馬磊　公衍錄

摘 要：本單元設(shè)計(jì)基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的理論，對(duì)學(xué)生的思維由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由淺入深地進(jìn)行層級(jí)刻畫(huà).通過(guò)對(duì)學(xué)生已有知識(shí)、能力進(jìn)行診斷，整體設(shè)計(jì)各層級(jí)的任務(wù)，在層級(jí)銜接遞進(jìn)的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng).圍繞動(dòng)量守恒定律，從學(xué)生學(xué)的視角組織一系列的學(xué)習(xí)事件，通過(guò)整合物理概念、規(guī)律，挖掘教學(xué)內(nèi)容中的認(rèn)識(shí)方式、研究方法等隱性知識(shí)，不斷建構(gòu)和發(fā)展學(xué)生的“運(yùn)動(dòng)和相互作用”物理觀念.

關(guān)鍵詞：?jiǎn)卧虒W(xué)設(shè)計(jì);動(dòng)量守恒定律;運(yùn)動(dòng)和相互作用;物理觀念;學(xué)習(xí)進(jìn)階

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）05-0022-05

作者簡(jiǎn)介：馬磊（1985-），男，山東泰安人，碩士，中學(xué)一級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué);

公衍錄（1963-），男，山東蒙陰人，本科，中學(xué)高級(jí)教師，研究方向：中學(xué)物理學(xué)科教學(xué).

1 單元教學(xué)設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想

本單元教學(xué)設(shè)計(jì)是圍繞“運(yùn)動(dòng)和相互作用”物理觀念的建構(gòu)和發(fā)展，以動(dòng)量守恒定律這一大概念組織教學(xué)，整合本單元的動(dòng)量、沖量和動(dòng)量定理等概念規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步挖掘教學(xué)內(nèi)容中隱含的“守恒”等跨學(xué)科概念、認(rèn)識(shí)方式、研究方法等隱性知識(shí)，發(fā)展學(xué)生的“運(yùn)動(dòng)和相互作用”的大觀念[1].這些知識(shí)將為學(xué)生終身發(fā)展、應(yīng)對(duì)現(xiàn)代和未來(lái)社會(huì)發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎(chǔ).通過(guò)創(chuàng)設(shè)“碰撞”等大情境，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，伴隨著學(xué)生的認(rèn)識(shí)發(fā)展，逐漸形成解決問(wèn)題的一般化大思路.設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)策略，有效地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性[2].加強(qiáng)學(xué)習(xí)診斷，以精準(zhǔn)診斷和及時(shí)反饋矯正，提升教學(xué)的針對(duì)性和有效性.

2 單元教學(xué)內(nèi)容分析

整合本單元知識(shí)，梳理出圍繞大概念——?jiǎng)恿渴睾愣傻闹R(shí)結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示.

本單元的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容是描述單個(gè)質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)量定理，如圖1中力的積累效果部分;另一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容是描述系統(tǒng)的動(dòng)量守恒定律及其應(yīng)用，如圖1中動(dòng)量守恒定律部分.

在本單元的教學(xué)內(nèi)容中，蘊(yùn)含了模型建構(gòu)、推理論證等豐富的學(xué)科素養(yǎng)和科學(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)背后隱含的物理觀念和思想方法.表1中舉出了一些例子.

3 學(xué)生學(xué)習(xí)情況分析

按照物理核心素養(yǎng)的維度，本單元的學(xué)情分析如下.

物理觀念：學(xué)生之前學(xué)過(guò)了牛頓運(yùn)動(dòng)定律和運(yùn)動(dòng)學(xué)公式，為本單元的學(xué)習(xí)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).已學(xué)過(guò)的解決力學(xué)問(wèn)題的一般思路“確定研究對(duì)象，受力分析，運(yùn)動(dòng)分析，列物理規(guī)律方程等”仍然適用.學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒定律、能量守恒定律和電荷守恒定律時(shí)，已經(jīng)知道了守恒這一概念，但需要進(jìn)一步強(qiáng)化某一量守恒的含義，就是在變化中該量的總和保持不變.

科學(xué)思維：在教學(xué)中可借助實(shí)驗(yàn)等加強(qiáng)教學(xué)的直觀性和形象性，以便于學(xué)生理解.讓學(xué)生應(yīng)用動(dòng)量定理、動(dòng)量守恒定律等本單元的知識(shí)，解釋與日常生活、生產(chǎn)有關(guān)的現(xiàn)象，促進(jìn)學(xué)生逐步由形象思維到抽象思維的過(guò)渡.在前面求解連接體問(wèn)題時(shí)，學(xué)生已經(jīng)了解了“系統(tǒng)”“內(nèi)力”“外力”等概念，這有助于學(xué)生理解動(dòng)量守恒的條件，但受力分析一直是學(xué)生的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，而且學(xué)生常常會(huì)把動(dòng)量守恒的條件與機(jī)械能守恒的條件相混淆.

科學(xué)探究：學(xué)生已經(jīng)具有設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)操作、記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和獲得結(jié)論的意識(shí)，但是對(duì)方案的可行性等還需著力培養(yǎng).

科學(xué)態(tài)度與責(zé)任：學(xué)生具有一定的學(xué)習(xí)物理的興趣，知道物理研究應(yīng)實(shí)事求是，還應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的態(tài)度等.

4 單元教學(xué)目標(biāo)

下面以動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律為主線，結(jié)合具體的知識(shí)點(diǎn)和素養(yǎng)發(fā)展要求[3]，表述本單元的教學(xué)目標(biāo)如下：

（1）理解沖量和動(dòng)量.具體包括：創(chuàng)設(shè)情境引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷沖量和動(dòng)量概念的形成過(guò)程;學(xué)生能夠通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)探究，推導(dǎo)出動(dòng)量定理和動(dòng)量守恒定律，并能用其解釋生產(chǎn)、生活中的有關(guān)現(xiàn)象.通過(guò)制作水火箭等，讓學(xué)生知道火箭的發(fā)射利用了反沖現(xiàn)象;通過(guò)收集資料，了解中子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程，討論動(dòng)量守恒定律在其中的作用，認(rèn)識(shí)動(dòng)量守恒定律的普適性.

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解彈性碰撞和非彈性碰撞的特點(diǎn)，具體包括：定量分析一維碰撞問(wèn)題，解釋生產(chǎn)生活中的彈性碰撞和非彈性碰撞現(xiàn)象，例如讓學(xué)生觀察臺(tái)球碰撞前后的運(yùn)動(dòng)情況，嘗試用動(dòng)量知識(shí)定性解釋.查閱資料，了解太空中物體的碰撞和微觀粒子的碰撞等相關(guān)信息.

（3）體會(huì)用守恒定律分析物理問(wèn)題的方法，體會(huì)自然界的和諧與統(tǒng)一.具體包括：學(xué)生能將動(dòng)量守恒定律，與學(xué)過(guò)的機(jī)械能守恒定律和能量守恒定律聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)運(yùn)用這些規(guī)律分析和解決實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)一步發(fā)展“守恒”“系統(tǒng)”和“能量”的觀念，初步形成用物理學(xué)理論描述的自然界具有和諧與統(tǒng)一的整體圖景.

5 單元學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì)

本單元學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì)可分為四個(gè)部分：第一部分是尋找碰撞中的守恒量，會(huì)用動(dòng)量概念描述物體的運(yùn)動(dòng)，知道碰撞前后能量的變化，并以此對(duì)碰撞進(jìn)行分類(lèi);第二部分是在第一部分的基礎(chǔ)上進(jìn)一步探究物體動(dòng)量的變化量與力在時(shí)間上累積的關(guān)系;第三部分利用動(dòng)量定理推導(dǎo)兩個(gè)及以上物體組成的系統(tǒng)動(dòng)量守恒條件;第四部分是能運(yùn)用動(dòng)量守恒定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象、解決相關(guān)問(wèn)題.這四個(gè)部分相互獨(dú)立，又層層遞進(jìn).具體學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì)見(jiàn)表2.

6 主要教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)

本單元的核心概念是動(dòng)量守恒定律，整章的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)基本遵循：系統(tǒng)—單個(gè)質(zhì)點(diǎn)—系統(tǒng)的思路.如圖2所示.限于篇幅，以“層級(jí)2”動(dòng)量定理的推導(dǎo)和驗(yàn)證為例，說(shuō)明主要的教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì).學(xué)生思維發(fā)展過(guò)程如圖3所示.

6.1 學(xué)習(xí)任務(wù)一：定性分析緩沖現(xiàn)象中受力與作用時(shí)間的關(guān)系

情境創(chuàng)設(shè)：觀看視頻，無(wú)降落傘高空跳到大網(wǎng)里，室內(nèi)百米賽跑跑道終點(diǎn)處墻上有厚厚的軟墊.這個(gè)大網(wǎng)和這層軟墊有什么作用？運(yùn)動(dòng)員所受的力與停下來(lái)所用的時(shí)間存在什么關(guān)系？

讓學(xué)生對(duì)緩沖現(xiàn)象中受力和作用時(shí)間有定性的認(rèn)識(shí).引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)并歸納力和時(shí)間的關(guān)系.

6.2 學(xué)習(xí)任務(wù)二：建立物理模型，通過(guò)理論推導(dǎo)

情境創(chuàng)設(shè)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在動(dòng)量變化量相同的情況下，作用時(shí)間長(zhǎng)，F(xiàn)小，作用時(shí)間短，F(xiàn)大，可以看出延長(zhǎng)作用時(shí)間可以減小物體所受力的大小.力F與時(shí)間t存在定量關(guān)系嗎？

培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)，引導(dǎo)學(xué)生建立模型，光滑水平面上的一個(gè)物體，受到一個(gè)水平向右的恒力，在恒力F的作用下運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間t，速度由v1變到v2，利用牛頓第二定律或者動(dòng)能定理進(jìn)行推導(dǎo)F-t存在的關(guān)系.

6.3 學(xué)習(xí)任務(wù)三：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不同條件下動(dòng)量定理是否成立

情境創(chuàng)設(shè)：在理論推導(dǎo)過(guò)程中，我們是在恒力條件下進(jìn)行的，動(dòng)量定理是否在其他條件下（變力、碰撞等）也成立？

提供的實(shí)驗(yàn)器材：平滑導(dǎo)軌、小車(chē)、力學(xué)傳感器、位置傳感器、細(xì)線、鉤碼及數(shù)據(jù)處理軟件等，讓學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在不同條件下驗(yàn)證動(dòng)量定理是否成立.通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，我們可以得到結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)動(dòng)量定理成立.

7 單元學(xué)習(xí)效果反饋性評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

本單元學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)圍繞動(dòng)量守恒定律核心概念，依據(jù)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展?fàn)顩r，通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)而有價(jià)值的問(wèn)題情境，促進(jìn)學(xué)生概念發(fā)展，以過(guò)程性評(píng)價(jià)為主，主要形式為課前診斷、課上問(wèn)題鏈和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、自我和同伴評(píng)價(jià)、課后測(cè)試反饋等.

學(xué)習(xí)效果評(píng)價(jià)還要根據(jù)不同的需求設(shè)計(jì)不同層次.針對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)及高中物理學(xué)業(yè)質(zhì)量劃分了5個(gè)水平層級(jí).學(xué)業(yè)水平合格性考試合格達(dá)到學(xué)業(yè)質(zhì)量水平2，高等院校相關(guān)專業(yè)學(xué)習(xí)應(yīng)達(dá)到學(xué)業(yè)質(zhì)量水平4.學(xué)生學(xué)習(xí)本單元后參加高考，因此題目應(yīng)以學(xué)業(yè)水平3、4的要求為主，對(duì)比較優(yōu)秀的學(xué)生，可以選擇水平5的問(wèn)題.下面以一個(gè)例子說(shuō)明.

例題 如圖4所示，質(zhì)量均為m的木塊A和B，并排放在光滑水平面上，A上固定一豎直輕桿，輕桿上端的O點(diǎn)系一長(zhǎng)為L(zhǎng)的細(xì)線，細(xì)線另一端系一質(zhì)量為m0的球C.現(xiàn)將C球拉起使細(xì)線水平伸直，并由靜止釋放C球.

（1）A、B、C組成的系統(tǒng)動(dòng)量是否守恒？

（2）當(dāng)小球C第一次擺到最低點(diǎn)時(shí)，A、B兩個(gè)木塊各自的速度？

（3）當(dāng)小球C擺動(dòng)至什么位置時(shí)，A、B兩個(gè)木塊分離？

（4）木塊A的最大速度？

本題主要考查學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)中物理觀念中的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念和科學(xué)思維中的科學(xué)推理能力;考查學(xué)生對(duì)動(dòng)量守恒定律條件、矢量性以及能量守恒定律的掌握程度.

8 單元教學(xué)設(shè)計(jì)反思

本單元設(shè)計(jì)以學(xué)習(xí)進(jìn)階為工具，梳理了知識(shí)間的內(nèi)在邏輯，確定了動(dòng)量守恒定律單元的教學(xué)思路，保證了單元教學(xué)的整體設(shè)計(jì)和有序?qū)嵤?建構(gòu)了“動(dòng)量守恒定律”單元學(xué)生思維發(fā)展的路徑和學(xué)習(xí)層級(jí)，通過(guò)挖掘隱性知識(shí)，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的物理情境，以動(dòng)量守恒定律作為知識(shí)載體，引領(lǐng)學(xué)生逐步形成研究和解決動(dòng)量守恒問(wèn)題的大思路，發(fā)展了學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，形成了相對(duì)完整的運(yùn)動(dòng)和相互作用的觀念.為促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展提供了可操作的路徑和符合實(shí)際的教學(xué)策略.

參考文獻(xiàn)：

[1]張玉峰.以大概念、大思路、大情境和大問(wèn)題統(tǒng)領(lǐng)物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)[J].中學(xué)物理，2020，38（05）：2-7.

[2]張玉峰.基于學(xué)習(xí)進(jìn)階的物理單元學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì)[J].課程·教材·教法，2020，40（03）：57-65.

[3]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-01-28）