指向核心素養的“圓周運動”單元教學設計

高永生 李 靜

（天津外國語大學附屬外國語學校 天津 300230）

在全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的指導下，教育部從更高的文化層面提出了物理學科核心素養，包括物理觀念、科學思維、科學探究以及科學態度與責任四個方面，這四個方面是有機融合的整體，是相互貫通，共同發展的。現階段，教師在實際授課過程中往往存在更加關注學科知識的掌握，進行教學設計時通常立足于單一課時，而忽視了知識內容在整體框架中的地位和作用。核心素養的形成并不能依靠零散知識的簡單疊加，而應該是知識的有機融合，具備物理學科核心素養的學生應能夠運用整合的物理觀念、科學的思維方法理解自然現象和解決實際問題。因此，跳出課時的束縛，從單元整體視角開展教學有利于幫助學生建立完整的知識結構和方法體系，促進核心素養的形成。本文以新教材人教版必修第二冊第六章“圓周運動”為例，分析整合單元內容，提煉核心素養要素，在此基礎上開展單元教學設計。

1 分析單元要素

單元要素的分析與重構是確定教學目標、設計教學活動的基礎，包括課標和教材分析、學生分析、單元結構分析與核心素養要素分析。

對比新舊教材不難發現，舊教材中“曲線運動”一章在新教材中拆分成了兩章：第五章拋體運動和第六章圓周運動。并且向心力和向心加速度兩節內容的先后順序發生了變化，這意味著對這一部分內容所承載的核心素養的培養目標發生了變化。新課標中明確指出“通過實驗，探究并了解勻速圓周運動向心力大小與半徑、角速度、質量的關系”，降低了演繹推導能力的要求，而突出了科學探究過程，因而教師的教學方法也應進行調整和優化。

學習圓周運動之前，學生完成了直線運動規律以及牛頓運動定律等內容的學習，具備了運用運動與相互作用的觀念解決直線運動中動力學問題的思維與能力。此外，學生完成了曲線運動、拋體運動的學習，對于曲線運動的方向和物體做曲線運動的條件有一定的理解。根據維果斯基的最近發展區理論，通過圓周運動的學習，學生將知道如何對圓周運動進行描述，并能夠利用運動與相互作用的思維與觀念解決曲線運動中動力學問題。

立足于對教材和學情的分析，整合本單元教學內容，梳理出本單元結構層次，先是觀察生活中的圓周運動，激發學生的思考；進一步引導學生聯系生活實際，通過感受、猜想和實驗探究鞏固物理概念和運動規律；結合學生已具備的運動與相互作用觀分析日常生活中的圓周運動，強化科學思維，實現知識的遷移與應用，推動核心素養的發展。

本單元蘊含了類比分析、模型構建、控制變量等學科核心素養要素，表1對本單元核心素養要素分布進行了歸類，指引教學。

表1：“圓周運動”單元核心要素分布與歸類

2 確定教學目標

基于對上述單元要素的分析，確定本單元教學目標為：物理觀念：了解曲線運動，能用線速度、角速度、周期和頻率等概念對圓周運動進行描述；結合生活中的圓周運動以及離心現象，能夠利用牛頓第二定律分析勻速圓周運動，提升運動與相互作用觀?？茖W探究：鼓勵學生自制教具，利用控制變量的方法開展實驗，探究勻速圓周運動向心力的影響因素；掌握數據處理的方法，如常用的一次函數法。科學思維：從實際情景出發，通過實驗探究、邏輯推理、歸納演繹、模型構建等學習過程，掌握探究未知的方法。科學態度與責任：在實踐過程中培養嚴謹的科學態度與合作學習的能力，并能將所學知識應用到生活實踐中。

3 單元學習過程設計

結合教學目標，確定本單元的三個主題為：（1）圓周運動的描述；（2）向心力大小的實驗探究；（3）運動與相互作用觀的運用。

3.1 主題1：圓周運動的描述

（1）通過觀察生活中圓周運動的實例，如教材中提供的比較自行車大、小車輪邊緣的點，以及同一齒輪上到轉軸距離不同的點的運動快慢，引導學生體會建立線速度、和角速度等物理量描述圓周運動的必要性；（2）通過類比直線運動，體會用比值定義法的特點，明確線速度、角速度等概念的物理意義、內涵、外延關聯和發展，引導學生形成良好的概念體系；（3）通過極限法理解線速度的瞬時性，體會物理學中的抽象思維；（4）知道可以使用周期和頻率描述做周期性運動的物體，豐富學生頭腦中原有的機械運動的類型。（5）采用生活中“地球儀”“蘑菇釘”等玩具，搭建傳動裝置，幫助學生理解同軸傳動和皮帶傳動的特點。

3.2 主題2：向心力大小的實驗探究學習過程設計

（1）聯系生活實際，體會做圓周運動的物體的受力情況，在此基礎上動手開展定性分析實驗，體會向心力的影響因素；（2）演示半定量實驗，激發學生進一步探究的愿望；（3）課前提供素材，引導學生動手設計實驗，自制教具，定量研究向心力大小與物體質量、運動半徑、線速度、角速度等物理量間的關系；（4）引導學生經歷實驗前的猜想假設、自制教具實驗探究、實驗后的推力論證、科學解釋與誤差分析等思維過程，撰寫完整的實驗報告。

3.3 主題3：運動與相互作用觀的運用學習過程設計

（1）應用“運動—>力—>運動與力關系”的大思路分析生活中的圓周運動，引導學生構建物理模型，尋找向心力的來源，體會加速度是聯系運動和力的紐帶；（2）通過親身體驗、視頻拍攝等途徑，思考汽車轉彎和火車轉彎時，哪一種力充當了向心力，引導學生分析向心力的來源，并運用相互作用觀念分析水平面上的勻速圓周運動；（3）結合生活實例，引導學生動手制作實物模型，通過實驗探究比較汽車通過拱形橋時對橋的壓力與汽車自身的重力，分析橋最高點處的向心力，進而引導學生思考汽車在橋的其他位置時的向心力，運用相互作用觀念分析豎直面上的非勻速圓周運動；在此基礎上進行拓展，通過“過山車”“水流星”等實例，分析豎直平面上圓周運動的臨界條件；（4）通過教材“思考與討論”欄目，引導學生利用圓周運動的研究方法分析航天器中的失重現象。（5）通過科技館中的離心機工作視頻，引導學生思考物體做勻速圓周運動、近心運動和離心運動的條件，加深對離心現象的本質的理解。

4 單元學習活動設計

下面以主題2向心力大小的實驗探究為例，說明主要教學活動設計。本主題的重點是讓學生經歷定性感受，半定量演示，再到參與制作定量研究實驗裝置進而開展定量研究，驗證猜想，得出結論的過程。定性實驗中，利用教材中提供的“手拿細繩拉著小物體做圓周運動”，使學生獲得直觀感受，從而對向心力大小的影響因素形成猜想；半定量實驗，初步驗證實驗猜想，激發同學探究欲望，為自制教具的科學探究做好鋪墊；自制學具開展定量探究實驗，引導學生制定實驗方案、靈活選用合適的器材開展實驗，獲得數據，通過動手實踐，讓學生帶著問題去科學探究、論證，通過交流協作做出合理解釋，進而得到向心力大小與各物理量之間的定量關系。

教師可通過設計“問題串”引發學生思考并開展實驗探究，具體問題如下：（1）通過感受，繩子拉力的大小與哪些因素有關呢？（2）如何測量繩子上拉力大??？（3）如何測量物體的質量？（4）轉動快慢用學過的哪個物理量來表示？如何測量？（5）如何測量物體轉動半徑？（6）圖像為曲線時，如何確定向心力大小和角速度的定量關系？（7）得到了向心力大小與質量、半徑和角速度平方成正比的關系，能否根據定量實驗確定比例系數？學生在探究的過程中形成清晰、系統的物理觀念，不斷學習、分析、研究問題的科學方法，提高科學探究的能力。重現知識的發現過程，達到培養學生更嚴謹的科學態度、深入認知物理情境中的科學本質的能力。

5 學習效果評價

單元教學評價不僅關注結果，還要關注過程，強調從“對學習的評價”轉為“為學習的評價”，強調在真實過程中的評價，嘗試基于學生表現的評價，以及不同主體共同參與的評價，讓評價更好地促進學生的學習過程。

5.1 評價內容多元化促進學科素養全面發展

采用過程性評價，使得評價更加全面、真實和有效。如主題2的實驗教學中，可以從課堂問答、實驗方案設計、實驗操作過程、實驗數據與結果分析、實驗報告呈現以及課后作業等多方面出發，依據《普通高中物理課程標準(2017年版)》中學業質量水平的劃分，設計評價表格。

5.2 多主體評價相結合促進學習的發生

在設計評價表格時，應采用教師評價、自我評價和同伴評價相結合的多主體評價方式，檢查回顧學習的起點、過程、成果和困難。在學習過程中，通過收獲來自同學的評價和自我反思，對自己的學習有更清醒的認識，這不僅對當前學習有助益，對學生形成終身學習能力也十分重要。

6 單元教學設計反思

“圓周運動”單元以概念和模型構建為起點，以運動與相互作用觀為核心，通過情境問題創設和實驗探究，發展學生物理觀念與科學思維。針對概念教學，密切聯系實際，以真實情境為載體，幫助學生理解概念的意義、內涵、外延、關聯和發展。針對探究實驗，讓學生經歷定性感受形成猜想，半定量演示激發興趣，定量探究挖掘規律的研究過程，促進科學思維的形成。針對運動與相互作用觀念，重在模型構建，在此基礎上引導學生利用物理觀念解釋自然現象，發展學生解決問題的大思路。