指向“科學思維”培養的大單元教學設計

賀福　韓田華

摘? ?要：發展學生的科學思維是新課程改革的重要目標之一?？茖W思維應在科學知識的學習過程中引導、激發和孕育出來。“運動的合成與分解”是分析、處理復雜運動的重要方法，是把一個整體的事件分解為幾個要素進行研究，以及把問題的幾個要素合成一個整體進行綜合認識的思維過程，是拆解問題、化繁為簡的思想底蘊，是“分解和綜合”的科學思維。在高三二輪復習課中，關于該科學思維的典型模型不應相互獨立，而應以大單元教學理念為基礎將其串聯起來，以整體性、綜合性、連貫性思考，對幾個模型進行有邏輯性、結構化的整合，層層遞進，相互補充，在與學生共同探究的過程中加深對“分解與綜合”科學思維的理解和掌握。

關鍵詞：科學思維；大單元教學；分解和綜合；運動的合成與分解

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2024）6-0010-5

新課改提出落實立德樹人根本任務的重要舉措是發展學生的核心素養。物理學科核心素養是中學物理學科教育價值的凝練，主要由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任構成，引領著基礎教育階段物理課程的發展方向。

“科學思維”是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，是基于經驗事實構建物理模型的抽象概括過程，是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用?！翱茖W思維”主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素［１］。

大單元教學是以發展學生學科核心素養為追求，運用綜合性和一體化思維對單元內容有邏輯地進行整合，設計任務情境，讓學生在習得知識和技能的同時發展概念性理解，并借助概念的遷移和深度思考培養解決實際問題能力的一種課程組織和實施方式［２］。

１? ? 確定教學目標

“運動的合成與分解”是把一個整體的事件分解為幾個要素進行研究（總—分），以及把問題的幾個要素合成一個整體進行綜合認識（分—總）的思維過程，是“分解和綜合”的科學思維，是拆解問題、化繁為簡的思想底蘊。高三二輪復習是在第一輪復習的基礎上，對高考知識點進行鞏固和強化，側重于“鞏固基礎、完善體系、綜合應用、提高能力、形成思想”，是學生能力和學習成績大幅度提高的黃金階段，特別需要重視知識的網絡化、系統化的建構，這與大單元教學的理念相互契合。

目標一：能自主歸納、整理高中階段關于“運動的合成與分解”的知識點和題型，并將其形成有邏輯性、系統化、網絡化的有機整體。

目標二：能在不同的情境中靈活地選擇運動的合成或運動的分解；能根據不同的情境靈活地選擇分解的方向；能根據不同的情境靈活地選擇分解的運動形式。

目標三：凝練和發展“分解與綜合”的科學思維，并能將其運用于解決實際問題。

在二輪復習中，小船渡河、關聯速度、（類）平拋運動和（類）斜拋運動等典型模型，不應是相互獨立的知識點，而應以大單元教學理念為基礎將其串聯起來，以整體性、系統性、連貫性的思考，對幾個模型有邏輯、結構化地進行整合，層層遞進，相互補充，在與學生共同探究的過程中，鞏固和加深對運動的合成與分解的理解，凝練“分解與綜合”的科學思維。

２? ? 整合、設計教學內容

高中物理涉及運動的合成與分解的主要模型和知識有小船渡河（最短時間、最小位移）、關聯速度（繩關聯、桿關聯、接觸關聯）、平拋運動（光滑斜面、恒定電場類平拋、斜面上平拋的最遠距離問題）、斜拋運動（光滑斜面、電場中類斜拋）、其他模型（可分成勻速直線運動和勻速圓周運動的模型），具體歸納整理如圖１所示。

３? ? 具體實施步驟

３．１? ? 課時安排

課時安排如表1所示。

３．２? ? 第１課時教學實施部分環節

教師：為什么一個運動可以看成兩個分運動，合運動和分運動有什么關系？

意義：引導學生深入體會等效替代的思想，體會“分解與綜合”的本質是等效替代，等效替代法是科學研究中重要的思維方法，等效替代法的核心思想是將復雜的物理問題等效為簡單的模型。通過將物體、系統或過程簡化為等效模型，可以避免對細節的過多關注，從而更加專注于問題的本質。等效替代法可以應用于各種物理問題和研究領域，具有普遍的適用性。

教師：讓學生自主整理、歸納高中物理中涉及運動的合成與分解的典型模型和知識，有利于學生對知識之間的聯系作整體研究，按照邏輯結構將其整合起來，也就是以“運動的合成與分解”的線，將“小船渡河、關聯速度、平拋運動、斜拋運動和其他模型等”以“以線串珠”的方式連接起來，形成整體，構建系統，為后面凝練“分解與綜合”的科學思維打下基礎。

意義：整理知識的過程，可以讓學生加深印象，提升對知識把握的信心；同時，從局部來看，可以通過仔細分析知識點之間的聯系和區別找到各個知識點的特點，提升知識運用的速度和準確度；從整體來看，可以找出每一個知識點在整體中的作用，比如小船渡河模型主要讓學生體會運動合成的魅力，關聯速度主要考查運動的分解能力，平拋運動、斜拋運動主要培養學生能夠在不同的情境中，根據已知條件和問題選擇合適的分解方向，從而簡化問題。在這個過程中，反復體會“分解到綜合，綜合到分解”的過程，最后將“分解—綜合”上升為一種科學的研究問題的思維方法。

3.2.1? ? 小船渡河——運動的合成

例１ 如圖２所示，某次解救溺水人員的行動中，消防員駕駛小船救人，假設江岸是平直的，江水的流速ｖ＝３ ｍ/ｓ，小船在靜水中的航速ｖ＝５ ｍ/ｓ，消防員救人的地點Ａ離岸邊最近點Ｏ的距離為１００ ｍ。

（１）若小船想通過最短的時間將人送上岸，求最短時間和上岸點與Ｏ點的距離；

（２）若消防員想通過最短的航程將人送上岸，求小船的船頭朝向和上岸時間；

（３）如果ｖ＝５ ｍ/ｓ、ｖ＝３ ｍ/ｓ，那么第（２）問中的答案又是怎么樣？

意義：小船渡河是運動的合成與分解的典型模型，小船的實際運動由船在靜水中自身的運動和船被水流推動的運動合成得到，因此主要使用運動的合成來處理。

3.2.2? ? 關聯速度——運動的分解

兩物體通過繩子、桿或者直接接觸聯系在一起，兩個物體的運動是有聯系的；以繩子為例，繩子的長度不變，一端沿繩伸長多少，另一端就會沿繩子縮短多少，也就是兩端沿繩子方向分運動一樣，分速度相同；因此，可以將兩端物體的實際運動進行分解，一個為沿繩子方向的運動，一個為垂直于繩子方向的運動。桿同繩子一樣，長度不能變化，因此也是兩端沿桿方向分運動相同。最后，關于直接接觸的兩個物體，因為在運動過程中總在一起，沒有分離，也就是在接觸面垂直方向的運動是一致的，所以可以將兩個物體的實際運動沿接觸面垂直方向和平行方向進行分解。對這三種模型的分析和理解，可以讓學生體會到朝不同方向分解的作用和意義，加深對運動合成與分解的理解。

（1）繩關聯

例２ 如圖３所示，Ａ、Ｂ兩球分別套在兩光滑無限長的水平直桿上，兩球通過一輕繩繞過一定滑輪（軸心固定不動）相連，某時刻連接兩球的輕繩與水平方向的夾角分別為α、β，Ａ球向左的速度為ｖ。下列說法正確的是（）

Ｃ．當β增大到等于９０°時，Ｂ球的速度達到最大

Ｄ．在β增大到９０°的過程中，繩對Ｂ球的拉力一直做正功

（2）桿關聯

例３? 如圖４所示，斯特林發動機的機械裝置可以將圓周運動轉化為直線上的往復運動。連桿ＡＢ、ＯＢ可繞圖中Ａ、Ｂ、Ｏ三處的轉軸轉動，連桿ＯＢ長為Ｒ，連桿ＡＢ長為Ｌ（L>R），當ＯＢ桿以角速度ω逆時針勻速轉動時，滑塊在水平橫桿上左右滑動，連桿ＡＢ與水平方向夾角為α，ＡＢ桿與ＯＢ桿的夾角為β。在滑塊向左滑動過程中（）

Ａ．滑塊從右向左先做加速度減小的加速運動，后做加速度減小的減速運動

Ｂ．當ＯＢ桿與ＯＡ垂直時，滑塊的速度大小為ωR

Ｃ．當ＯＢ桿與ＯＡ垂直時，滑塊的速度大小為

Ｄ．當β=90°時，滑塊的速度大小為

（3）接觸關聯

例４ 如圖５所示，長為Ｌ的輕桿ＯＡ的Ｏ端用鉸鏈固定，輕桿靠在半徑為Ｒ的半圓柱體上，接觸點為Ｂ，某時刻桿與水平方向的夾角為θ，半圓柱體向右運動的速度為ｖ，此時Ａ點的速度大小為（）

意義：通過三種模型的不同特點，理解沿特定方向分解的本質原因，也就是解決了“為什么要這樣分解”的問題；知其然亦知其所以然，才能做到舉一反三，以不變應萬變，從而能處理新的問題。

３．３? ? 第２課時教學實施部分環節

3.3.1? ? 平拋運動

例１? 近年來，國家大力開展冰雪運動進校園活動，目前已有多所冰雪特色學校，蹬冰、踏雪深受學生喜愛。如圖６所示，現有兩名滑雪運動員（均視為質點）從跳臺ａ處先后沿水平方向向左飛出，其速度大小之比為ｖ１∶ｖ２＝２∶１，不計空氣阻力，則兩名運動員從飛出至落到斜坡（可視為斜面）上的過程中，求：

（１）他們飛行的時間之比；

（２）他們飛行的水平位移之比；

（３）他們在空中離坡面的最大距離之比。

意義：該題目中要引導學生根據不同的問題情境，恰當地選擇分解的方向，簡化問題；第（１）（２）問中“飛行時間”和“水平位移”分別指豎直方向和水平方向，此時應將平拋運動分解為水平和豎直兩個方向的運動。第（３）問中“離坡面的最大距離”指垂直斜面的距離和方向，因此要調整為沿斜面和垂直斜面兩個方向。

3.3.2? ? 光滑斜面上類平拋

例２? 如圖７所示的光滑斜面ＡＢＣＤ是邊長為ｌ的正方形，傾角為３０°，一物塊（視為質點）沿斜面左上方頂點Ａ以平行于ＡＢ邊的初速度v0水平射入，到達底邊ＣＤ中點Ｅ，則（）

意義：類平拋和下面的類斜拋都是可以用“等效替代”的思想作簡化處理，在這里可以再一次加強和延展。

3.3.3? ? 電場中類平拋

例３? 如圖８所示，勻強電場中有一個與電場平行的長方形區域ＡＢＣＤ，已知ＡＣ＝２ＡＢ＝４ ｃｍ，Ａ、Ｂ、Ｃ三點的電勢分別為１２ Ｖ、８ Ｖ、４ Ｖ。某帶電粒子從Ａ點以初速度ｖ０＝２ ｍ/ｓ，與ＡＤ成３０°夾角射入電場，粒子在ＡＢＣＤ所在平面運動，恰好經過Ｃ點，不計粒子的重力，求：

（１）電場強度大小為多少？

（２）粒子經過Ｃ點的速度為多大？

3.3.4? ? 斜拋運動

例４? Ｕ型池單板滑雪比賽極具觀賞性，是最受歡迎的比賽項目之一，其滑道由兩個四分之一圓柱面軌道和一個處于水平平面的平直軌道平滑連接而成，簡圖如圖９甲所示，其中圓柱面半徑相同，軌道傾角為１７．２°。比賽中，選手從軌道邊緣上的Ｍ點以ｖＭ＝１０ ｍ/ｓ的速度沿軌道的豎直切面ＡＢＣＤ滑出軌道，ｖＭ方向與軌道邊線ＡＤ的夾角為α＝７２．８°，躍起后沿Ｎ點進入軌道。圖９乙為躍起過程的左視圖。視選手為質點，且不計空氣阻力，取重力加速度為ｇ＝１０ ｍ/ｓ２，ｓｉｎ７２．８°＝０．９６，ｃｏｓ７２．８°＝０．３０。求：

（１）選手躍起過程中離開ＡＤ的最大距離ｄ；

４? ? 結? ?論

（1）教學評價是教學的重要環節，教學評價要以核心素養為基本理念，要以教學目標的實現為基本落腳點；教學評價應體現從對“教”的評價轉向對“學”的關注，從注重考查知識記憶和理解轉向注重對思維、探究和問題解決能力的評價，即教學評價標準應立足學生核心素養的具體表現?；诖髥卧砟钤O計運動與合成的二輪復習課，本節課的重要目標是培養學生“分解與綜合”的科學思維素養。因此，從評價方式來看，既要重視知識的掌握，也要重視素養的形成；既要有總結性評價，也要重視形成性評價。

（2）形成性評價是指教學過程中對學生學習情況、目標完成情況進行評價，并基于學情及時進行教學調整。例如，在本教學設計的教學過程中，教師可以充分利用課堂中的提問進行評價，課前進行復習提問，聯結舊知；課中進行設置情境提問，激發思考，深入探究，了解學情，及時調整教學進度和策略。過程性評價需要重視教學過程中的生成性知識，及時把握學生互動中的疑問、反思、問題、總結。

（3）總結性評價是指在教學結束后通過測試、提問、解決實際問題等形式對核心素養的達成情況進行檢驗，總結性評價重視知識的遷移和運用，側重于知識的靈活性和本源性。總結性評價也可以通過提問進行，例如，課堂臨近結束時的總結性提問，或者課后作業的檢驗，或者課后與學生交流。

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．

［２］王新梅．高中物理大單元課堂教學的探索與反思［Ｊ］．考試周刊，２０２３（44）：131-134.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）

收稿日期：2024-02-10

作者簡介：賀福（1988-），男，中學一級教師，研究方向為中學物理教育。

*通信作者：韓田華（1987-），女，中學一級教師，研究方向為中學物理教育。