羅鑰蓮

摘 要：大概念視角下的單元教學是推動普通高中新課程實施落地，落實核心素養(yǎng)的重要途徑。單元教學是依據(jù)課程標準和統(tǒng)編教材，確立單元教學目標并提煉學科大概念建構(gòu)知識體系、創(chuàng)設情境與問題、設計學習活動與任務和基于素養(yǎng)進行評價的一種教學模式。本文以“功和機械能”教學為例，介紹大概念視角下的單元教學實踐與思考。

關鍵詞：大概念;單元教學;真實情境;問題設計;學習活動;單元評價

《普通高中物理課程標準》（2017年版）（以下簡稱《課程標準》）在教學內(nèi)容上以學科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領，使課程內(nèi)容情境化，促進學科核心素養(yǎng)的落實[1]。現(xiàn)在我國基礎教育改革更加強調(diào)學生在真實情境下豐富的學習經(jīng)歷、核心素養(yǎng)的培養(yǎng)，變關注“零散知識點設計”為關注“單元教學設計”，更加強調(diào)大概念下更具整合性的單元教學。單元教學從整體進行教學設計，重視知識間的聯(lián)系，減少知識碎片化現(xiàn)象，建立以學科大概念為中心的結(jié)構(gòu)化知識，有利于學生建立物理基本觀念。核心素養(yǎng)的發(fā)展是以情境為載體，知識包裹在情境中，單元教學設計需要創(chuàng)設聯(lián)系實際、與學生有關的問題情境，學生通過不斷的學習探究，完成一個個具體的任務從而解決問題，促進知識技能的發(fā)展，讓學生建構(gòu)體系更加完整、結(jié)構(gòu)更加清晰的知識結(jié)構(gòu)，促進核心概念與學科觀念的發(fā)展。本文以魯科版高中物理必修第二冊第1章“功和機械能”單元為例淺談大概念視角下單元教學設計流程，先基于《課程標準》和統(tǒng)編教材，整體審視教學內(nèi)容，確定單元教學目標并提煉單元大概念，厘清單元知識脈絡，建立單元知識結(jié)構(gòu)圖，再創(chuàng)設單元教學大情境，提出單元大問題和基本問題，進而設計單元學習活動，最后建立概念規(guī)律并解決問題，整個活動過程貫穿教學評價。即以情境引問題、以問題導活動、以活動學新知、以知識析問題、以應用提素養(yǎng)。

一、大概念的內(nèi)涵和意義

大概念，是學科知識背后隱藏的更本質(zhì)、更核心的概念或思想，它反映學科基本知識結(jié)構(gòu)和思維結(jié)構(gòu)，能對零散概念進行統(tǒng)一，是學習本學科的基本出發(fā)點和最后歸宿。大概念是在大量事實基礎上抽象出來的深層次、結(jié)構(gòu)化、可遷移的概念，它能夠橫向聯(lián)結(jié)學科間知識，縱向統(tǒng)領學科內(nèi)核心知識，具有高度的概括性、廣泛的適用性和強有力的解釋力，有助于使新的、陌生的概念看起來更熟悉，在學科中發(fā)揮著概念“文件夾”作用[2]。

以“功和機械能”單元為例，本單元承載能量這一大概念。能量大概念是從大量有關能量的自然現(xiàn)象中高度抽象出來，在物理學科中居于重要位置。它包含做功、能量種類及概念、能量轉(zhuǎn)化與守恒多個模塊的物理概念和規(guī)律，強調(diào)知識系統(tǒng)性和關聯(lián)性，要求學生從能量角度分析自然現(xiàn)象、處理真實問題的能力。

二、構(gòu)建單元知識結(jié)構(gòu)圖，整合知識邏輯鏈

大概念引領下的知識結(jié)構(gòu)有嚴格的邏輯框架，它能串聯(lián)相關內(nèi)容，使之成為一個整體，學生更容易內(nèi)化整合所學知識。因此在單元教學的設計過程中，教師要依托學科大概念，依據(jù)《課程標準》要求進行單元教學內(nèi)容分析，對體系內(nèi)的知識進行分級整合，幫助學生建立知識邏輯框架，最終完成單元知識的建構(gòu)過程，逐步建立圍繞核心概念的知識體系。

（一）課標要求

“功和機械能”單元在《課程標準》中屬于“機械能及其守恒定律”這一主題。依據(jù)《課程標準》確定本單元教學目標是：1.物理觀念層面，能理解功、功率、動能、重力勢能，以及動能定理和機械能守恒定律的內(nèi)涵，定性了解彈性勢能;體會守恒觀念;具有初步的能量觀念。2.科學思維層面，能在問題情境中建構(gòu)物理模型，運用能量觀點解決問題;能從不同視角解決動力學問題。3.科學探究層面，能完成驗證機械能守恒定律等實驗，設計方案，獲取數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。4.科學態(tài)度與責任層面，能認識科學規(guī)律的建立需要用實驗證據(jù)的檢驗，能認識到功、能關系對日常生活的影響。

（二）教學內(nèi)容分析

本單元講述功和能概念，以及動能定理和機械能守恒定律。這一單元是牛頓力學的進一步拓展和延伸，在牛頓運動定律基礎上，引入功和能概念，建立功、能關系，為解決力學問題開辟新路徑，也使學生對自然界的認識更加深入。通過學習高中物理第一冊運動學和動力學知識，理解力是改變物體運動狀態(tài)的原因;本單元通過研究力在空間上的積累，即做功，體會功是能量轉(zhuǎn)化的量度，使學生對運動觀念和相互作用觀念逐步深入，從而建立能量觀念的過程。在能量大概念中，筆者以運動學和力學為基礎，分析力在空間上的積累，建立功的概念，在能量種類與概念、能量轉(zhuǎn)化與守恒的學習中，依據(jù)功是能量轉(zhuǎn)化的量度定量建立動能、勢能概念，動能定理和機械能守恒定律，聚焦并整合功、能關系，讓學生逐步理解能量大概念，形成能量觀念。

三、創(chuàng)設單元教學情境，以情境引問題

單元教學設計不是單純知識點的傳授與技能訓練的安排，而是基于《課程標準》要求創(chuàng)設真實的、富有挑戰(zhàn)性的教學情境，再從情境中提出問題，接著再問題解決建構(gòu)新知識并培育學生的核心素養(yǎng)。創(chuàng)設單元教學情境，就是要關聯(lián)教學內(nèi)容與真實問題，讓學生深入情境中，激發(fā)學生參與學習的動力。設計單元問題就是要圍繞大概念，將問題融入生活情境，引導學生對這些真實問題進行思考和探究，將學生的學習引向深入，做到學以致用;學生的學要在解決問題過程中建構(gòu)知識、發(fā)展素養(yǎng)，達到用以致學的目的[3]。在“功和機械能”單元教學設計中，以自制的動力小車大情境為鏈接，以怎樣改進裝置提高小車速度問題為指引，再圍繞大問題將它分解為若干個子問題而展開。具體內(nèi)容如下：單元大情境——學生自制動力小車，有皮筋動力小車，有重力驅(qū)動小車……學生充分利用廢舊的生活材料，如礦泉水瓶蓋、雪糕棒、橡皮筋、玩具輪子等自制而成（注意：不能使用電機等電能作為動力）。單元大問題——怎樣改進裝置讓動力小車獲得更大的速度，行駛得更快更遠？再設置五個情境問題與五個和教學內(nèi)容相對應的基本問題。問題1：小車為什么能運動起來？請從動力學角度定性分析它獲得的速度與哪些因素有關。力的瞬時效應產(chǎn)生了加速度，那么力在空間上的積累產(chǎn)生了什么效果？——這對應第1節(jié)“機械功”的學習。問題2：觀察實驗比較兩車運動快慢，思考兩車運動快慢與動力做功快慢有什么關系？如何比較做功的快慢？——這對應第2節(jié)“功率”的學習。問題3：動力小車運動過程，有力對它做功。那么怎樣改變動力做功來提高動力小車的速度？動力小車獲得的速度與拉力做功有什么關系？——這對應第3節(jié)“動能定理”的學習。問題4：皮筋動力小車、重力驅(qū)動小車獲得的動能分別是什么能轉(zhuǎn)化而來的？重力驅(qū)動小車中還涉及什么能？皮筋動力小車中還涉及什么能？——這對應第4節(jié)“勢能及其改變”的學習。問題5：請從能量轉(zhuǎn)化角度分析怎么提高動力小車獲得的動能。動力小車的動能和其他能量轉(zhuǎn)化過程有什么關系？——這對應第5節(jié)“機械能守恒定律”的學習。

四、設計單元學習活動與任務，以活動學新知

真實情境創(chuàng)設后，教師還要基于《課程標準》要求，將基本問題和教學內(nèi)容轉(zhuǎn)化為學習活動與任務，在活動與任務的驅(qū)動下學生進行自主探究。通過活動與體驗讓學生動起來，全身心投入學習過程，突出學生主體地位，引發(fā)深度思考。在“功和機械能”單元教學設計中，筆者將設計如下單元學習活動與任務，引導學生逐層深入探究問題，完成知識的系統(tǒng)掌握。

活動1——探究：人斜拉行李箱前行，拉力方向與物體運動方向不共線，如何計算拉力做功？

活動2——探討：如何理解正功、負功？將“功”類比“功勞”。

活動1和活動2對應第1節(jié)“機械功”，安排2個課時。人拉行李箱是生活中常見的一個情境，引導學生建立物理模型，運用矢量分解思想，分解力或位移，再利用等效思想，推導得出機械功的一般計算式，發(fā)展學生科學思維能力。繼續(xù)用該情境，大人前面拉箱子，小孩后面拖住箱子，幫助學生理解正功、負功的含義。

活動3——探究：建筑工地上有三臺起重機A、B、C將重物吊起，它們的工作情況記錄是：被吊物體重量分別為2.0×103N、4.0×103N、1.6×103N，勻速上升速度分別為4m/s、3m/s、2m/s，上升的高度分別為16m、6m、20m，所用時間分別為4s、2s、10s，請分析下面的問題：

（1）三臺起重機哪臺做功最多？

（2）哪臺做功最快？怎樣比較做功的快慢？

活動4——分析實例：上一節(jié)人斜拉行李箱前進情境中，若箱子經(jīng)過t時間通過的位移為s，求這段時間拉力F做功的功率。

活動5——探討：汽車上坡，為什么要換低速擋？

活動3、活動4和活動5對應第2節(jié)“功率”，安排2個課時。用表格呈現(xiàn)工地上三臺起重機吊起重物的數(shù)據(jù)，引導學生運用比值定義法建立功率概念，再學以致用，用分析人斜拉行李箱問題，推理分析得出功率與力、速度之間的關系，加深學生對功率的理解，實現(xiàn)學習進階。汽車上坡?lián)Q低速擋是生活中常見的情境，學生通過討論這個問題，很好地進入機車啟動問題的學習。

活動6——體驗：展示圖片，感受動能大小與哪些因素有關第一組圖片：飛針、子彈分別擊穿玻璃;第二組圖片：鉛球、粉筆分別朝我們飛來。

活動7——探究：分析下面四個情境，推導功與速度之間的關系。

（1）質(zhì)量為m的物體初速度為v1，在與運動方向相同的恒定外力F作用下，沿光滑水平面運動了一段位移s，速度變?yōu)関2[4]，推導外力做功與v1、v2的關系式。

（2）一個初速度為v1，質(zhì)量為m的物體，在水平粗糙面上受到摩擦力f的作用下，發(fā)生一段位移s，速度減小到v2。

（3）一個初速度為v1、質(zhì)量為m的物體，沿光滑斜面運動一段位移L，速度變?yōu)関2。

（4）一個初速度為v1、質(zhì)量為m的物體，在與運動方向相同的恒定外力F作用下，沿粗糙水平面運動了一段位移s，速度變?yōu)関2，其過程中受到的摩擦力為f。

活動6和活動7對應第3節(jié)“動能和動能定理”，安排3個課時。先展示兩組有很強視覺沖擊力的圖片，增強學生的感性認識，認識動能大小影響因素。再對四個情境進行分析推導，分別得到力做功和某種能變化的關系式，進而引導學生建構(gòu)動能的表達式，發(fā)展學生科學思維能力，建立動能概念和動能定理。

活動8——探究：分別計算以下三種情況小球從A點運動到B點過程重力所做的功。

活動9——探究：展示撐竿跳高、射箭等圖片。

活動8和活動9對應第4節(jié)“勢能及其改變”，安排2個課時?；顒?中選取豎直、斜向、曲線三個典型的運動情形，分析重力做功，不僅得出重力做功的特點，還建立重力勢能表達式和重力做功與重力勢能變化的關系?；顒?用學生感興趣的撐竿跳高的圖片等帶領學生建立彈性勢能概念以及彈力做功與彈性勢能變化的關系。

活動10——體驗：學生體驗重錘碰鼻實驗，并展示機械能轉(zhuǎn)化的生活實例圖片。

活動11——探究：分析下面三個情境中兩位置機械能的關系。

情境1：一質(zhì)量為m的小球自由下落、水平拋出或豎直上拋，經(jīng)過高度為h1的A點時速度為v1，經(jīng)過高度為h2的B點時速度為v2，試寫出小球在A、B兩點的機械能EA和EB，并找出EA和EB之間的數(shù)量關系。

情境2：質(zhì)量為m的小球，沿光滑的斜面從A點滑到B點，A、B點機械能還守恒嗎？如果斜面粗糙呢？

情境3：證明小球在壓縮彈簧的過程中機械能守恒，小球與桿之間的摩擦忽略不計。

活動12——分析實例：分析皮筋動力小車和重力驅(qū)動小車的機械能是否守恒，在什么條件下守恒。

活動13——分析探討：將重力驅(qū)動小車情境簡化，一根輕繩跨過一個光滑的定滑輪，繩兩端連接質(zhì)量分別為mA、mB的兩物體，不計空氣阻力，A加速豎直下降，B加速豎直上升h的過程中，A的機械能守恒嗎？B的機械能守恒嗎？A、B系統(tǒng)的機械能守恒嗎？

活動14——拓展探究：得出機械能守恒定律的轉(zhuǎn)化表達式和轉(zhuǎn)移表達式。

（1）活動13情境中，A的機械能怎么變化？B的機械能怎么變化？滿足什么關系，試著列出關系式。（2）系統(tǒng)的動能怎么變化？系統(tǒng)的重力勢能又怎么變化？滿足什么關系，試著列出關系式。

活動15——挑戰(zhàn)試試：某班級教室里總?cè)藬?shù)保持不變，現(xiàn)在人員變動如下：教室外有A個男生進入教室到一組后該組人員不動，其他組男生出去B個;女生出去C個后再進入D個。試試你能又快又準列出幾個關系式，并說明式子含義。

活動10到15對應第5節(jié)“機械能守恒定律”，安排3個課時?；顒?0中重錘碰鼻實驗驚險刺激，學生親身體驗，感受到守恒量，建立機械能概念。活動11中情境1只受重力，情境2除受重力還有支持力，如果斜面粗糙還有摩擦力作用，情境2只有彈簧彈力做功，對三個情境進行分析得出機械能守恒的條件和機械能守恒定律的內(nèi)容?；顒?3和14幫助學生建立機械能守恒定律守恒、轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移三種視角下的表達式?；顒?5通過生活數(shù)學題類比，幫助學生深度理解三種表達式內(nèi)涵。

活動16——拓展提升：活動13情境中，A的機械能不守恒，分析A的機械能的變化量與繩拉力對A做功的關系。

活動17——整合深化：梳理整合本單元所學習的功、能關系。

活動18——分組實驗：驗證機械能守恒定律。

活動19——動手操作：充分運用本單元所學知識改進自制動力小車，使它獲得更大的速度，并做一份詳細的說明報告。

活動16可引導學生建立機械能變化量與除重力外其他力做功的關系?；顒?7是本單元進階式學習的最高點，建立功、能關系，建構(gòu)核心概念，形成能量觀念?；顒?9是一個實踐性活動，解決開始的單元大問題，充分運用本單元所學知識改進自制動力小車，使它獲得更大的速度，并做一份詳細的說明報告。整個單元學習活動有序有層次地推進，逐層深入學習知識，解決單元大問題，實現(xiàn)能力提升，發(fā)展素養(yǎng)。

五、基于學科大概念和核心素養(yǎng)，開展單元持續(xù)性評價

在教學活動過程中，教師還要重視開展單元教學評價。單元教學評價，除了評價學生要掌握的知識外，還要評價學生對大概念的理解，以及在真實情境中學生解決問題的能力和核心素養(yǎng)發(fā)展情況。單元持續(xù)性評價方式，一般包含過程性評價和總結(jié)性評價。過程性評價可以反饋教師教的效果與學生學的成效，從而幫助教師調(diào)控教學節(jié)奏，幫助學生有效調(diào)整學習方向?？偨Y(jié)性評價任務主要有測驗、繪制思維導圖和表現(xiàn)性任務三種類型。結(jié)構(gòu)優(yōu)良的習題可以有效地檢測出學生的學習情況，檢驗試題的素材應貼近生活，用真實情境來命題，注重考查學生對實際問題進行物理抽象，用物理語言表達問題，用物理方法建立模型解決問題的能力，以區(qū)別不同素養(yǎng)水平的學生。

一單元結(jié)束時，引導學生繪制思維導圖梳理單元知識，有助于學生建立知識體系。教師制訂思維導圖評價量化表，從書寫、內(nèi)容、制作效果三方面進行評價，每個方面分四個維度：優(yōu)秀、良好、合格、待提高。書寫方面：字跡很工整;書寫很認真為優(yōu)秀;字跡較工整、書寫較認真為良好;字跡一般、書寫一般為合格;字跡潦草，書寫不認真為待提高。內(nèi)容方面：能正確表達有關主題的多個概念及其關系，無知識性錯誤且全面呈現(xiàn)主題的有關內(nèi)容為優(yōu)秀;正確表達有關主題的多個概念及其關系，無知識性錯誤，基本呈現(xiàn)主題的有關內(nèi)容為良好;較準確表達有關主題的多個概念及其關系，只呈現(xiàn)大部分主題的有關內(nèi)容為合格;有個別地方出現(xiàn)知識性錯誤，只呈現(xiàn)部分內(nèi)容為待提高。制作效果方面：結(jié)構(gòu)清晰明了，中心主題下各級副主題數(shù)量合理、布局講究層次且合理運用符號、圖示為優(yōu)秀;結(jié)構(gòu)比較清晰，各級副主題數(shù)量比較合理、講究層次的布局為良好;結(jié)構(gòu)比較清晰明了，各級副主題數(shù)量比較合理為合格;結(jié)構(gòu)有些混亂不清，布局不太合理為待提高。

表現(xiàn)性任務將學習與真實生活緊密聯(lián)系起來，更注重學生的知識應用能力。在“功和機械能”單元結(jié)束時，布置學生實踐活動“改進自制動力小車”，并寫一份詳細的說明報告。在任務開展過程中檢驗學生這一單元學習情況、核心素養(yǎng)發(fā)展情況。教師設計相關的活動評價量化表，從研究問題、收集信息、活動過程、活動效果四方面進行，每個評價方面也是分四個維度。研究問題方面：研究的每個問題都很清晰具體、切實可行，活動目的明確為優(yōu)秀;研究的某個問題清晰具體、切實可行為良好;研究的問題比較清晰具體、基本可行的為合格;研究的問題模糊不清為待提高。收集信息方面：經(jīng)常收集有關資料，并及時整理、歸類、存放為優(yōu)秀;偶爾收集有關資料，并及時整理、歸類、存放為良好;偶爾收集有關資料，但未及時整理、歸類、存放為合格;幾乎沒有收集相關資料為待提高?；顒舆^程方面：活動步驟合理，活動展開有序且能詳細記錄實驗過程的數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)，得出結(jié)論為優(yōu)秀;活動步驟比較合理，準備較為充分，能比較詳細記錄實驗過程的數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)，得出結(jié)論為良好;活動步驟比較合理，活動展開基本有序，能記錄實驗數(shù)據(jù)、大致分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論為合格;基本不清楚活動步驟，活動展開無序，無法分析實驗數(shù)據(jù)為待提高?；顒有Ч矫妫簩W生在教師的指導下自主思考、積極參與，設計操作和解決問題，研究清楚要研究的問題，如果活動過程還發(fā)現(xiàn)了新的問題并獲得了一定的結(jié)論，解決了新的問題為優(yōu)秀;學生在教師的指導下基本能自主思考、設計操作和解決問題，研究清楚要研究的問題為良好;學生在教師的指導下比較積極參與活動，基本能設計實驗、得出結(jié)論為合格;學生活動中積極性不高、不夠主動進行實驗探究，不能得出結(jié)論為待提高。

結(jié)束語

基于“大概念”的物理單元教學設計不僅能夠增強知識的結(jié)構(gòu)化與內(nèi)在聯(lián)系，還有助于形成物理基本觀念，建立知識結(jié)構(gòu)圖發(fā)展學科大概念，落實物理核心素養(yǎng)。它反映知識背后深層次的含義，體現(xiàn)知識間內(nèi)在聯(lián)系。所以，以單元教學設計來統(tǒng)領每一課時的教學，有助于學科核心素養(yǎng)在課堂上落地生根。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-5.

[2]孫春成.基于大概念的高中物理單元復習策略：以“萬有引力和宇宙航行”單元為例[J].中學物理（高中版），2021，39（17）：22-24.

[3]戴小民.大概念統(tǒng)攝下的高中物理單元教學設計與實踐：以“牛頓運動定律”教學為例[J].物理教學，2021，43（12）：10-13，66.

[4]邊秀文.“動能定理”探究式教學設計[J].中學物理教學參考，2003（3）：9-10.

本文系福建省三明市三元區(qū)教師進修學校2021年度立項課題“基于大概念落實核心素養(yǎng)視角下的高中物理單元教學研究”（課題號：JYKT-21027）的階段性研究成果。