大單元理念下的物理復習教學實踐*
—— 以“斜面中的物理”為例

曾 蓉

(宜昌市夷陵區實驗初中 湖北 宜昌 443100)

王 衛

(宜昌市夷陵區教研中心 湖北 宜昌 443100)

《義務教育課程方案(2022年版)》(以下簡稱《課程方案》)的正式發布拉開了第九次基礎教育改革的序幕.《課程方案》明確要求堅持素養導向,準確把握課程要培養的學生核心素養,明確教學內容和教學活動的素養要求,培養學生正確價值觀、必備品格和關鍵能力.強化學科實踐,加強知識學習與學生經驗、現實生活、社會實踐之間的聯系,注重真實情境的創設,增強學生認識真實世界、解決真實問題的能力.推進綜合學習,探索大單元教學,積極開展主體化、項目式學習等綜合性教學活動,推進學生舉一反三、融會貫通,加強知識間的內在聯系,促進知識結構化[1].

《義務教育物理課程標準(2022年版)》(以下簡稱《課程標準》)依據《課程方案》要求,凝練課程所要培養的核心素養,主要包含物理觀念、科學思維、科學探究和科學態度與責任.物理課程核心素養體現了物理課程獨特育人價值和共同性育人要求,形成清晰、有序、可評的課程目標[2].

基礎教育課程改革的主戰場在課堂,改革的成敗關鍵在教師.如何引導教師在課堂教學中落實這些改革要求,將核心素養的發展落地需要給教師們提供一些可以借鑒的范例.以下是在大單元理念下開展“斜面中的物理”復習教學實踐.

1 確定單元主題

1.1 《課程標準》分析

“運動和相互作用”主題的課程內容要求有:知道機械運動及其形式,會測量物體運動速度,通過實驗和科學推理,認識牛頓第一定律[2].

“能量”主題的課程內容要求有:了解能量及其存在的不同形式,認識不同形式的能量可以相互轉化.認識功的概念,知道做功的過程就是能量轉化或轉移的過程.知道動能、勢能和機械能,能舉例說明機械能和其他形式能量的相互轉化,知道能量守恒定律,有用能量轉化與守恒的觀點分析問題的意識.能量是一個最重要的概念,一開始就要引起學生高度的重視[2].

1.2 教材及學情分析

《物理》八年級上冊(以人教版教材為例)第1章學習了運動快慢及勻速、變速直線運動,學會了測量物體在斜面上的平均速度;《物理》八年級下冊第6、7兩章學習了力的作用效果、重力、支持力、摩擦力,用斜面模型探究了阻力對物體運動影響的實驗,初步形成了運動與力的觀念;《物理》八年級下冊第11章學習了功、動能、勢能、機械能,了解了動能和勢能的轉化,機械能守恒,初步形成了能量的觀念,在影響動能大小的實驗探究過程中運用了斜面模型;《物理》九年級全一冊第13、14章學習了內能、電能、化學能等各種形式的能量,并知道各種形式的能量可以相互轉化和轉移.

學生對于運動、力、功、能量及能量的轉化有一定的認識,但是這些物理觀念是零散的,分布在各個知識板塊,學習時間跨度大,沒有形成知識網絡或者知識網絡不完整不清晰,也沒有形成有關功能關系的完整物理觀念,其認識具有片面性、局限性,不成體系.

1.3 單元主題確定

“運動與力”“功與能”的物理觀念是對運動、力、功、能量及能量的轉化這些基本觀念的升華,是力學觀念發展的精髓,是高中物理課程中的重要物理觀念.在復習教學中如何運用大單元、大概念來統領這些內容進行復習提升,需要一個學生熟悉的物理模型作為載體來實現復習教學的真實情境創設.人教版義務教育教科書《物理》在講授機械運動、力、能量、功的這些內容時,多次用斜面模型探究物理規律,并且斜面在生產、生活中廣泛存在,是學生處處可見的真實情境.于是確定單元的學習主題為:斜面中的物理.

本節課借助于真實斜面模型,啟發思考分析,綜合和發展運動、相互作用、能量的物理觀念,幫助學生完善力學認知網絡[3].

2 確定單元學習目標

單元教學目標一定要突出學生的主體性,從發展學生的核心素養考慮.單元教學目標表述應包含這三要素:通過什么方式、學習什么內容和達到什么標高.讓學生知道要學什么、怎么學、學到什么程度,確立學生學習的重點.根據以上要求確定“斜面中的物理”的單元學習目標為:

(1)通過觀察小車在斜面上下滑的過程,猜想其運動特點,能設計實驗驗證其運動特點.

(2)通過分析運動的小車在斜面上、水平面上的受力情況,正確認識運動與力的關系.通過斜面模型回顧探究運動與力關系的實驗,進一步理解科學推理的實驗方法,體會伽利略理想實驗的科學思想.

(3)通過斜面模型分析各個力做功情況,結合做功過程分析能量的變化,并設計實驗探究動能大小的影響因素,能準確領會控制變量和轉換的實驗思想在實驗中的應用,形成做功過程就是能量的轉化和轉移過程的物理觀念.通過斜面模型中的功與能關系的分析,自然生成機械能守恒的條件,完善功與能量的認知網絡.

(4)通過“神奇罐子”中的能量轉化與存儲電能的方式對比,將所學的功和能量的物理觀念進行類比、遷移,體會人類利用能量觀念的偉大壯舉.

3 設計思路

單元學習活動設計的基本理念是“三導三化四環節”.

三導:素養導向、學法導引、評價導學.

基本要求:

(1)教學的方向要以課程核心素養的落地為基本要求,教師要結合學習內容依據課程核心素養的要求確立單元(課時)學習目標,作為教學活動的導向[4].

(2)每一個學習內容都是相關核心素養發展的載體,在單元(課時)教學設計活動時要結合學生的學情選取恰當的學習方法,通過恰當的學法來引導學生完成學習任務發展核心素養.

(3)評價功能是導向、診斷、激勵等,教學評價的本質就是改進教師的教和學生的學,也就是引導整個教學活動,提升課堂教學的育人品質.

三化:知識問題化、問題情境化、教學活動化.

基本要求:

(1)知識變問題,將要學習的知識轉化成一個一個有層次的問題呈現給學生,采用任務驅動學習活動,引導學生經歷概念建構或探索規律的完整過程,促進相應能力的發展.

(2)在教學設計中給這些問題創設一些符合學生認知和事實經驗的真實情境,使學習情境化,讓學生解決真實的問題,從中認識學科課程的價值及其與生活、社會、科技的聯系.

(3)教學設計依據問題的層次性設計成一個一個的活動,從學生已有認識入手展開循序漸進的教學過程,每個活動對應相應的學習目標,并在學習活動中設計相應的自主評價,實現核心素養教學的可教、可評.

四環節教學設計路徑如圖1所示.

圖1 四環節教學設計路徑

4 教學設計舉例

課題：斜面中的物理.

【情境導入】

視頻播放學生熟悉的過山車運動場景,觀察生活中的真實情境導入課題.

裁定可撤訴說主張以可上訴對象作為指向性要素進行二審撤回起訴權利的區分和限制。根據我國民訴法的規定，能夠作為被上訴對象的裁判分為兩類，即判決和裁定。裁定可撤訴說就主張以此作為區分能否在二審程序中申請撤回起訴的依據，即只有在以裁定為對象提起上訴的案件中原審原告享有申請撤回起訴的權利。此種學說主張主要存在于我國司法實踐中，最高人民法院在處理某些案件時就明確持有此種觀點，如最高人民法院審理的神華準格爾能源有限責任公司與中國信達資產管理股份有限公司公司盈余分配糾紛案。

視頻中的過山車運動可以用教室里的小車和斜面來模擬運動進行研究.教師演示小車沿斜面下滑的運動過程.

設計意圖：利用過山車這一真實情景,帶著學生從生活走向物理,通過建立物理模型——斜面,將真實的情境轉化成學生熟悉的物理斜面模型來進行研究,發展學生的科學思維能力.

【學習探究】

目標一：認識物體在斜面上的運動.

學習活動一：學生通過觀察小車在斜面上下滑的過程,猜想速度變化的特點,討論交流設計實驗驗證小車做加速運動.

學生圍繞“測量什么物理量進行比較?”“怎么測量?”“什么樣的測量結果能說明加速?”這3個問題進行思考、交流與展示.

設計意圖：通過情境化的挑戰性任務組織學生積極開展合作、溝通、交流生成實驗方案和辦法.學生圍繞3個問題進行思考、交流與展示,復習鞏固測量平均速度的實驗原理,同時提出新的挑戰,利用復習平均速度測量實驗的同時將其用來解決實際問題,自然生成判斷機械運動的實驗方案,幫助學生樹立機械運動的物理觀念,培養學生的實驗探究能力,發展學生的科學思維.

導問：小車在斜面上的運動是加速直線運動,為什么小車會做加速運動?(過渡到活動二)

目標二：認識物體在斜面上的受力.

問題1：重力使小車加速運動,力改變了物體運動狀態.那物體的運動需要力來維持嗎?為什么?

問題2：小車能在水平面上一直運動下去嗎?為什么?

問題3：小車因為受到摩擦阻力而減速滑行,如果沒有阻力,小車的運動會如何?

問題4：我們如何用實驗來證明不受阻力時小車可以做勻速直線運動呢?不受阻力的情況是不存在的,我們該如何實驗?討論展示實驗方案.

小組討論,交流評估:

(1)能不能換個順序先木板再棉布最后毛巾來探究?為什么?

(2)實驗中需要控制變量嗎?為什么?

(3)如何控制?

問題5：小車在水平面上滑行時,受阻力就做減速運動,在不受阻力時做勻速直線運動,那運動和力到底有怎樣的關系?

設計意圖：以問題為導向,層層深入,探尋運動與力的關系:“哪個力使小車加速下滑的?”啟發思考運動與力的關系——“物體的運動需要力來維持嗎?為什么?”深入思考運動與力的關系——“小車在水平面上滑行時,受阻力就做減速運動,在不受阻力時做勻速直線運動,那運動和力到底有怎樣的關系?”最后再一次對比受阻力和不受阻力時的運動,完善對運動與力關系的理解,發展運動與相互作用的物理觀念.

以問題為導向,設計并評估科學探究活動,深度理解實驗思想.“不受阻力的情況是不存在的,我們該如何實驗?”啟發學生思考得出實驗方案:木板上鋪毛巾→棉布→木板→不受阻力,在逐漸減小阻力的基礎上,進行科學推理得出在不受阻力時運動的小車做勻速直線運動.交流反思中,阻力變大的推理與阻力變小的推理形成了對比,讓學生更深刻地體會到了伽利略理想實驗中科學推理的精髓與妙處.

導問：由于力的原因,小車在水平面上運動的速度減小,反映了小車的什么能量發生了變化?動能還與什么因素有關?(過渡到活動三)

目標三：認識物體在斜面上的能量.

學習活動三：分析小車的能量變化及做功情況,探究功與能量的關系,總結機械能守恒的條件.

問題6：那我們如何借助斜面模型探究動能大小的影響因素?除了斜面軌道和小車外,還需要其他器材嗎?為什么?

問題7：為什么可以這樣比較動能的大小?

問題8：在探究動能和速度關系時,改變什么、控制什么?怎么改變、怎么控制?在探究動能和質量關系時,改變什么、控制什么?怎么改變、怎么控制?

學生討論交流,展示實驗過程.

設計意圖：以問題為導向,進行科學探究活動,深刻體會該實驗中的轉換思想:將小車動能的大小轉換成小車推動木塊移動的距離來顯示.其中隱含的是功與能量的物理觀念:物體能對外做功,就說明物體具有能量,能對外做功越多具有的能量就越大.

啟發學生根據實驗目的、實驗探究方法選擇實驗器材、設計實驗方案,同時通過實驗深化對功與能量關系的認識,深刻領悟物理規律的內涵及相互聯系,發展學生的物理核心素養.

問題9：改變了小車下滑的高度,為什么就能改變小車到達水平面的速度?

問題10：小車在斜面上發生了能量的轉化,是小車所受的重力、支持力、摩擦力3個力中哪個力做出了貢獻,實現了重力勢能轉化為動能的過程?

問題11：動能和勢能統稱機械能.小車推動木塊在水平面上滑行后,最終停下來了,小車和木塊的機械能到哪里去了?

問題12：既然在運動中物體會克服摩擦力做功,摩擦生熱,將機械能轉化為內能.小車和木塊在水平面運動時,怎樣才能實現它們的機械能不變?

師生討論交流得出:當斜面、水平面光滑時,不受摩擦力,沒有克服摩擦力做功,只有勢能和動能相互轉化,機械能就是守恒的.

設計意圖：實驗探究活動中,學生體會到了功與能量有關,但有怎樣的具體關系,學生未知.通過分析斜面上功、能量的變化,啟發深入思考,生成重力勢能轉化為動能是通過重力做功來完成的.通過追問水平面上機械能損失的原因,生成克服摩擦阻力做功將機械能轉化成內能的物理觀念,總結出了機械能守恒的條件.以問題為導向進行科學探究活動,探尋運動與相互作用的關系、功與能量的關系,學生高度參與、深度思維、內化認知,建構力學知識體系,完善力學認知網絡,發展物理觀念.

【知識建構】

如果提問:今天你收獲了什么?建構思維導圖如圖2所示.

圖2 力、運動、功、能量關系思維導圖

設計意圖：通過思維導圖建構力、運動、功、能量的內在聯系,幫助學生建構物理觀念的整體性,聯系生活實際情境問題,培養學生的物理核心素養,實現學科育人目標.

【素養拓展】

“神奇罐子”與電能的儲存.

觀看“神奇罐子”的視頻,說一說“神奇罐子”運動過程中能量的轉化與轉移.思考水力發電獲得的多余的電能可以借助什么能量儲存呢?師生交流得出可以通過化學能、抽水蓄能電站、壓縮空氣能來儲存電能的多種儲能方式[5].

設計意圖：學生能從分析“神奇罐子”中能量的轉化中發現動能可以借助彈性勢能進行儲存,遷移思考水力發電獲得的多余的電能可以借助什么能量儲存呢?拓展了解化學能儲存、山頂抽水蓄能電站、壓縮空氣能儲存電能,體會科技的力量.從生活走向物理,從物理走向社會,以融會貫通的方式對學習內容進行組織,建構知識結構;類比遷移,深入挖掘物理知識中蘊含的育人價值.

5 結束語

本節課設計的問題邏輯性強,學生能夠緊跟問題,深入思考,深度思維,從課堂上學生的互動中促使物理規律生成自然.在大單元教學的理念下,將分散在初中物理各個章節的物理核心知識依據課程核心素養的要求進行整合,按照“三導三化”的教學理念進行大單元整體設計,通過課堂教學的4個環節實踐,學生自主完善認知、對比遷移、應用實踐,促使學生物理核心素養落地.