大單元視域下物理模型學習進階的教學實踐與思考
——以“繩球模型”為例

劉杭州，宋書婷

1.烏魯木齊市實驗學校，烏魯木齊 830026

2.烏魯木齊市第十五中學，烏魯木齊 830026

踐行大單元教學理念，師生必須基于廣闊的視角，站在學科核心素養得以發展的高位，對學科內容進行深層次的整合加工，從而設計良好的教學路徑，以實現學生對物理問題的深層思考和深層理解［1］。踐行大單元教學理念必須理解“大”的含義，大單元之“大”強調的是在大概念的統領下，打破章節的壁壘，整合課程內容，使學生的知識結構化、系統化、網絡化［2］。學習進階是在一個時間跨度內學習和探究某一主題時，依次進階、逐級深化的思維方式［3］。在進行大單元教學設計的過程中，學習進階理論與大單元教學理論不謀而合，相互支撐。物理知識學習的主要載體為物理模型的建構和應用，故探索大單元視域下的物理模型學習進階方法對物理教學有現實意義。以“繩球模型”為例，探討大單元視域下的物理模型學習進階路徑設計。

1 梳理模型應用分布情況，建構模型進階框架

大量物理知識之間具有明顯的階梯性和層級性，所以建構完善的物理模型是一個復雜的過程。學生高中物理學習的過程中，包含了多個模型。梳理出物理模型在各個時間段的研究內容及進階情況，建構模型進階框架，對教師有意識地按照時間線、知識線設計教學內容，輔助學生建構完善的物理模型有重要作用。

“繩球模型”是高中物理的常用模型，在不同的學習階段，其“稱謂”及主要研究的問題是不同的，而且存在明顯的學習進階特點。站在大單元視角，“繩球模型”有效地串聯了動力學、能量、動量等高中物理核心內容。以“繩球模型”的建構為主題，建構基于大單元的進階框架，對教師高效開展教學活動有很好的輔助作用。“繩球模型”在高中階段可以分為五個小類型，分別為“繩球平衡模型”“繩球連接體動力學模型”“繩球圓錐擺模型”“繩球豎直圓周運動模型”“繩球單擺模型”。五類模型按照學習時間線及知識序，存在縱向及橫向交叉的學習進階體系，如表1所示。

表1 “繩球模型”進階框架圖

2 分析模型具體建構過程，形成模型進階體系

基于大單元的物理模型學習進階體系是以物理模型為載體，逐步深入學習物理概念及規律的過程。教師需基于進階框架有意識地輔助學生逐步進階學習，最終建構完善的物理模型，并對模型建構過程中的具體情境及應用進行分析，提出需要解決的核心問題，致力于讓過程具備系統性，從而幫助教師高效開展教學活動。

“繩球模型”的建構經歷了共點力平衡問題、連接體動力學問題、圓周運動動力學定量分析問題；用能量的觀點分析問題；用動量、動量守恒的觀點解釋問題；簡諧運動中的單擺。該進階過程可以窺得高中階段“繩球模型”的全貌，具體的進階路徑如圖1所示。根據“繩球模型”的進階框架，設計進階核心問題，為站在大單元的視角上系統地建構模型指明方向。

圖1 “繩球模型”進階路徑

2.1 “繩球平衡模型”具體建構過程

“繩球平衡模型”（圖2）的建構集中在共點力平衡問題中，按照進階框架主要解決的問題為：（1）小球在重力、繩子的拉力及第三個力的作用下偏離豎直位置后的平衡條件是什么？（2）如何在確定的位置計算拉力及第三個力的大小？（3）如何確定第三個力的大致方向及其最小值的大小及方向？（4）在確定方向的第三個力作用下的動態平衡問題中各個力如何變化？（5）拉力及第三個力大小和方向都變化的動態平衡問題中各個力如何變化？

圖2 繩球平衡模型

2.2 “繩球連接體動力學模型”具體建構過程

“繩球連接體動力學模型”（圖3）的建構主要集中在牛頓運動定律的應用問題中，按照進階框架主要解決的問題為：（1）小球在重力、繩子拉力的作用下偏離豎直位置時，小球做什么運動？（2）小球所受彈力、合外力及小球的加速度有多大？（3）小球的運動和小車之間是什么關系？（4）在不同的情境中（如斜面上），如何分析小球的受力及運動狀態？

圖3 繩球連接體動力學模型

2.3 “繩球圓錐擺模型”具體建構過程

“繩球圓錐擺模型”（圖4）的建構主要集中在圓周運動中，按照進階框架主要解決的問題為：（1）小球在重力、繩子拉力的作用下偏離豎直位置時，為什么可以做圓周運動？（2）什么力提供向心力？（3）如何求解運動中的線速度、角速度、周期等物理量？（4）在不同的情境中（如火車轉彎），如何分析小球（物體）的受力及運動狀態？

圖4 繩球圓錐擺模型

2.4 “繩球豎直圓周運動模型”具體建構過程

“繩球豎直圓周運動模型”（圖5）的建構分為兩個階段，分別為學習了圓周運動知識后的動力學階段和學習了能量知識后的整體階段。按照進階框架主要解決的問題為：（1）小球在重力、繩子拉力的作用下在豎直面內為什么可以做圓周運動？（2）在最高點及最低點，什么力提供向心力？（3）小球能在豎直面內做圓周運動的臨界條件是什么？（4）小球在最高點、最低點的速度、向心力、受到繩子的拉力等物理量間有什么關系？（5）在電場力及重力作用下的圓周運動如何分析？

圖5 繩球豎直圓周運動模型

2.5 “繩球單擺模型”具體建構過程

“繩球單擺模型”（圖6）的建構分為三個階段，分別為學習了圓周運動知識后的動力學分析、學習了能量知識后的能量觀點分析以及學習了簡諧運動后的小角度單擺運動特征分析。按照進階框架主要解決的問題為：（1）小球在重力、繩子拉力的作用下做單擺運動時的運動特征是什么？（2）什么力提供向心力？（3）單擺運動中小球受到重力的功率如何變化？（4）單擺運動中的能量如何變化？（5）做小角度單擺運動時，什么力提供回復力？（6）做小角度單擺運動時，小球的位移、速度、加速度、動能、勢能等物理量如何變化？（7）做小角度單擺運動時，振動的周期、頻率、振幅等物理量如何計算？

圖6 繩球單擺模型

上述“繩球模型”建構中所提出的問題是建構模型的核心問題，也是評價學生學習的量化問題。要解決這些問題，勢必采取合理的課堂活動設計。而要讓學生在頭腦中真正形成對“繩球模型”的成熟認識，必須在高三階段設計微專題，在豐富的情境中，讓學生應用綜合性的知識分析、解決“繩球”模型相關問題，以實現知識的內化與升華。

3 提煉模型建構進階方法，提升學生核心素養

大單元視角下的模型建構進階設計一定是基于整個高中階段的學習內容，根據模型具有的共同或相似特征進行有效整合的過程。首先，教師必須輔助學生建立描述模型的基本概念及相關規律。建構模型的過程是學生所學物理概念、規律的應用、內化、升華的過程，也正是提煉物理觀念的重要過程。其次，設計進階框架并基于進階框架安排課堂教學內容、設計教學方案建構階段性物理模型，體現學生科學思維發展的不同程度。最后，教學中有意識地引導學生尋找不同模型間的關聯，進而讓學生對所學物理模型進行有效整合，形成結構化、系統化的模型集。

4 結語

大單元視角下的模型建構學習進階設計由課程標準和教學實踐所決定。開發大單元視角下的模型建構學習進階方法可以幫助教師設計良好的教學路徑，同時對學生學習進行有效評價，及時發現學生存在的問題和障礙，從而調整教學策略。一線教師必須努力學習，提升個人的專業素養，站在學生核心素養發展的視角建構物理模型的教學方法。