始的順序，基于以下考慮：

(1) 突出物理核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。伽利略對(duì)落體運(yùn)動(dòng)的研究較全面地體現(xiàn)了科學(xué)探究的過(guò)程，通過(guò)這個(gè)過(guò)程的展示，使學(xué)生有身臨其境的體驗(yàn)：伽利略遇到了哪些困難？他是怎樣克服困難的？運(yùn)用了哪些方法？

(2) 在物理學(xué)發(fā)展史中，對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究有著極其重要的地位，蘊(yùn)含著豐富的科學(xué)思維和科學(xué)探究的教育素材。遺憾的是，在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，對(duì)伽利略的研究不夠重視，后來(lái)稍有改善，也只是作為閱讀材料點(diǎn)綴在正文后面，給學(xué)生的感覺(jué)似乎可有可無(wú)，這不能不說(shuō)是一種嚴(yán)重的缺憾。再后來(lái)把“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”作為正文了，但放在全章最后一節(jié)，實(shí)際教學(xué)中教師往往還是當(dāng)作“閱讀材料”處理的，屬于“可講可不講”的內(nèi)容。與其如此，不妨把這一節(jié)內(nèi)容放在本章開(kāi)篇來(lái)講，可能會(huì)取得更好的教學(xué)效果。

(3) 人們對(duì)運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)通常是從認(rèn)識(shí)具體運(yùn)動(dòng)開(kāi)始的，自由落體運(yùn)動(dòng)是一種很典型、很理想的勻變速直線運(yùn)動(dòng)?？梢赃@么說(shuō)，在現(xiàn)實(shí)生活中恐怕很難找到比自由落體更直觀、更理想的勻變速直線運(yùn)動(dòng)的例子了！而本章開(kāi)篇通過(guò)實(shí)驗(yàn)“在重物牽引下小車(chē)的運(yùn)動(dòng)”引入勻變速直線運(yùn)動(dòng)，是“人工制造”的，顯得有點(diǎn)“刻意”為之。

(4) 本章教學(xué)從“自由落體”開(kāi)始、改變?cè)瓉?lái)教材的呈現(xiàn)順序，使學(xué)生能夠更好地學(xué)會(huì)思考、學(xué)會(huì)探究、學(xué)會(huì)學(xué)習(xí)。跟隨伽利略的腳步，得出自由落體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律后，接下去就是知識(shí)上的推廣、擴(kuò)展，水到渠成、順理成章。同時(shí)，從“輕重物體誰(shuí)下落得快”這個(gè)耳熟能詳?shù)膯?wèn)題開(kāi)始新的一章的學(xué)習(xí)，也會(huì)讓學(xué)生感到有趣而親切！

3 本章教學(xué)示例

3.1 伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究

(1) 伽利略采用悖論的方式，用石頭的運(yùn)動(dòng)詰難亞里士多德：把一塊大石頭跟一塊小石頭捆在一起落下，會(huì)有什么結(jié)果？

(2) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，撥開(kāi)阻力的迷霧：① 通過(guò)輕重不同的小石頭、硬板紙片、餐巾紙等素材，兩兩同時(shí)從等高處下落，觀察其運(yùn)動(dòng)快慢，探究影響物體下落快慢的因素；② 用“錢(qián)毛管”實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探究，明確在排除空氣阻力的影響后落體的運(yùn)動(dòng)情況。

(3) 伽利略通過(guò)研究認(rèn)識(shí)到：如果能排除空氣阻力的影響，輕重不同的物體下落快慢完全一樣，進(jìn)而建構(gòu)了自由落體運(yùn)動(dòng)模型。

(4) 重走伽利略的探究之路：伽利略因?qū)嶒?yàn)條件的限制，不能直接檢驗(yàn)關(guān)于自由落體運(yùn)動(dòng)的猜想，他利用斜面(木槽)來(lái)“沖淡重力”，研究小球從靜止開(kāi)始在斜面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)而推論自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

在課堂上可引導(dǎo)學(xué)生重走伽利略的探究之路，實(shí)驗(yàn)器材和過(guò)程如下：取長(zhǎng)約2米的PVC管，從中間切開(kāi)，兩端墊不同厚度的木塊做成凹槽長(zhǎng)斜面，貼上以厘米為單位的刻度。讓小鋼球從頂端滾下，利用電子節(jié)拍器，在發(fā)出2、3、4、5個(gè)聲響時(shí)用細(xì)木棒攔住小球，讀取此時(shí)的位移，并輸入Excel表格，處理數(shù)據(jù)可知：在同一傾角下x/t2為一個(gè)定值，即x∝t2。保持傾角不變，換質(zhì)量不同的小球再做實(shí)驗(yàn)，可得到同樣結(jié)論，且兩小球運(yùn)動(dòng)情況幾乎相同。增大傾角，實(shí)驗(yàn)得到的x/t2仍然是一個(gè)定值，且隨傾角的增大而增大。再請(qǐng)學(xué)生思考：當(dāng)斜面傾角為90°時(shí)，情況如何？此時(shí)小球做什么運(yùn)動(dòng)？

(5) 超越伽利略：伽利略在17世紀(jì)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證x∝t2時(shí)，計(jì)時(shí)和定位都是很困難的?，F(xiàn)在，我們完全不必再用斜面來(lái)“沖淡重力”，采用實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備可以對(duì)落體運(yùn)動(dòng)精確地計(jì)時(shí)、定位，直接研究落體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì)。通過(guò)上一章的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠說(shuō)出用“打點(diǎn)計(jì)時(shí)器”來(lái)研究自由落體運(yùn)動(dòng)的方法，“超越”了伽利略，是不是感到很激動(dòng)？除此以外，教師還可以補(bǔ)充介紹頻閃照相等方法，并啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)來(lái)研究自由落體運(yùn)動(dòng)。

(6) 課后作業(yè)：① 收集人類(lèi)對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)認(rèn)識(shí)的歷史資料；② 通過(guò)學(xué)習(xí)，簡(jiǎn)述伽利略是如何發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、克服一個(gè)又一個(gè)困難的？寫(xiě)一篇短文，談?wù)勛约旱恼J(rèn)識(shí)、體會(huì)；③ 利用生活中的素材，設(shè)計(jì)一個(gè)研究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)。

3.2 自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

這一節(jié)包含兩部分內(nèi)容：自由落體公式的推導(dǎo)、重力加速度的測(cè)定，滲透了科學(xué)思維方法的教育，包括圖像法的應(yīng)用、極限與微元的思想等。

圖像可以直觀地反映物理量之間的關(guān)系，通過(guò)分析可得到兩者之間的函數(shù)關(guān)系。把自由落體的位移與其v-t圖線下的“面積”相聯(lián)系(如圖1、圖2)，從數(shù)學(xué)上看就是微積分，在這里，我們是把一個(gè)在物理學(xué)發(fā)展中極為重要而有效的思維方法，以簡(jiǎn)約化的方式呈現(xiàn)出來(lái)了。

圖1

圖2

在推導(dǎo)位移公式時(shí)，可以先舉一個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)的例子，引出求“面積”這個(gè)思路，再運(yùn)用極限與微元的方法進(jìn)行分析。

(1) 請(qǐng)同學(xué)們研究上節(jié)實(shí)驗(yàn)課得到的重物下落的v-t圖像，引出“勻變速直線運(yùn)動(dòng)”的概念。

(2) 利用v-t圖像推導(dǎo)自由落體速度與時(shí)間的關(guān)系、位移與時(shí)間的關(guān)系。

(3) 測(cè)定v-t圖像的斜率，研究重力加速度。

(4) 測(cè)定反應(yīng)時(shí)間。請(qǐng)一位同學(xué)用兩個(gè)手指捏住直尺的頂端，你用一只手在直尺下方做捏住直尺的準(zhǔn)備，但手不能碰到直尺，記下這時(shí)手指在直尺上的位置(如圖3)。當(dāng)看到那位同學(xué)放開(kāi)直尺時(shí)，你立即捏住直尺。測(cè)出直尺降落的高度，根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，可以算出反應(yīng)時(shí)間。

圖3

圖4

3.3 勻變速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律

對(duì)于勻加速直線運(yùn)動(dòng)，利用加速度的定義式，速度公式顯然易得。結(jié)合圖4，將“矩形”面積與“三角形面積”相加，就得到位移公式。

圖5

設(shè)計(jì)思路：(1) 基本公式涉及5個(gè)物理量：v0、a、t、v、x，對(duì)勻變速直線運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，v0和a是常量，t、v、x是變量。本節(jié)通過(guò)“圖像”將3個(gè)基本公式的推導(dǎo)“串聯(lián)”在一起，有利于學(xué)生形成“常量”與“變量”的概念，加深對(duì)公式的理解、形成系統(tǒng)認(rèn)知。原教材將3個(gè)基本公式分3小節(jié)內(nèi)容介紹，就淡化了它們之間的聯(lián)系，不利于學(xué)生應(yīng)用時(shí)靈活選擇。(2) 學(xué)生通過(guò)圖像自主推導(dǎo)公式，記得牢，就算一時(shí)忘記，畫(huà)個(gè)圖馬上就可以推導(dǎo)出來(lái)，有利于提高自主學(xué)習(xí)和理論探究能力。

4 學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

4.1 科學(xué)短文匯報(bào)交流和自由落體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)展示

這個(gè)為期兩周的長(zhǎng)作業(yè)在本章第1節(jié)課時(shí)已經(jīng)布置下去，全章內(nèi)容結(jié)束時(shí)請(qǐng)學(xué)生在課堂上進(jìn)行匯報(bào)展示。

具體做法為：(1) 關(guān)于伽利略的科學(xué)短文兩周后收上來(lái)，教師先進(jìn)行批閱，挑選優(yōu)秀文章備用；(2) 自由落體實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的任務(wù)分小組完成，全班分成5個(gè)小組，組員分配好各自的工作，兩周后以小組為單位將方案提交給老師，教師進(jìn)行指導(dǎo)，在匯報(bào)課上請(qǐng)各小組進(jìn)行演示。對(duì)學(xué)生本次作業(yè)進(jìn)行打分并記錄在學(xué)習(xí)檔案袋，作為本學(xué)期平時(shí)成績(jī)的一部分。

4.2 單元試卷的命制

單元試卷命制也是從整體設(shè)計(jì)的思想出發(fā)的，從知識(shí)、模型、方法三個(gè)方面進(jìn)行選題，體現(xiàn)能力立意，注重題目情境與生活緊密聯(lián)系。