唐子怡 袁令民

(四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 四川 成都 610101)

大觀念最早源于布魯納倡導(dǎo)的學(xué)科結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng).掌握學(xué)科的結(jié)構(gòu)就是以允許許多事物有意義且相互關(guān)聯(lián)的方式來(lái)理解該學(xué)科，習(xí)得結(jié)構(gòu)就是學(xué)習(xí)理解事物如何相互關(guān)聯(lián)[1].它呈現(xiàn)了一種相互聯(lián)結(jié)、具有可遷移性的課程設(shè)計(jì)思想，但常局限于一個(gè)學(xué)科.查爾斯認(rèn)為大觀念需要通過(guò)討論、探究這些過(guò)程才能獲得，即相對(duì)于淺層學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)才能獲得對(duì)大觀念的理解[2].而威金斯和麥克泰則對(duì)“大觀念”做出了更為系統(tǒng)的論述：“大觀念”是重要的、持久的.“大觀念”是理解的基礎(chǔ)素材，可以被想成是有意義的模式，這些模式使我們將若不聯(lián)結(jié)就會(huì)分散的點(diǎn)狀知識(shí)連結(jié)起來(lái).這樣的概念超越了個(gè)別的知識(shí)和技能，以聚焦在更大的概念、原理或過(guò)程，這些概念可以應(yīng)用到學(xué)科之內(nèi)或以外的新情境[3].綜合這些觀點(diǎn)，筆者對(duì)其的理解為：大觀念是處于課程建構(gòu)頂層設(shè)計(jì)核心，必須通過(guò)學(xué)習(xí)者探究、討論、驗(yàn)證逐漸習(xí)得，基于基礎(chǔ)知識(shí)之上的總結(jié)與推論，并經(jīng)學(xué)習(xí)者內(nèi)化后，在遺忘所有具體事實(shí)性知識(shí)仍然持久保留于頭腦中剩下的東西.大觀念并非一個(gè)簡(jiǎn)單的概念或者知識(shí)、技能，而是以各種各樣抽象的形式呈現(xiàn)，可以跨學(xué)科使用并進(jìn)行遷移的一種聯(lián)結(jié).

2017年版新課標(biāo)提出“核心素養(yǎng)”一詞，而學(xué)科核心素養(yǎng)是核心素養(yǎng)在學(xué)科層面的具體化，也是學(xué)科育人價(jià)值的集中體現(xiàn).建立大觀念則是形成學(xué)科核心素養(yǎng)的一個(gè)重要途徑與手段.參考邵朝友與崔允漷先生在《指向核心素養(yǎng)的教學(xué)方案設(shè)計(jì)：大觀念的視角》中的觀點(diǎn)，筆者得出以下依據(jù)：從大觀念的本質(zhì)意義出發(fā)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究、討論總結(jié)等多種方式循序習(xí)得知識(shí)符合自主卻富有個(gè)性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生理解、探究與解決問(wèn)題能力；從大觀念的特性出發(fā)，持久性要求在遺忘所有細(xì)節(jié)知識(shí)后能有所保留，這些內(nèi)容則奠基了人的終生發(fā)展.抽象性指出大觀念并非簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)知識(shí)概念，其呈現(xiàn)形式多樣，范圍也不僅局限于單一學(xué)科，暗合了核心素養(yǎng)的特性.聯(lián)結(jié)性使得大觀念為知識(shí)的遷移服務(wù)，在有限課時(shí)背景下，教學(xué)無(wú)法在某一主題中涉及到各個(gè)方面，如何讓學(xué)生學(xué)會(huì)舉一反三與學(xué)科內(nèi)、跨學(xué)科遷移，大觀念的理解與運(yùn)用尤為重要.以上幾點(diǎn)特性正體現(xiàn)了學(xué)科核心素養(yǎng)中關(guān)于思維習(xí)慣與意識(shí)能力的培養(yǎng)；從大觀念的地位出發(fā)，埃里克森認(rèn)為應(yīng)由大觀念決定教學(xué)的方向和深度，居于課程內(nèi)容的核心.據(jù)此，在強(qiáng)調(diào)提高學(xué)生核心素養(yǎng)的教育背景下，大觀念的重要性只增不減.

本文以教科版 “人造衛(wèi)星運(yùn)行規(guī)律”一節(jié)為例，通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)闡述筆者自身在新課標(biāo)指導(dǎo)下關(guān)于基于大觀念的教學(xué)課例的一點(diǎn)思考與見(jiàn)解.

1 識(shí)別主題 以核心素養(yǎng)為支架搭建課程內(nèi)容

基于大觀念的理念，筆者運(yùn)用大觀念展開(kāi)教學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)本節(jié)內(nèi)容，首先確定主題為“人造衛(wèi)星運(yùn)行規(guī)律”.再如圖1所示，以主題為中心點(diǎn)，以核心素養(yǎng)為支架梳理脈絡(luò). 在人造衛(wèi)星運(yùn)行規(guī)律知識(shí)網(wǎng)絡(luò)中，重點(diǎn)突出人造衛(wèi)星運(yùn)行規(guī)律，從觀念、探究到思維、態(tài)度逐漸深化．

圖1 “人造衛(wèi)星運(yùn)行規(guī)律”支架圖

2 編寫(xiě)基本問(wèn)題 設(shè)計(jì)情境促進(jìn)持久理解

參考文獻(xiàn)[4]中的觀點(diǎn)，為發(fā)展學(xué)生理解，促進(jìn)學(xué)習(xí)遷移，在明確“我想要學(xué)生理解什么”后確定持久理解事項(xiàng)，編寫(xiě)出重要且處于事物核心的基本問(wèn)題，如表1所示.

表1 “人造衛(wèi)星 宇宙速度”持久理解與基本問(wèn)題

3 以問(wèn)題為導(dǎo)向 貫徹大觀念展開(kāi)教學(xué)

問(wèn)題1：人造地球衛(wèi)星要穩(wěn)定運(yùn)行它的軌道應(yīng)該具備什么條件？

采用地球儀和圓環(huán)組成教具，模擬人造衛(wèi)星運(yùn)行的不同軌道，師生分析討論得出人造地球衛(wèi)星穩(wěn)定軌道平面皆通過(guò)地心，再由人造地球衛(wèi)星的立體模型過(guò)渡到平面模型圖.

問(wèn)題2：人造衛(wèi)星運(yùn)行時(shí)的速度、周期、角速度等參數(shù)該如何求得？

將學(xué)生已學(xué)過(guò)的萬(wàn)有引力定律和圓周運(yùn)動(dòng)等知識(shí)即學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中已有的圖式，通過(guò)合作解決問(wèn)題促進(jìn)其在另一情境中遷移，并建立聯(lián)結(jié).

問(wèn)題3：不同類型的人造衛(wèi)星有什么特點(diǎn)？

Stellarium是安卓手機(jī)上一款模擬星象儀軟件，它能根據(jù)觀測(cè)者所處位置時(shí)間顯示出實(shí)時(shí)天體位置.在Stellarium中選擇人造衛(wèi)星進(jìn)行錄屏(圖2)，課堂播放視頻，學(xué)生觀察到部分人造衛(wèi)星位置發(fā)生變化，部分卻相對(duì)靜止，得到同步衛(wèi)星特點(diǎn).

圖2 人造衛(wèi)星實(shí)時(shí)位置

表1列出圖2中部分人造衛(wèi)星距離地面的高度h(在Stellarium軟件衛(wèi)星參數(shù)中即可查得)，圖3(a)、(b)展示軌道與地球半徑的大小差距，得到近地與高軌衛(wèi)星特點(diǎn).

表1 部分人造衛(wèi)星距地面高度

圖3 人造衛(wèi)星軌道高度對(duì)比

通過(guò)使用Stellarium，一方面向?qū)W生展示該軟件功能激發(fā)學(xué)生對(duì)天文的興趣，一方面在宇宙沙盤(pán)(一款基于物理法則的宇宙模擬器，可以通過(guò)改變參數(shù)設(shè)定行星氣候、重力、天體運(yùn)行及碰撞等)上做出模擬圖，從數(shù)據(jù)還原到現(xiàn)象，使學(xué)生能夠更加直觀地感受到人造衛(wèi)星軌道高低情況與地球半徑的對(duì)比.

問(wèn)題4：人造衛(wèi)星如何進(jìn)行變軌？

以嫦娥四落月全過(guò)程設(shè)計(jì)情境，展示如下.

2018年12月8日凌晨2時(shí)23分——中國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用運(yùn)載火箭成功發(fā)射嫦娥四號(hào)探測(cè)器．

2018年12月12日16時(shí)45分——嫦娥四號(hào)探測(cè)器到達(dá)月球附近，成功實(shí)施近月制動(dòng)，進(jìn)入近月點(diǎn)100km環(huán)月軌道．

2018年12月30日8時(shí)54分——嫦娥四探測(cè)器發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火開(kāi)始實(shí)施變軌制動(dòng)，由距月面平均高度約100km的環(huán)月軌道，進(jìn)入近月點(diǎn)高度約為15km，遠(yuǎn)月點(diǎn)高度約為100km的環(huán)月軌道.

2019年1月3日10時(shí)26分——嫦娥四號(hào)探測(cè)器從距離月面15km處開(kāi)始實(shí)施制動(dòng)下降，在距月面100m處開(kāi)始懸停，進(jìn)行緩速垂直下降，最后著陸于月球背面南極——艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門(mén)撞擊坑內(nèi).

先從能量轉(zhuǎn)化與守恒角度引導(dǎo)學(xué)生思考嫦娥四在近月降軌過(guò)程中，重力勢(shì)能增大從而動(dòng)能減少，故應(yīng)通過(guò)減小速度實(shí)現(xiàn).

打開(kāi)宇宙沙盤(pán)，創(chuàng)建地月系模型，演示嫦娥四在近月后的基本過(guò)程.通過(guò)改變速度參數(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)月、降軌直至落月.具體如下.

環(huán)月：為了方便觀看選擇軌道距月球表面1 689km處軌道放置衛(wèi)星，將學(xué)生計(jì)算所得數(shù)據(jù)與沙盤(pán)參數(shù)(圖4)比較．此時(shí)v1=1.22km/s.

圖4 環(huán)月模擬圖

降軌：從能量轉(zhuǎn)化與守恒角度引導(dǎo)學(xué)生理解降軌過(guò)程中重力勢(shì)能增加，動(dòng)能減少，故應(yīng)減速．調(diào)整速度參數(shù)，觀察軌道的變化，如圖5所示，讀出遠(yuǎn)地點(diǎn)和近地點(diǎn)環(huán)繞速度，比較其大小，思考變化原因.此時(shí)v遠(yuǎn)=1.10km/s，v近=1.62km/s.

圖5 減速降軌模擬圖

落月：再次減小速度，衛(wèi)星降落月面，如圖6所示．

圖6 落月模擬圖

假如要使衛(wèi)星在距月面約776km的圓軌道上穩(wěn)定運(yùn)行應(yīng)如何操作？學(xué)生先計(jì)算所需速度參數(shù),在軟件上輸入驗(yàn)證結(jié)果.

對(duì)比嫦娥一與嫦娥四運(yùn)行過(guò)程，發(fā)現(xiàn)嫦娥一在發(fā)射階段還進(jìn)行了一系列升軌接近月球，提問(wèn)：升軌又是怎樣實(shí)現(xiàn)的？軌道會(huì)如何變化？

小結(jié)：本節(jié)最令你印象深刻的內(nèi)容是什么？談一談你對(duì)本節(jié)開(kāi)頭齊奧爾科夫斯基“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠(yuǎn)被束縛在搖籃中”這句話的看法.

該節(jié)教學(xué)涉及天文學(xué)方面知識(shí)，運(yùn)用了宇宙沙盤(pán)和Stellarium兩款天文愛(ài)好者常用軟件，加入中國(guó)航天事件.因此發(fā)言內(nèi)容不限于物理教材上所要求的知識(shí)，應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生各抒己見(jiàn)，從人文到天文地理，不限學(xué)科暢所欲言.使得他們?cè)诒竟?jié)課內(nèi)化持久保留于頭腦中的內(nèi)容不局限于物理一門(mén)學(xué)科，而是能遷移至其他學(xué)科及新情境中.

我們強(qiáng)調(diào)大觀念的持久性、抽象性、聯(lián)結(jié)性.本節(jié)教學(xué)中，多采用圖像、視頻及模擬真實(shí)情景等手段替代數(shù)據(jù)與文字描述，重視獲取知識(shí)的方式方法，加深理解促進(jìn)內(nèi)化.設(shè)計(jì)小組合作討論與學(xué)生自主探究活動(dòng)，得出基礎(chǔ)知識(shí)之上的總結(jié)與推論，重視知識(shí)和原理的深度理解和靈活應(yīng)用[5].以4個(gè)基本問(wèn)題為導(dǎo)向，兩個(gè)情境問(wèn)題為遷移手段，由淺層學(xué)習(xí)走向深度學(xué)習(xí)，由單一學(xué)科走向跨學(xué)科.實(shí)現(xiàn)概念和規(guī)律在學(xué)生頭腦中的提煉與升華，建構(gòu)本節(jié)對(duì)應(yīng)的相互作用觀、時(shí)空觀、能量觀等物理觀念.