大單元教學中落實物理學科 核心素養的實踐研究

【摘要】本文以人教版必修第一冊第一章第2節《時間 位移》中的“練習使用打點計時器”實驗教學為例，論述在大單元教學中培養學生物理學科核心素養的途徑，提出采用問題教學法及解決任務的模式逐步突破重難點，綜合運用講授法、示范教學法、問題探究法、實驗探究法以及討論分析法等做法。

【關鍵詞】大單元教學 核心素養 打點計時器

高中物理

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）11-0121-04

運動是非常常見的現象，大到天體，小到原子、電子，均有自己的運動規律。而物體間的相互作用會影響物體的運動。那么“運動”及“相互作用”各自有什么樣的規律，又有什么聯系？高中物理的學習，正是從“運動與相互作用”開始的，并且貫穿整個高中學習過程。高中階段，大單元教學將從以下4個方面建立“運動與相互作用觀”（如圖1所示）。

在高中物理教材中，不同的章節有不同的側重點，彼此又相互支持。教師要引導學生一步一步深入研究，讓學生逐漸建立對運動的基本認識，培養學生解決真實（或準真實）運動問題的意識或習慣。高中物理的學習從運動觀的建立開始，而“練習使用打點計時器”是高中物理第一個學生分組實驗，是學生建立運動觀，從而進一步建立起運動與相互作用觀的開始。好的開始是成功的一半，所以該實驗至關重要。

本文筆者以人教版必修第一冊第一章第2節《時間 位移》中的“練習使用打點計時器”實驗教學為例，闡述在大單元教學中培養學生物理學科核心素養的途徑。

一、教材分析

“練習使用打點計時器”是人教版教材必修第一冊第一章《運動的描述》第2節《時間 位移》中的內容。教材將該實驗放在“時間和位移”的學習之后，讓學生經歷用打點計時器記錄物體運動的位移和時間的過程，促進學生形成物理概念，并增強他們對研究物體運動方法的體驗。“練習使用打點計時器”是學生建立物理學科核心素養中物理觀念的“運動與相互作用觀”經歷的第一個實驗。學生在實驗中初步感知描述物體運動的第一個物理量，即物體位置的變化——位移，初步建立運動觀。同時，該實驗是學生進入高中第一次用打點計時器進行的定量實驗，側重訓練學生操作技能及培養良好的實驗習慣。

二、學情與教學重難點分析

學生在本節學習中首次接觸打點計時器，它的實驗原理、使用方法和數據測量與處理分析也是本節的重點和難點之一。在直角坐標系中表示位置、位移等物理量是學生初次針對矢量進行數形結合學習，而描繪“位移—時間”圖象則是學生第一次用數學圖象描繪物理過程和規律，因而難點表現在數學和物理的結合，即對數學表現形式的物理意義的理解上。

三、教學目標

（一）學生了解打點計時器的基本結構和工作原理，學會使用打點計時器記錄物體運動的位移和時間。

（二）學會設計實驗數據記錄表格。

（三）學會建立“位移—時間”坐標系并選擇合適的分度值進行描點作圖，理解圖象的物理意義，能根據圖象分析物體在一段時間內的位移。

四、策略分析

解決問題學習是探究式教學活動中重要的學習方式之一，它在培養學生分析問題和解決問題等能力方面發揮著十分重要的作用。本節課采用問題教學法及解決任務的模式逐步突破重難點，化整為零，激發學生自主探究的興趣，培養學生的創新能力，提升學生的科學素養。啟發性合作探究模式的教學，綜合運用講授法、示范教學法、問題探究法、實驗探究法、討論分析法，引導學生設計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、在實驗過程中發現問題進而解決問題，最終實現學習目標。

五、教學過程

（一）問題導入，揭示課題

師：描述機械運動就是要描述物體的空間位置隨時間的變化情況。請問生活中有哪些方法或工具能記錄位置（留跡）和時間呢？

（學生逐一回答：照相、鐘表、頻閃照相、打點計時器，等等）

（教師板書：實驗一 練習使用打點計時器）

設計意圖：課本介紹了生活中能夠記錄位置和時間的方法及工具，學生只要提前預習就能回答出教師的提問，而教師也能通過這個問題進一步了解學情，檢查學生的預習情況;同時，這一提問也引出了本節課的課題，達到揭示課題的目的。

（二）介紹實驗內容，初步滲透學科核心素養

教師通過板書呈現實驗目的：一是練習使用打點計時器，二是學會用x-t圖象表示物體的位置隨時間變化的情況。接著，教師向學生介紹電磁打點計時器和電火花打點計時器（如圖2、圖3所示）。

師：電磁打點計時器工作電壓為交流4—6 V，通過振針和復寫紙打點;電火花打點計時器工作電壓為交流220 V，脈沖電流經放電針、墨粉紙盤放電實現打點。

設計意圖：介紹兩種打點計時器的構造及打點原理，引導學生觀察其異同，重點對比其區別，加深印象，培養學生的物質觀念;讓學生現場觀察實驗桌上擺放的是哪一種計時器，學以致用，增強物理學習的成就感;溫馨提示學生用電安全，培養學生的科學態度與社會責任。

教師向學生講解打點計時器的作用：一是測時間。當電源頻率為50 Hz時，打點計時器每隔0.02 s秒打一個點。二是測位移。打點計時器能夠按照相同的時間間隔在紙帶上連續打點。如果把紙帶和運動的物體連在一起，紙帶上各點之間的距離就表示相應時間間隔中物體的位移大小。三是可以通過紙帶研究物體的運動情況。紙帶上的點反映了物體的運動情況，要想研究物體的運動情況，研究紙帶上的點即可。

設計意圖：教師介紹打點計時器的功能與作用，重點介紹打點計時器記錄位置（留跡）和時間的原理，為本次實驗得以順利進行提供可靠的理論依據，培養學生科學論證的核心素養。

師：實驗室給同學們提供的實驗器材已經擺放在實驗桌上了，有電火花打點計時器、小車、導軌、紙帶、刻度尺、坐標紙、鉛筆，請同學們逐一確認并說出每樣器材的實驗用途。

（學生逐一說出每樣器材的實驗用途）

設計意圖：在實驗室條件相對有限的情況下，啟發學生思考實驗室所提供的每樣實驗器材的用途，為實驗操作的順利進行鋪墊。學生領會到在現實條件相對有限的情況下如何充分利用可獲得的器材進行科學探究實驗，體會科研的艱辛與不易，發展嚴謹認真、吃苦耐勞的科學態度。

師：為了實現實驗目標，我們應遵循怎樣的實驗步驟？

（學生思考片刻后，教師開始演示實驗：先固定計時器、安裝紙帶，隨后啟動電源，等打點穩定后，再用手水平拉動紙帶，打完點后立即關閉電源）

設計意圖：教師強調實驗操作要考慮實驗的效果與實驗的便捷性，要保護好實驗器材，為學生做好示范，培養學生的科學態度與社會責任。

（三）分組實驗，在動手中領悟學科核心素養

在實驗探究環節，教師給學生設置了兩個任務。

【任務一】請每個小組在3分鐘內組裝器材并進行第一次實驗，相互協作配合，并及時發現問題，提出解決方案，總結實驗注意事項。

師：時間到，請同學們停止實驗。在同學們實驗時，老師發現了以下典型的問題。第一，打出的點非常密集（利用投影儀展示紙帶），這樣方便測量嗎？

生1：不方便測量點與點之間的距離，相對誤差太大。

師：怎樣操作可以讓打出的點間距更大呢？

生2：拉紙帶要更快一點。

師：第二，打出的點不在同一條直線上，而我們研究的是直線運動，要怎樣拉才會讓打出的點在同一條直線上？

生3：要平直地拉動紙帶。

（教師板書：注意事項 1.拉動紙帶要適當快一點;2.要平直地拉動紙帶）

設計意圖：教師給予學生試錯的機會，及時發現問題、討論交流，及時解決問題，為后續的實驗成功開展提供保證。學生進行實驗的同時，教師在教室內巡視，一方面指導學生進行實驗，另一方面記錄學生在實驗過程中存在的問題，搜集典型案例，并引導學生就發現的問題進行討論，找出原因及改進措施。該任務培養學生的規劃意識，增強其時間觀念;啟發學生思考，培養學生科學探究的能力，使學生能在他人幫助下制訂科學探究方案，使用實驗器材獲得數據。

【任務二】請每個小組在3分鐘內進行另外三次實驗，并選出打點清晰、間距合適的紙帶。

師：時間到，請同學們停止實驗。獲得合適的紙帶之后，接下來我們需要根據紙帶打點的情況去研究小車的運動情況。為了方便進行定量研究，我們需要確定具體的研究范圍并建立坐標系。

師：（問題1）需要建立幾維坐標系？如何確定坐標系原點及正方向？給大家2分鐘時間進行交流討論，2分鐘后，老師要請同學來回答。

（學生代表回答后，教師引導學生進行交流討論，然后進行總結）

師：把能夠看清的第一個點作為原點O，紙帶運動的反方向為正方向，建立O-x一維坐標系（如圖4所示）。

師：（問題2）需要記錄什么信息？怎么測量？

（學生逐一回答，教師復述并適時追問引導）

師：給紙帶上的點依次編上1、2、3、4……的編號，把原點作為計時起點，用刻度尺測量出這些點到原點的距離x，則位移大小Δx=x。紙帶從原點到第n個點的運動時間為tn=0.02n s（如圖5所示）。

設計意圖：在經過第一次嘗試之后，學生更規范、更有針對性地進行實驗。學生對科學探究產生敬畏之心，增強學生學習物理的興趣，培養學生的科學態度。學生匯報，教師復述并適時追問引導，一方面讓其他學生跟上思路參與進來，另一方面給學生思維設計關卡，引導其反復推敲，加深理解，舉一反三，最終歸納出具體的測量方法，從而突破本實驗的難點。

師：（問題3）實驗過程中要及時記錄信息數據，那么要把信息數據記錄在哪里？

生：實驗數據記錄表格。

師：所以我們要先設計實驗數據記錄表格。在實驗報告的預習部分，同學們已經初步設計了實驗數據記錄表格，老師選取了部分典型代表（如表1、表2、表3、表4所示），請大家一起來評價，指出優點和不足。

（學生代表發言。教師引導學生討論交流后，總結各表格的優缺點。表1編號點個數太少，不足以反映運動情況;表2“實驗次數”“打點數”表意不明;表3設計意圖不清，無法用于實驗數據記錄;表4表達意思明確，相對較好）

師：請同學們根據老師給出的指導意見完善自己的表格。

設計意圖：學生觀察對比多個典型表格，強烈的視覺沖擊讓學生迅速抓住設計數據表格的要點，從而學會設計實驗數據記錄表格，這是科學探究的重要技能之一，也是科學探究過程中獲得證據的必要條件。

師：單純的數據表格還不能形象地反映物體的運動情況。接下來給大家5分鐘時間，請同學們進行測量采集數據，并在坐標紙上建立平面直角坐標系，以t為橫軸，以x為縱軸，描點作圖（如圖6所示）。

（學生作圖。教師在教室巡視，邀請學生代表上臺展示）

師：時間到，請大家停止作圖。下面請小組代表上臺給大家展示他們的作圖，請大家指出各圖的優缺點。

（學生代表發言后，教師總結作圖注意事項：作圖時要選擇合適的分度，分度太小圖太大，分度太大圖太小;應盡量充分利用坐標空間）

設計意圖：借助圖象等數學方法去表征物體運動，鍛煉學生變換物理量的表征方式的能力;學生在評價別人作圖的同時也能發現自身的不足，從而學習他人的優點，學會反思;學生分析數據，發現特點，形成結論，嘗試用已有的物理知識進行解釋，培養學生數據及交流的科學探究的素養。

（四）課堂總結

師：讓我們總結一下，這節課我們學到了什么？

（學生逐一回答，教師復述并運用PPT展示：1.了解了打點計時器原理、作用;2.學會了使用打點計時器;3.學會了用x-t圖象表示物體的位置隨時間變化的情況;4.總結了實驗注意事項）

設計意圖：總結本節課所學到的知識，增強學生的成就感，提升學生對學習物理的興趣，培養學生的科學態度。

大單元教學主張站在更高的層面，整體考慮某個學段，打破教材的編排順序，在教學內容上進行增、刪、補，按照教學的實際需要把學科知識重新規劃整合，綜合設計，有序實施，構建新的教學系統，使其更合理、高效。貫徹新課程理念，提高學生的綜合素質，在教學中培養學生物理學科核心素養，為學生終身學習打基礎，是大單元教學的宗旨。“練習使用打點計時器”這一節課，教師綜合考慮本節內容在高中物理知識體系中的地位和特點、本節內容的知識目標、高一年級學生的認知水平、物理學科核心素養要求等因素，在教學內容上進行了調整，根據實際需要對學科知識進行規劃整合，設計了逐步進階的問題，以貼合不同層次學生物理思維能力的發展需求。本節內容是大單元教學中培養學生物理觀念的第一步，也是至關重要的開始，為學生后續的學習打下牢固的基礎，為培養物理學科核心素養創造可能。大單元教學非一朝一夕之易事，需要一個較長的過程。教學相長，教師需敢為人先，敢于嘗試，不斷從試錯中總結經驗，在實踐中培養學生的物理學科核心素養。

作者簡介：周冬林（1982— ），湖南衡陽人，碩士研究生學歷，高級教師，研究方向為理論物理。

（責編 劉小瑗）