新課標指導下基于大觀念的物理教學課例探討
——以教科版“人造衛星運行規律”為例

唐子怡 袁令民

(四川師范大學物理與電子工程學院 四川 成都 610101)

大觀念最早源于布魯納倡導的學科結構運動.掌握學科的結構就是以允許許多事物有意義且相互關聯的方式來理解該學科，習得結構就是學習理解事物如何相互關聯[1].它呈現了一種相互聯結、具有可遷移性的課程設計思想，但常局限于一個學科.查爾斯認為大觀念需要通過討論、探究這些過程才能獲得，即相對于淺層學習的深度學習才能獲得對大觀念的理解[2].而威金斯和麥克泰則對“大觀念”做出了更為系統的論述：“大觀念”是重要的、持久的.“大觀念”是理解的基礎素材，可以被想成是有意義的模式，這些模式使我們將若不聯結就會分散的點狀知識連結起來.這樣的概念超越了個別的知識和技能，以聚焦在更大的概念、原理或過程，這些概念可以應用到學科之內或以外的新情境[3].綜合這些觀點，筆者對其的理解為：大觀念是處于課程建構頂層設計核心，必須通過學習者探究、討論、驗證逐漸習得，基于基礎知識之上的總結與推論，并經學習者內化后，在遺忘所有具體事實性知識仍然持久保留于頭腦中剩下的東西.大觀念并非一個簡單的概念或者知識、技能，而是以各種各樣抽象的形式呈現，可以跨學科使用并進行遷移的一種聯結.

2017年版新課標提出“核心素養”一詞，而學科核心素養是核心素養在學科層面的具體化，也是學科育人價值的集中體現.建立大觀念則是形成學科核心素養的一個重要途徑與手段.參考邵朝友與崔允漷先生在《指向核心素養的教學方案設計：大觀念的視角》中的觀點，筆者得出以下依據：從大觀念的本質意義出發，通過實驗探究、討論總結等多種方式循序習得知識符合自主卻富有個性學習，培養學生理解、探究與解決問題能力；從大觀念的特性出發，持久性要求在遺忘所有細節知識后能有所保留，這些內容則奠基了人的終生發展.抽象性指出大觀念并非簡單的基礎知識概念，其呈現形式多樣，范圍也不僅局限于單一學科，暗合了核心素養的特性.聯結性使得大觀念為知識的遷移服務，在有限課時背景下，教學無法在某一主題中涉及到各個方面，如何讓學生學會舉一反三與學科內、跨學科遷移，大觀念的理解與運用尤為重要.以上幾點特性正體現了學科核心素養中關于思維習慣與意識能力的培養；從大觀念的地位出發，埃里克森認為應由大觀念決定教學的方向和深度，居于課程內容的核心.據此，在強調提高學生核心素養的教育背景下，大觀念的重要性只增不減.

本文以教科版 “人造衛星運行規律”一節為例，通過教學設計闡述筆者自身在新課標指導下關于基于大觀念的教學課例的一點思考與見解.

1 識別主題 以核心素養為支架搭建課程內容

基于大觀念的理念，筆者運用大觀念展開教學設計，根據本節內容，首先確定主題為“人造衛星運行規律”.再如圖1所示，以主題為中心點，以核心素養為支架梳理脈絡. 在人造衛星運行規律知識網絡中，重點突出人造衛星運行規律，從觀念、探究到思維、態度逐漸深化．

圖1 “人造衛星運行規律”支架圖

2 編寫基本問題 設計情境促進持久理解

參考文獻[4]中的觀點，為發展學生理解，促進學習遷移，在明確“我想要學生理解什么”后確定持久理解事項，編寫出重要且處于事物核心的基本問題，如表1所示.

表1 “人造衛星 宇宙速度”持久理解與基本問題

3 以問題為導向 貫徹大觀念展開教學

問題1：人造地球衛星要穩定運行它的軌道應該具備什么條件？

采用地球儀和圓環組成教具，模擬人造衛星運行的不同軌道，師生分析討論得出人造地球衛星穩定軌道平面皆通過地心，再由人造地球衛星的立體模型過渡到平面模型圖.

問題2：人造衛星運行時的速度、周期、角速度等參數該如何求得？

將學生已學過的萬有引力定律和圓周運動等知識即學生認知結構中已有的圖式，通過合作解決問題促進其在另一情境中遷移，并建立聯結.

問題3：不同類型的人造衛星有什么特點？

Stellarium是安卓手機上一款模擬星象儀軟件，它能根據觀測者所處位置時間顯示出實時天體位置.在Stellarium中選擇人造衛星進行錄屏(圖2)，課堂播放視頻，學生觀察到部分人造衛星位置發生變化，部分卻相對靜止，得到同步衛星特點.

圖2 人造衛星實時位置

表1列出圖2中部分人造衛星距離地面的高度h(在Stellarium軟件衛星參數中即可查得)，圖3(a)、(b)展示軌道與地球半徑的大小差距，得到近地與高軌衛星特點.

表1 部分人造衛星距地面高度

圖3 人造衛星軌道高度對比

通過使用Stellarium，一方面向學生展示該軟件功能激發學生對天文的興趣，一方面在宇宙沙盤(一款基于物理法則的宇宙模擬器，可以通過改變參數設定行星氣候、重力、天體運行及碰撞等)上做出模擬圖，從數據還原到現象，使學生能夠更加直觀地感受到人造衛星軌道高低情況與地球半徑的對比.

問題4：人造衛星如何進行變軌？

以嫦娥四落月全過程設計情境，展示如下.

2018年12月8日凌晨2時23分——中國在西昌衛星發射中心用運載火箭成功發射嫦娥四號探測器．

2018年12月12日16時45分——嫦娥四號探測器到達月球附近，成功實施近月制動，進入近月點100km環月軌道．

2018年12月30日8時54分——嫦娥四探測器發動機點火開始實施變軌制動，由距月面平均高度約100km的環月軌道，進入近月點高度約為15km，遠月點高度約為100km的環月軌道.

2019年1月3日10時26分——嫦娥四號探測器從距離月面15km處開始實施制動下降，在距月面100m處開始懸停，進行緩速垂直下降，最后著陸于月球背面南極——艾特肯盆地內的馮·卡門撞擊坑內.

先從能量轉化與守恒角度引導學生思考嫦娥四在近月降軌過程中，重力勢能增大從而動能減少，故應通過減小速度實現.

打開宇宙沙盤，創建地月系模型，演示嫦娥四在近月后的基本過程.通過改變速度參數，實現環月、降軌直至落月.具體如下.

環月：為了方便觀看選擇軌道距月球表面1 689km處軌道放置衛星，將學生計算所得數據與沙盤參數(圖4)比較．此時v1=1.22km/s.

圖4 環月模擬圖

降軌：從能量轉化與守恒角度引導學生理解降軌過程中重力勢能增加，動能減少，故應減速．調整速度參數，觀察軌道的變化，如圖5所示，讀出遠地點和近地點環繞速度，比較其大小，思考變化原因.此時v遠=1.10km/s，v近=1.62km/s.

圖5 減速降軌模擬圖

落月：再次減小速度，衛星降落月面，如圖6所示．

圖6 落月模擬圖

假如要使衛星在距月面約776km的圓軌道上穩定運行應如何操作？學生先計算所需速度參數,在軟件上輸入驗證結果.

對比嫦娥一與嫦娥四運行過程，發現嫦娥一在發射階段還進行了一系列升軌接近月球，提問：升軌又是怎樣實現的？軌道會如何變化？

小結：本節最令你印象深刻的內容是什么？談一談你對本節開頭齊奧爾科夫斯基“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠被束縛在搖籃中”這句話的看法.

該節教學涉及天文學方面知識，運用了宇宙沙盤和Stellarium兩款天文愛好者常用軟件，加入中國航天事件.因此發言內容不限于物理教材上所要求的知識，應鼓勵學生各抒己見，從人文到天文地理，不限學科暢所欲言.使得他們在本節課內化持久保留于頭腦中的內容不局限于物理一門學科，而是能遷移至其他學科及新情境中.

我們強調大觀念的持久性、抽象性、聯結性.本節教學中，多采用圖像、視頻及模擬真實情景等手段替代數據與文字描述，重視獲取知識的方式方法，加深理解促進內化.設計小組合作討論與學生自主探究活動，得出基礎知識之上的總結與推論，重視知識和原理的深度理解和靈活應用[5].以4個基本問題為導向，兩個情境問題為遷移手段，由淺層學習走向深度學習，由單一學科走向跨學科.實現概念和規律在學生頭腦中的提煉與升華，建構本節對應的相互作用觀、時空觀、能量觀等物理觀念.