基于核心素養的物理教學單元設計
——以“勻變速直線運動的研究”為例

(1. 江蘇省無錫市輔仁高級中學，江蘇 無錫 214123;2. 南京師范大學，江蘇 南京 210023)

物理核心素養指的是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會需要的必備品格和關鍵能力，是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質，主要由物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面構成。

核心素養理念的提出，要求物理教學要從知識的學習走向能力的培養，要從微觀的課時學習走向中觀的單元設計，指向宏觀的核心素養的培養目標。筆者針對人教版高中物理必修一第二章“勻變速直線運動的研究”，進行了有別于教材的單元設計，并付諸教學實踐。

1 關于本章教材的思考

人們對事物的認知有兩種基本的途徑，一種是從一般到特殊，另一種是從特殊到一般。人教版教材中“勻變速直線運動的研究”這部分內容編寫是從一般到特殊、按照從概念→規律→應用的順序展開的。筆者通過對課標的學習，結合自己的教學經驗和問卷調查，認為傳統的由一般到特殊的教學模式存在以下不足：

(1) 平鋪直敘，缺乏生動的情境，不容易激發學生的興趣；

(2) 從概念出發，缺少與生活的聯系，學生會感到不夠親切；

(3) 學生缺少對認知過程的體驗，學生難以體會到物理學的研究方法。

2 本章單元教學整體設計及思考

為了讓學生經歷伽利略探究自由落體運動、研究勻變速直線運動的過程，學習科學探究和科學思維的方法，發展科學探究能力，筆者決定改變一下學生的學習路徑，按照從特殊到一般的方式組織教學，具體順序調整為：自由落體運動(v0=0，a=g)→初速度為零的勻加速直線運動(v0=0，a為定值)→初速度不為零的勻加速直線運動(v0≠0，a為定值)→勻變速直線運動規律的應用。

這個單元設計采用從“自由落體”開始的順序，基于以下考慮：

(1) 突出物理核心素養的培養。伽利略對落體運動的研究較全面地體現了科學探究的過程，通過這個過程的展示，使學生有身臨其境的體驗：伽利略遇到了哪些困難？他是怎樣克服困難的？運用了哪些方法？

(2) 在物理學發展史中，對自由落體運動的研究有著極其重要的地位，蘊含著豐富的科學思維和科學探究的教育素材。遺憾的是，在過去很長一段時間里，對伽利略的研究不夠重視，后來稍有改善，也只是作為閱讀材料點綴在正文后面，給學生的感覺似乎可有可無，這不能不說是一種嚴重的缺憾。再后來把“伽利略對自由落體運動的研究”作為正文了，但放在全章最后一節，實際教學中教師往往還是當作“閱讀材料”處理的，屬于“可講可不講”的內容。與其如此，不妨把這一節內容放在本章開篇來講，可能會取得更好的教學效果。

(3) 人們對運動的認識通常是從認識具體運動開始的，自由落體運動是一種很典型、很理想的勻變速直線運動?？梢赃@么說，在現實生活中恐怕很難找到比自由落體更直觀、更理想的勻變速直線運動的例子了！而本章開篇通過實驗“在重物牽引下小車的運動”引入勻變速直線運動，是“人工制造”的，顯得有點“刻意”為之。

(4) 本章教學從“自由落體”開始、改變原來教材的呈現順序，使學生能夠更好地學會思考、學會探究、學會學習。跟隨伽利略的腳步，得出自由落體的運動規律后，接下去就是知識上的推廣、擴展，水到渠成、順理成章。同時，從“輕重物體誰下落得快”這個耳熟能詳的問題開始新的一章的學習，也會讓學生感到有趣而親切！

3 本章教學示例

3.1 伽利略對自由落體運動的研究

(1) 伽利略采用悖論的方式，用石頭的運動詰難亞里士多德：把一塊大石頭跟一塊小石頭捆在一起落下，會有什么結果？

(2) 通過實驗探究，撥開阻力的迷霧：① 通過輕重不同的小石頭、硬板紙片、餐巾紙等素材，兩兩同時從等高處下落，觀察其運動快慢，探究影響物體下落快慢的因素；② 用“錢毛管”實驗進一步探究，明確在排除空氣阻力的影響后落體的運動情況。

(3) 伽利略通過研究認識到：如果能排除空氣阻力的影響，輕重不同的物體下落快慢完全一樣，進而建構了自由落體運動模型。

(4) 重走伽利略的探究之路：伽利略因實驗條件的限制，不能直接檢驗關于自由落體運動的猜想，他利用斜面(木槽)來“沖淡重力”，研究小球從靜止開始在斜面上的運動規律，進而推論自由落體運動的規律。

在課堂上可引導學生重走伽利略的探究之路，實驗器材和過程如下：取長約2米的PVC管，從中間切開，兩端墊不同厚度的木塊做成凹槽長斜面，貼上以厘米為單位的刻度。讓小鋼球從頂端滾下，利用電子節拍器，在發出2、3、4、5個聲響時用細木棒攔住小球，讀取此時的位移，并輸入Excel表格，處理數據可知：在同一傾角下x/t2為一個定值，即x∝t2。保持傾角不變，換質量不同的小球再做實驗，可得到同樣結論，且兩小球運動情況幾乎相同。增大傾角，實驗得到的x/t2仍然是一個定值，且隨傾角的增大而增大。再請學生思考：當斜面傾角為90°時，情況如何？此時小球做什么運動？

(5) 超越伽利略：伽利略在17世紀用實驗驗證x∝t2時，計時和定位都是很困難的?，F在，我們完全不必再用斜面來“沖淡重力”，采用實驗室儀器設備可以對落體運動精確地計時、定位，直接研究落體運動的性質。通過上一章的學習，學生能夠說出用“打點計時器”來研究自由落體運動的方法，“超越”了伽利略，是不是感到很激動？除此以外，教師還可以補充介紹頻閃照相等方法，并啟發學生運用手機、數碼相機來研究自由落體運動。

(6) 課后作業：① 收集人類對自由落體運動認識的歷史資料；② 通過學習，簡述伽利略是如何發現問題、克服一個又一個困難的？寫一篇短文，談談自己的認識、體會；③ 利用生活中的素材，設計一個研究自由落體運動規律的實驗。

3.2 自由落體運動的規律

這一節包含兩部分內容：自由落體公式的推導、重力加速度的測定，滲透了科學思維方法的教育，包括圖像法的應用、極限與微元的思想等。

圖像可以直觀地反映物理量之間的關系，通過分析可得到兩者之間的函數關系。把自由落體的位移與其v-t圖線下的“面積”相聯系(如圖1、圖2)，從數學上看就是微積分，在這里，我們是把一個在物理學發展中極為重要而有效的思維方法，以簡約化的方式呈現出來了。

圖1

圖2

在推導位移公式時，可以先舉一個勻速直線運動的例子，引出求“面積”這個思路，再運用極限與微元的方法進行分析。

(1) 請同學們研究上節實驗課得到的重物下落的v-t圖像，引出“勻變速直線運動”的概念。

(2) 利用v-t圖像推導自由落體速度與時間的關系、位移與時間的關系。

(3) 測定v-t圖像的斜率，研究重力加速度。

(4) 測定反應時間。請一位同學用兩個手指捏住直尺的頂端，你用一只手在直尺下方做捏住直尺的準備，但手不能碰到直尺，記下這時手指在直尺上的位置(如圖3)。當看到那位同學放開直尺時，你立即捏住直尺。測出直尺降落的高度，根據自由落體運動的知識，可以算出反應時間。

圖3

圖4

3.3 勻變速直線運動的規律

對于勻加速直線運動，利用加速度的定義式，速度公式顯然易得。結合圖4，將“矩形”面積與“三角形面積”相加，就得到位移公式。

圖5

設計思路：(1) 基本公式涉及5個物理量：v0、a、t、v、x，對勻變速直線運動來說，v0和a是常量，t、v、x是變量。本節通過“圖像”將3個基本公式的推導“串聯”在一起，有利于學生形成“常量”與“變量”的概念，加深對公式的理解、形成系統認知。原教材將3個基本公式分3小節內容介紹，就淡化了它們之間的聯系，不利于學生應用時靈活選擇。(2) 學生通過圖像自主推導公式，記得牢，就算一時忘記，畫個圖馬上就可以推導出來，有利于提高自主學習和理論探究能力。

4 學習評價設計

4.1 科學短文匯報交流和自由落體實驗設計展示

這個為期兩周的長作業在本章第1節課時已經布置下去，全章內容結束時請學生在課堂上進行匯報展示。

具體做法為：(1) 關于伽利略的科學短文兩周后收上來，教師先進行批閱，挑選優秀文章備用；(2) 自由落體實驗設計的任務分小組完成，全班分成5個小組，組員分配好各自的工作，兩周后以小組為單位將方案提交給老師，教師進行指導，在匯報課上請各小組進行演示。對學生本次作業進行打分并記錄在學習檔案袋，作為本學期平時成績的一部分。

4.2 單元試卷的命制

單元試卷命制也是從整體設計的思想出發的，從知識、模型、方法三個方面進行選題，體現能力立意，注重題目情境與生活緊密聯系。