單元教學視角下高中物理課時教學探討

收稿日期：2023-12-04

作者簡介：李娟（1982-），女，中學一級教師，主要從事中學物理課堂教學研究。

摘" "要：單元教學和課時教學相互依存。以探究彈性勢能表達式為例，從單元視角創設問題情境、建構新概念、遷移舊知識進行理論探究、建構勢能大概念，每一個環節都是在單元教學指導下開展。從單元視角讓學生經歷認識能量、理解能量的轉化、學會表征能量的一般思路、抽象提取大概念等過程，逐步在課時教學中落實單元任務，發展學生的物理學科核心素養。

關鍵詞：單元教學；核心素養；彈性勢能

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）4-0016-5

物理學科核心素養是學生在接受物理教育的過程中逐步形成的面對未來挑戰所需要具備的正確的價值觀、必備品格和關鍵能力，是帶有物理學科特性的品質［１］。教育教學研究表明，以物理學科大概念為核心的單元教學是促進課程內容結構化，引領學生深度學習，發展核心素養的有效途徑［２-３］。單元教學設計是讓教師站在學科整體和學生素養的角度審視每一節課的地位和作用，突出學科知識之間的聯系，減少知識的碎片化。受限于學校教學仍會以“課時”為時間單位組織教學，所以整合后的單元教學仍要轉化為課時教學［３］。如何從單元視角規劃課時教學內容，避免傳統課時教學碎片化問題，本文以探究彈性勢能表達式為例，進行一些嘗試。

１" " 教學分析

全面的教學分析是課堂成功的關鍵。單元任務分析為課時教學提供規劃和指導。準確的學情分析為制訂和突破課時教學重難點提供支持。

１．１" " 機械能守恒定律單元任務分析

能量的開發和利用具有重要意義，而能量的轉化或轉移是實現能量開發和利用的手段。本單元揭示了上述認識的可能性和方法論。本單元通過繼續研究各種形式的機械運動，從功和能的角度開辟解決力學問題的新途徑，形成初步的能量觀念，發展模型建構、科學推理、科學論證、方案設計、交流評價等素養，為后續學習電磁能、內能等知識打下基礎。通過核心問題整合本單元的知識內容和思維如表１所示。

１．２" " 探究彈性勢能表達式在本單元中的功能和地位

《普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）》對本內容的要求為定性了解彈性勢能［１］，并不要求掌握彈性勢能表達式。主要原因是能夠發生彈性形變的物體眾多，如彈簧、跳高用的撐竿、跳水比賽使用的跳板、蹦床等。這些物體發生彈性形變后，都具有彈性勢能，但彈性勢能的表達式并不完全相同，都比較復雜。也就是彈性勢能表達式不像重力勢能表達式、動能表達式那樣具有普遍性。

本單元的大概念是能量及其轉變。核心概念是機械能、功能關系。重要概念是動能定理、機械能守恒定律。基礎概念是功、功率、重力勢能、彈性勢能、動能。教材［４］中提到彈性勢能可以和其他能量相互轉化，在只有重力或彈力做功的物體系統內機械能總量保持不變。彈力做功的物體系統機械能守恒僅是通過類比得到的定性認識，從定量上并沒有給出，學生感受不深，容易混淆。

基于單元整體分析重新給本節課定位：本節課是學習完重力勢能后，對勢能的進一步拓展。不是以得出彈性勢能表達式為重點，而是重在彈性勢能表達式的探索過程，在探索中再次感受功和能的緊密聯系。通過對彈性勢能表達式的理論探究過程，從現象到規律，從定性到定量，從提出問題到解決問題，將前面學習的知識和方法遷移到新情境中，讓學生“構建知識”，形成“科學觀念”，領悟“科學研究方法”，為研究其他能量表達式提供一般化的研究思路，從而實現深度學習，發展物理學科核心素養。

１．３" " 學情分析

學生已經掌握了恒力做功的相關計算。初步掌握了科學探究的一般方法。從知識上已經認同“功是能量轉化的量度”的觀念，從方法上已經知道研究重力勢能是從重力做功入手，具有一定的認知遷移能力。

基于大量的生活經驗，學生對發生彈性形變的物體具有能量并不陌生。通過對速度及勻變速直線運動位移的學習，學生知道了微元思想和極限思想，但將這些物理思想遷移到變力做功時，仍有難度，對學生來說具有一定的挑戰性，需要教師進一步引導。

２" " 教學目標

以落實本單元要求的物理學科核心素養為目標，結合本節課的功能定位和學情分析設計本節課教學目標（表２）。

３" " 教學過程

任務分解如圖１所示。

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圖１" 探究彈性勢能表達式任務分解圖

３．１" " 構建彈性勢能的概念

問題情境：展示6幅圖片，張緊的弓、彎曲的撐竿、蹦床比賽、懸崖上的石頭、飛行的Ｃ９１９、被壓縮的彈簧。問題設置如表３所示。

教學探討：

單元教學視角下課時教學環節設計：

張緊的弓、彎曲的撐竿、凹陷的蹦床、被壓縮的彈簧具有彈性勢能，懸崖上的石頭具有重力勢能，飛行的Ｃ９１９具有動能，這些能量對應本單元需要學習的幾種能量，也包含不同能量間的轉化。通過熟悉的日常生活現象，引導學生從運動與相互作用和能量兩方面分析問題，讓學生調用先前的經驗：判斷一個物體是否具有能量，看它是否有對外做功的本領。通過６幅圖片的差異化，引出本節課的主題，培養學生抽象概括的能力。

教學活動建議：

６幅圖片都和能量有關，切合本章主題。張緊的弓、彎曲的撐竿、蹦床比賽可選取我國體育健兒在賽場比賽的場景，體現我國對奧林匹克體育精神“更快、更高、更強、更團結”的追求。飛行的Ｃ９１９，體現我國科技綜合實力。這些都能增加學生的民族自豪感和自信心。通過對能量的分類，引出彈性勢能的概念，通過提出科學問題，引導學生樹立問題意識，走向深度學習。

３．２" " 定量探究彈性勢能表達式

問題情境：張緊的弓、彎曲的撐竿、凹陷的蹦床、被壓縮的彈簧，問題設置如表４所示。

教學探討：

單元視角下課時教學環節設計：

能量比較抽象，不好直接研究。本單元處理的思路是：找到對應力的功，利用“功”量度特定的能量變化，從而確定能量的表達式。問題（２）是讓學生想到可以通過研究彈力做功來研究彈性勢能大小。將研究重力做功和重力勢能的關系的方法遷移，進而構建彈力做功和彈性勢能變化之間的關系，這一方法也是后續探究動能、引力勢能、電勢能等能量的基本方法，為后續學習提供思路。問題（３）通過選擇研究對象，讓學生知道物理學研究的方法之一是從簡單到復雜。

教學活動建議：

問題（１）可以讓學生討論交流寫出不同問題聚焦的關鍵詞，從而總結出哪些是共性問題，哪些是個性問題，引導學生學會篩選并聚焦問題。問題（２）可以讓學生通過回憶、思考、討論交流明確求解能量表達式的一般思路，學生一般將對應力的功誤認為是對應能量的表征，教師還需引導學生理解過程量和狀態量的區別和聯系，從而準確理解能量表征和對應力做功的區別。

３．３" " 理論探究彈簧彈力做功的表達式

問題情境１：勁度系數、粗細不同的彈簧（４根）、木塊。

問題情境２：ＰＰＴ 展示情境，將輕質彈簧壓縮，當彈簧的壓縮量為Δｘ時松開手，彈簧將恢復原長并對外做功（圖2）。已知彈簧勁度系數為ｋ。問題設置如表５所示。

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圖２" 壓縮的彈簧對外做功

教學探討：

單元教學視角下課時教學環節設計：

猜想不是漫無目的的，而是基于一定的觀察和實驗事實。為了得到普遍性的結論，需要考慮所有可能的因素。猜想又為實驗提供支持。

問題（３）（４）通過彈簧將小球彈出去，降低學生對情境理解的難度，同時產生認知沖突，讓學生恒力做功的概念失穩。類比勻變速直線運動求位移的方法，利用微元將變量轉化為恒量求解。當表達式求解遇到困難時，可以嘗試從圖像角度，讓學生明確同一個規律的不同表征方式。

教學活動建議：

問題（１）（２）可以讓學生通過觀察和簡單的實驗作出猜想，為定量探究作準備。問題（３）引導讓學生從表達式的角度遷移功的計算方法。問題（４）先讓學生對問題（３）的表達式進行評價，在此基礎上交流發現恒力和變力的區別，恒力功的表達式不能直接遷移，問題進一步轉變為如何研究變力功的問題。最后，教師引導學生歸納總結體現的物理學思想方法——微元思想、極限思想。

３．４" " 構建勢能大概念

問題情境：重力勢能、彈簧彈性勢能表達式。問題設置如表６所示。

表６" 勢能大概念問題及素養目標

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教學探討：

單元教學視角下課時教學環節設計：

勢能既是本單元的重要概念，也是本節課的大概念，它也為后續學習其他勢能打下基礎。通過對不同的基礎概念進行抽象概括形成上位概念，使學生的知識學習不斷地由碎片化走向結構化，思維逐漸從新手型向專家型過渡。

教學活動建議：

讓學生觀察圖片和表達式，總結二者的特征。在觀察中學生認識到重力勢能是由地球和地球上物體的相對位置決定的，彈性勢能是由發生彈性形變的物體各部分間的相對位置決定的。進而引導學生提煉關鍵詞，建立勢能大概念。

4" " 小" 結

單元教學與課時教學相互依存，單元教學為課時教學提供整體規劃，課時教學的落實又反過來影響單元目標的達成。在教學過程中，先整體規劃好單元任務及目標，能讓教師站在全局的角度審視每一課時的任務和目標，使得課時教學更加清晰，也能更好地落實學生的物理學科核心素養。

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２０２０年修訂）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０：１５．

［２］張玉峰．以大概念、大思路、大情境和大問題統領物理單元教學設計［Ｊ］．中學物理，２０２０，３８（５）：２－７．

［３］頓繼安，何彩霞．大概念統攝下的單元教學設計［Ｊ］．基礎教育課程，２０１９（１８）：６－１１．

［４］人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心．普通高中教科書物理必修第三冊［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０２３：９１－９２．

（欄目編輯" " 趙保鋼）