學科核心素養視域下高中物理單元教學設計的研究
——以第三單元“牛頓運動定律”為例

沈志輝

(上海市松江一中 上海 201600)

隨著課改的深化，教育技術的變革，物理學科教學設計研究在不斷推進.但從開展的研究和積累的經驗來看，多數還是針對單一課時內容，學校的教、學、研活動通常還是以課時為單位的備課、上課、聽課、評課等活動為主，忽視課時與課時之間的關聯，較少開展以單元為單位的結構化研究和實踐.

為進一步培育物理學科核心素養，統整課時目標、內容、活動、作業、評價和資源等要素，形成結構化組織的學習單元，高中物理亟需開展基于核心素養的“單元教學設計”研究.

本文從“單元教學設計”的內容和內涵、框架和案例、學科核心素養視域下的單元教學設計的反思等幾個方面加以陳述.

1 內涵和意義

1.1 物理學科核心素養

物理學科核心素養主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”和“科學態度與責任”4個方面的要素構成[1].這4個方面相互依賴、共同發展.物理學科核心素養所具有的整體性和聯系性決定了物理教與學應該強化整體性和聯系性.

有專家提出,通過圍繞大概念的整合設計和基于學習進階的發展規劃來統籌學科核心素養的整體發展[2].該問題聚焦于以整體的視角通過結構化教學設計建構學生的學習過程，因此從單元與整體設計出發，比用傳統單一課時設計更有利于學科核心素養的培育.

1.2 高中物理單元教學設計

鐘啟泉教授指出，“單元設計不是單純知識點傳輸與技能訓練的安排，而是教師基于學科素養，思考怎樣描繪基于一定目標與主題而開展探究活動敘事的活動，目的是為了創造優質的教學[3].”

所以，單元是基于學科核心素養，是整體之中相對獨立但自成體系的組成單位.單元教學設計是整合和落實課程目標和課時目標的關鍵，同時單元教學設計不是單純的知識與技能訓練的安排，而是基于物理學科核心素養，思考基于一定目標與主題而展開的思維體驗和探究活動.其目的是為了跳出零散的知識點拼盤，在整體統整下構建學科知識體系，利于深度學習，提升學習習慣、學習能力和思維能力.

2 框架和案例

2.1 框架

物理學科單元教學設計可從學科特點出發，發揮“單元”相對“課時”整體性、系統性、邏輯性更強的優勢，建立學科核心素養視域下高中物理單元教學設計的框架，其中單元教學任務分析是基礎，單元教學目標是導向，單元教學重點是價值所在，單元教學資源選編服務于教學活動之中，單元重點活動是關鍵，單元作業導引和單元學習評價是基于單元教學目標導向下更好優化教學活動的載體.框架圖如圖1所示.

圖1 學科核心素養視域下高中物理單元教學設計框架

2.2 案例

以高中物理學科的“牛頓運動定律”單元教學為例.

2.2.1 單元教學任務分析

本單元教學內容選自上海科學技術出版社的高一年級物理課本(試用本).本單元學習需要以慣性、直線運動、受力分析、力的合成與分解等知識為基礎，需要具備三角函數等相關數學知識.“牛頓第二定律”是本單元的一個核心內容，也是牛頓運動定律的核心規律之一，它是本單元教學的一個重點.

高一學生已有力和運動相關的一些生活經驗，在初中牛頓運動定律的相關知識也曾學習過，但這些生活經驗和已學知識更多是定性和感性；同時，學生在動手能力、歸納能力和科學探究過程方面還有待加強.在本單元教學中，要關注學習方法的培養，提高學習物理的素養和能力.

在本單元，牛頓第二定律具體地、定量地回答了加速度與它所受外力的關系，以及加速度與物體自身的慣性——質量的關系，因而成為牛頓物理學的核心.

在單元教學重點“牛頓第二定律”的教學過程中，教師要充分考慮在學生已有的對力和質量認識的基礎上，在學生實驗探究了加速度與力的關系、加速度與質量的關系，取得數據、畫出圖像、尋求規律，讓學生通過實驗探究，主動參與，獲得研究問題的體驗和探究問題的樂趣，進而收獲一種習慣，成為一種意識，養育一種能力.

本單元建議8課時，具體的教學安排是：第1課時學習“牛頓第一定律 慣性”，第2，3課時學習“牛頓第二定律”，第4課時學習“牛頓第三定律”，第5，6課時學習“牛頓運動定律的應用”，第7課時學習“從牛頓到愛因斯坦”，第8課時進行單元復習.

2.2.2 單元教學目標

(1)理解牛頓第一定律，感受理想實驗作為一種科學的思維方法.

(2)設計“DIS研究加速度與力的關系、加速度與質量的關系”的實驗，在經歷實驗探究活動中，體驗探究的喜悅，感受科學方法，懂得合作與交流的必要性.

(3)掌握牛頓第二定律.

(4)理解牛頓第三定律.

(5)知道國際單位制，知道牛頓、愛因斯坦對科學的貢獻和經典力學的局限性[4].

2.2.3 單元教學重點

牛頓第二定律，用DIS探究加速度與力的關系、加速度與質量的定量關系，能聯系運動學等規律用牛頓第二定律解決具體實際問題.

2.2.4 單元重點活動

(1)活動屬性(見表1)

表1 關于教學重點“牛頓第二定律”的活動設計

(2)設計思路

從研究小車運動狀態入手，最大化開發和利用所創設的情境，制造認知沖突實現定性地了解：物體的加速度a與合外力F有關，與物體的質量m有關；然后基于DIS實驗，通過小組合作、師生對話，經歷利用DIS定量探究a與F，a與m關系的實驗，初步感受利用圖像處理數據的方法；最終得出牛頓第二定律的內容.

活動要突出的重點：探究并理解a與F，a與m的關系.方法是：通過DIS實驗，采用“控制變量”法，通過分解探究任務、分組合作探究，結合“師生對話”“生生對話”等途徑導航整個探究過程.

活動要突破的難點：在通過實驗，了解a與F,a與m定性關系的基礎上，通過對DIS實驗分解探究內容，進行小組合作學習來突破難點.

(3)活動過程

1)設計

本設計采用情境、探究、應用的模式組織教學，第一環節，情境導入，借境激疑；第二環節，探究互動，尋求規律；第三環節，歸納總結，實際應用.

2)內容與評價

“牛頓運動定律”教學設計內容與評價如表2所示.

表2 “牛頓運動定律”教學設計內容與評價

續表

2.2.5 單元作業導引

筆者一直以來采用的是“三習作業”模式，即以“復習作業、練習作業和預習作業”的線索展開.復習作業主要是運用自行繪制的思維導圖或是學生個性化知識樹的形式，引導學生梳理所學概念、規律與方法，明晰知識脈絡，形成知識框架圖.而知識練習作業主要是精選針對性分層習題和發展性趣味實踐，既實現物理概念規律鞏固與應用的物理觀念，又提升學生分析問題與解決問題的科學思維品質.預習作業旨在幫助學生養成預習習慣，形成自主發現問題的意識.

2.2.6 單元學習評價建議

(1)日常作業評價.可以通過教師評價、學生自評、學生互評、小組合作評價等多元評價，讓學生共同參與評價、參與分析，逐漸實現自我糾錯，幫助他人.

(2)實驗評價.如學生實驗：用DIS探究a與F,a與m的定量關系，以教師和學生評價為主，評價依據是學生小組分工、方案設計、實驗裝置、實驗數據處理及分析過程等，在實驗探究時，教師可對學生活動中的行為、態度等進行評價.

2.2.7 單元教學資源選編

單元教學資源選編是為單元中的課堂教學設計編制提供可參考和便捷的教學資源.教學資源選編就是進行教學資源的二次開發和最大化利用.本單元選編的教學資源主要有實驗資源、媒體資源和學習單等.

3 學科核心素養視域下高中物理單元教學設計的反思

基于上述實踐，筆者認為高中物理單元教學設計應至少處理好兩層關系，即“學科知識”與“學科素養”的關系、“單元設計”和“課時設計”的關系.

物理學科知識不等于物理學科素養，但物理學科核心素養的培育離不開物理知識這一載體.在進行單元教學設計中，要基于“單元教學任務分析→單元教學目標→單元教學重點→單元重點活動”這樣一條流程框架，學生在經歷這個系統過程中，生成的不僅是知識、方法和技能，更有情感和素養，從而很好地實現學科育人，落實學科核心素養.

另外，實施物理學科單元教學設計并不是摒棄課時教學設計，相反，它最終還是通過課時教學來實施的.單元教學應該與課時教學功能實現優勢互補，相互支撐，把相對割裂、碎片化的知識有效連接起來，揭示問題解決的關鍵或本質，讓學生知其然更知其所以然.