廣東省佛山市南海區(qū)第一中學(xué)(528200) 楊 恒

單元教學(xué)設(shè)計(jì)是從大概念、大思路的角度出發(fā)，為了實(shí)現(xiàn)課程目標(biāo)和課時(shí)目標(biāo)，教師基于對(duì)學(xué)科內(nèi)容的理解和學(xué)習(xí)內(nèi)容的特點(diǎn)，基于學(xué)科核心素養(yǎng)，以幫助學(xué)生構(gòu)建系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的知識(shí)體系為目的，把章節(jié)或者單元中不同的知識(shí)點(diǎn)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由淺入深組織起來(lái)的系列教學(xué)事件。學(xué)習(xí)進(jìn)階是對(duì)學(xué)生思維由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由淺入深的學(xué)習(xí)層級(jí)的刻畫。本文以學(xué)習(xí)進(jìn)階進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì)，并以“圓周運(yùn)動(dòng)”為例說(shuō)明高中物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)的具體做法。

1 單元教學(xué)內(nèi)容選擇

人教版《物理》必修2第5章“曲線運(yùn)動(dòng)”這一章由7節(jié)內(nèi)容組成，按照教學(xué)內(nèi)容將其劃分為“運(yùn)動(dòng)的合成和分解”“平拋運(yùn)動(dòng)”“圓周運(yùn)動(dòng)”?！皥A周運(yùn)動(dòng)”屬于后面4節(jié)內(nèi)容，幫助學(xué)生進(jìn)一步加深對(duì)曲線運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的理解和運(yùn)用，是研究天體運(yùn)動(dòng)和帶電粒子在電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)的預(yù)備知識(shí)，具有基礎(chǔ)性和預(yù)備性。

2 單元教學(xué)目標(biāo)制定

新的課程標(biāo)準(zhǔn)要求加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)探究，為了使學(xué)生更好地理解與掌握向心加速度與各量之間關(guān)系的含義，增加了“探究并了解勻速圓周運(yùn)動(dòng)向心力大小與半徑、角速度、質(zhì)量的關(guān)系”。

教學(xué)建議這部分內(nèi)容注重分析思路和方法的滲透，對(duì)這部分的描述是“根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)的知識(shí)先學(xué)習(xí)向心加速度，然后再根據(jù)牛頓第二定律學(xué)習(xí)向心力的知識(shí)，有利于形成合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)，而且更加符合認(rèn)知規(guī)律。”

結(jié)合課程標(biāo)準(zhǔn)的要求，制定本學(xué)習(xí)單元的教學(xué)目標(biāo)如下。

(1)通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)，得到線速度、角速度的物理意義和定義式，了解轉(zhuǎn)速和周期，知道勻速圓周運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。加深學(xué)生對(duì)比值定義法的理解，發(fā)展學(xué)生基于證據(jù)的科學(xué)論證能力。

(2)通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，知道和理解向心加速度的方向和表達(dá)式，能根據(jù)問(wèn)題情景選擇合適的向心加速度表達(dá)式進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)算。培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的意識(shí)，發(fā)展學(xué)生基于事實(shí)進(jìn)行抽象概括的模型建構(gòu)能力。

(3)了解向心力的概念，能從牛頓第二定律的角度理解向心力的表達(dá)式。運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決勻速圓周運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，完善運(yùn)動(dòng)與相互作用的物理觀念。

(4)能定性定量地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。發(fā)展學(xué)生基于事實(shí)的科學(xué)解釋能力，形成正確的科學(xué)態(tài)度。

3 學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑規(guī)劃

從物理觀念上看，本單元的學(xué)習(xí)可以讓學(xué)生進(jìn)一步完善對(duì)曲線運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)，有利于建立力與運(yùn)動(dòng)的物理觀念。從科學(xué)思維上看，本單元涉及的比值定義法、模型建構(gòu)思想是物理學(xué)習(xí)研究的主要思想方法?！吧钪械膱A周運(yùn)動(dòng)”這一節(jié)，一方面可以讓學(xué)生親身經(jīng)歷模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證的過(guò)程；另一方面也可以通過(guò)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科思維，增強(qiáng)實(shí)踐意識(shí)。從科學(xué)探究上看，本單元中的“向心加速度”“向心力”由原來(lái)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)變成了探究性實(shí)驗(yàn)，目的是為了培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。在教學(xué)過(guò)程中有意識(shí)地多提問(wèn)，讓學(xué)生在解釋交流的過(guò)程中提高實(shí)驗(yàn)探究能力、問(wèn)題意識(shí)和論證意識(shí)。從科學(xué)態(tài)度與責(zé)任上看，比較2個(gè)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的快慢或者轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢，可以發(fā)展學(xué)生基于證據(jù)的科學(xué)論證能力。本單元的2個(gè)實(shí)驗(yàn)探究教學(xué)可以發(fā)展學(xué)生基于事實(shí)進(jìn)行抽象概括的模型建構(gòu)能力，培養(yǎng)學(xué)生的求真精神與團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。最后一節(jié)“生活中的圓周運(yùn)動(dòng)”，運(yùn)用物理知識(shí)解決生活中的實(shí)際問(wèn)題有助于學(xué)生養(yǎng)成用物理視角發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

基于學(xué)習(xí)進(jìn)階系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)間的銜接和單位知識(shí)間的內(nèi)在邏輯，“圓周運(yùn)動(dòng)”的學(xué)習(xí)層級(jí)與素養(yǎng)發(fā)展規(guī)劃進(jìn)階表見表1。

表1 “圓周運(yùn)動(dòng)”學(xué)習(xí)層級(jí)與素養(yǎng)發(fā)展規(guī)劃進(jìn)階表

4 單元教學(xué)環(huán)節(jié)落實(shí)

4.1 層次1、2：認(rèn)識(shí)圓周運(yùn)動(dòng)(1課時(shí))

(1)(物理情景創(chuàng)設(shè))列舉生活中的圓周運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生觀察物體運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀，并提出問(wèn)題：如何比較圓周運(yùn)動(dòng)物體的快慢？

(2)(猜想與假設(shè))引導(dǎo)學(xué)生基于原有經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有效的猜想：轉(zhuǎn)過(guò)一圈所花時(shí)間的多少，在相同時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)……對(duì)比我們之前學(xué)過(guò)直線運(yùn)動(dòng)速度的定義，是否可以類比遷移到曲線運(yùn)動(dòng)？通過(guò)直線運(yùn)動(dòng)速度的比值定義的類比遷移到曲線運(yùn)動(dòng)的線速度、角速度的定義，即比較物體在相同時(shí)間內(nèi)通過(guò)圓弧的長(zhǎng)短，在相同時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)過(guò)的角度的大小，從而突破教學(xué)難點(diǎn)。

(3)(實(shí)驗(yàn)探究)讓學(xué)生思考測(cè)什么、用什么測(cè)、怎么測(cè)？即要測(cè)量哪些物理量、用什么實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行測(cè)量、實(shí)驗(yàn)步驟如何安排？通過(guò)網(wǎng)上購(gòu)置可以調(diào)速的轉(zhuǎn)盤，向?qū)W生展示勻速圓周運(yùn)動(dòng)的情況。

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法 數(shù)據(jù)用SPSS 22.0統(tǒng)計(jì)軟件分析，其中計(jì)量資料用±s)表示，采用t檢驗(yàn)，計(jì)數(shù)資料用χ2檢驗(yàn)，等級(jí)資料采用秩和檢驗(yàn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

(4)(科學(xué)解釋)如圖1所示，A、B兩點(diǎn)誰(shuí)運(yùn)動(dòng)得更快一點(diǎn)，為什么？在相同的時(shí)間里面，A、B運(yùn)動(dòng)的弧長(zhǎng)不一樣，說(shuō)明了什么？這樣就將直線運(yùn)動(dòng)中定義速度的方法自然類比遷移到圓周運(yùn)動(dòng)中定義線速度的方法，而且也讓學(xué)生明白到曲線運(yùn)動(dòng)的線速度與直線運(yùn)動(dòng)的速度沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別。只是在圓周運(yùn)動(dòng)中，我們還可以通過(guò)半徑轉(zhuǎn)過(guò)角度的快慢(角速度)來(lái)描述，所以為了區(qū)分角速度，我們把圓周運(yùn)動(dòng)中的速度稱為線速度。

再讓學(xué)生觀察A、B兩點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)A、B轉(zhuǎn)過(guò)一圈所花的時(shí)間相同，提醒學(xué)生質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)得快與轉(zhuǎn)動(dòng)得快不相同，線速度是描述質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的快慢，而角速度、周期、轉(zhuǎn)速是描述質(zhì)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)的快慢(質(zhì)點(diǎn)與圓心的連線掃過(guò)角度的快慢)。然后類比線速度的比值定義法，得到角速度的定義。

4.2 層次3、4：向心加速度(1課時(shí))

(1)(情景創(chuàng)設(shè))我們知道物體如果不受力，它將做勻速直線運(yùn)動(dòng)，加速度為零。勻速圓周運(yùn)動(dòng)不是勻速直線運(yùn)動(dòng)，那么這就意味著它所受到的合力不為零，加速度也不為零。那么這個(gè)加速度的大小和方向是怎么樣的呢？

(2)(實(shí)驗(yàn)探究一)這里面我們采用的是手機(jī)傳感器App——accelVisu2，它可以直接顯示加速度的方向。從實(shí)驗(yàn)圖像，我們可以直接看到勻速圓周運(yùn)動(dòng)的加速度時(shí)時(shí)刻刻指向圓心，故此我們稱其為向心加速度。

(3)(實(shí)驗(yàn)探究二)接下來(lái)采用另一個(gè)手機(jī)傳感器App——phyphox，它利用手機(jī)內(nèi)置的陀螺儀和角速度傳感器可以測(cè)量角速度和向心加速度隨時(shí)間的變化。當(dāng)開始測(cè)量時(shí)，轉(zhuǎn)盤的電機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)；測(cè)得的向心加速度接近于零。大約5 s后，啟動(dòng)電機(jī)。從這個(gè)時(shí)候起，手機(jī)跟隨轉(zhuǎn)盤以設(shè)定的角速度移動(dòng)。

先控制角速度不變，改變轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，記錄不同轉(zhuǎn)動(dòng)半徑對(duì)應(yīng)的加速度。通過(guò)Excel用電腦作出向心加速度a與轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r的關(guān)系圖。

再控制轉(zhuǎn)動(dòng)半徑不變，調(diào)節(jié)電機(jī)調(diào)速器，改變角速度，記錄不同角速度對(duì)應(yīng)的加速度。觀察向心加速度a與角速度ω、加速度a與角速度的平方ω2的關(guān)系圖。

(4)(理論推導(dǎo))從運(yùn)動(dòng)學(xué)的角度學(xué)習(xí)向心加速度。因?yàn)橄蛐募铀俣仁蔷€速度變化量Δv跟時(shí)間Δt的比值，這里面的關(guān)鍵是線速度變化量Δv。在課堂上，先復(fù)習(xí)回顧直線運(yùn)動(dòng)的速度變化量Δv的概念，強(qiáng)調(diào)速度變化量的方向；再引伸到曲線運(yùn)動(dòng)中速度變化量Δv的計(jì)算，即不在同一直線的速度變化量的方向；然后求質(zhì)點(diǎn)做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，在Δt時(shí)間間隔內(nèi)的速度變化量的方向；最后，強(qiáng)調(diào)Δt趨于零時(shí)，速度變化量與該點(diǎn)線速度方向垂直，指向圓心。

4.3 層次5：向心力(1課時(shí))

(2)(實(shí)驗(yàn)探究)利用機(jī)械鳥做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，拖動(dòng)繩子形成圓錐擺驗(yàn)證向心力的表達(dá)式(見圖2)。這個(gè)實(shí)驗(yàn)采用同學(xué)們常玩的機(jī)械鳥，除了實(shí)驗(yàn)器材常見易得外，每個(gè)學(xué)生還可以動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，而且對(duì)于機(jī)械鳥的受力分析方法也是以后常用的，掌握之后有利于后面的學(xué)習(xí)。而且這個(gè)實(shí)驗(yàn)容易保證機(jī)械鳥做圓周運(yùn)動(dòng)，比普通常見的圓錐擺實(shí)驗(yàn)有優(yōu)勢(shì)。

通過(guò)對(duì)機(jī)械鳥的研究，學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)中的向心力是由不同方向的繩子拉力和重力合成后提供的，方向時(shí)時(shí)不同，利用手機(jī)App——tracker進(jìn)行分析。從而理解向心力是按照效果來(lái)命名的，是由其他性質(zhì)的力提供的。

(3)(拓展)為了使學(xué)生可以在更加廣闊的背景下認(rèn)識(shí)圓周運(yùn)動(dòng)，我們可以將一般情況下的變速圓周運(yùn)動(dòng)，分為切向分力(切向力)和法向分力(向心力)的作用。

4.4 層次6：生活中的圓周運(yùn)動(dòng)(2課時(shí))

(1)(情景創(chuàng)設(shè))本節(jié)課是圓周運(yùn)動(dòng)的運(yùn)用課，展示教材上具有特點(diǎn)的生活例子，再逐一理論分析。

(2)(理論分析)以汽車經(jīng)過(guò)彎道作為分析水平方向上的勻速圓周運(yùn)動(dòng)的例子(見圖3)。先播放汽車在水平路面上、傾斜路面上轉(zhuǎn)彎的視頻，再讓學(xué)生思考、分析物體受力，哪些力提供向心力，圓心建立在何處，用牛頓第二定律建立方程，然后再通過(guò)汽車速度變大或者變小進(jìn)行拓展。

以汽車通過(guò)凸形橋的最頂端(最高點(diǎn))或者凹形橋的最低端(最低點(diǎn))作為豎直方向上的圓周運(yùn)動(dòng)的例子。汽車通過(guò)拱橋是變速圓周運(yùn)動(dòng)，我們只分析最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的受力情況，因?yàn)檫@時(shí)候合外力全部在同一直線上，合力提供向心力。分析完汽車過(guò)拱橋模型后，給學(xué)生演示“水流星”，讓學(xué)生獨(dú)立分析水流星在最高點(diǎn)的受力情況。

以航天器中的失重現(xiàn)象作為超失重現(xiàn)象在圓周運(yùn)動(dòng)的例子。先播放航天員的錄相資料，了解現(xiàn)象，再對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行分析和討論，讓學(xué)生思考、分析物體受力，哪些力提供向心力，圓心建立在何處，用牛頓第二定律建立方程，理解航天器中的失重現(xiàn)象。

5 單元教學(xué)設(shè)計(jì)反思

(1)依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)科教學(xué)指導(dǎo)意見進(jìn)行分析，確定本單元教學(xué)目標(biāo)和具體內(nèi)容?；趯W(xué)習(xí)進(jìn)階的理論，從學(xué)業(yè)要求和核心素養(yǎng)2個(gè)層面進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì)。

(2)在分析課程標(biāo)準(zhǔn)、學(xué)科指導(dǎo)意見以及教材的基礎(chǔ)上，梳理本單元的主要知識(shí)有哪些，結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，圍繞著大概念建構(gòu)知識(shí)體系，對(duì)本單元知識(shí)間的邏輯關(guān)系進(jìn)行挖掘。

(3)對(duì)于本單元涉及的物理思想方法、分析問(wèn)題的思路進(jìn)行深度挖掘，幫助學(xué)生深度理解物理知識(shí)，找出不同概念之間的相互聯(lián)系，建構(gòu)出自己的知識(shí)體系，加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。