大概念、大思路、大情境和大問題引領下的單元教學設計
——以“圓周運動”教學為例

張曉琳 趙海艷

(1. 北京大學附屬中學，北京 100080；2. 北京師范大學實驗中學豐臺學校，北京 100086)

1 引言

發展學生的核心素養是課程改革的價值追求，單元教學設計是發展學生的核心素養的重要途徑。在教學中只有把大概念、大思路、大情境、大問題融入單元教學設計的各個環節，才能實現單元教學設計既統攬全局又有序開展的初衷，切實培養學生的核心素養。單元教學設計要讓學生在真實的生活實踐情境中找尋問題解決的思路，在探究的過程中完成知識的建構，通過問題解決促使原有的知識經驗和新的知識相互作用，實現概念、規律的提煉和升華，形成少而精的大概念。更為重要的是，在不斷探究中逐漸形成適用范圍廣泛、更容易在不同情境或者主題下遷移的一般化解決問題的大思路。

2 基于大概念的單元內容分析

2.1 整合單元知識，梳理圍繞大概念的知識結構

“圓周運動”單元是人教版高中物理必修第二冊第六章的內容，是運動與相互作用觀的體現,是“機械運動”核心概念下面的次級概念之一，也是本單元運用動力學知識與方法(大思路)分析解決新問題的延續，知識結構關系如圖1所示。

圖1

在“解決問題”的大思路下，運用直線運動學習中分析問題的方法，完成圓周運動動力學方程的建構和問題的解決。此外，圓周運動模型的建構為萬有引力定律的學習奠定了基礎，因此本單元的知識結構如圖2所示。

圖2

2.2 剖析知識教學中隱含的思想方法

在“圓周運動”單元的教學內容中，蘊含了模型建構、科學探究、推理論證等豐富的科學方法。教師應充分發掘教學內容中的育人價值，剖析知識背后隱含的思想方法(表1)。

表1

3 大概念、大思路引領下的單元教學目標

在大概念、大思路引領下，以“力和運動的關系”為主線，結合課程標準的要求，確定本單元的教學目標如表2。

表2

4 大情境、大問題引領下的單元學習設計

核心概念的學習并不是一蹴而就，需要大量的具體概念作為支撐，逐步深化理解。科學概念層級是選擇教學策略和教學具體方式的主要依據，為了實現上述學習目標，先要確定單元科學概念學習層級(表3),根據學習層級,設置“過山車”大情境，以“能否用直線運動的規律來研究曲線運動”為大問題，進行學習設計。

表3

續 表學習層級學習設計具體內容層級3向心加速度及其表達式推導、能根據問題情境選擇合適的表達式進行簡單運算問題情境創設牛頓第二定律告訴我們:物體的加速度方向總與它所受合外力的方向一致。這個關系不僅對直線運動成立,對曲線運動同樣成立。提出問題:做勻速圓周運動物體的加速度方向是怎樣的呢?大小呢?知識內容向心加速度表達式的推導及其簡單應用。核心素養發展規劃建立模型推導向心加速度的表達式,培養學生的建模能力;通過推導向心加速度表達式,培養學生的科學推理能力和養成嚴謹治學的態度;利用直線、曲線運動的對比,培養學生類比分析、歸納總結的能力,發展學生的科學思維。學習方式指導對做勻速圓周運動的實例進行分析,根據牛頓第二定律可知做勻速圓周運動的物體的加速度方向和大小;通過建模,推導出向心加速度表達式。學習難點突破本層級的重點和難點是向心加速度方向、大小的確定和向心加速度大小的推導。(1) 閱讀教材,讓學生對向心加速度有初步認識;(2) 由加速度的定義,引導學生建立模型,利用數形結合推導向心加速度表達式;(3) 提供必要的實驗器材,以便學習小組做實驗探究;同時制作必要的微課視頻,輔助探究能力不強同學的學習,為他們提供可參考的范例。學習反饋檢測要點及方式要點:(1) 向心加速度大小的不同表達式的應用;(2) 通過設計實驗,進行驗證性實驗設計。方式:(1) 通過提問、討論交流和課堂鞏固練習等環節進行過程性檢測和評價;(2) 根據學生實驗方案設計來考查實驗探究能力。時間安排1課時層級4能分析生活中的圓周運動,知道離心運動及其產生條件,了解離心運動的應用和防止問題情境創設讓學生觀看視頻,其中包括火車拐彎、F1賽車比賽、汽車過拱橋、過山車游戲等生活中常見的圓周運動。提出問題:它們的運動有什么相同之處,又有什么不同之處呢?什么力提供了向心力呢?知識內容生活中的圓周運動。核心素養發展規劃通過向心力在具體問題中的應用,培養學生將物理知識應用于生活和生產實踐的意識;通過把真實問題情境與物理知識相結合,培養學生的科學思維習慣,提高其科學思維能力。學習方式指導借助實際運動情境,采用分類的方法,找到它們的共同特征。學習難點突破本層級的重點和難點是利用向心力公式解釋現象,利用向心力公式解決生活中的實際問題。(1) 通過演示實驗以及相關視頻,讓學生感受生活中的圓周運動、離心運動;(2) 通過構建模型,分析各種圓周運動、離心運動的受力情況。學習反饋檢測要點及方式要點:(1) 利用向心力公式解釋生活中的一些現象;(2) 建構模型,定量分析各種圓周運動、離心運動的受力情況。方式:(1) 通過提問、討論交流和課堂鞏固練習等環節進行檢測;(2) 課下通過課后作業應用規律解決實際問題。時間安排2課時

5 主要教學活動設計

5.1 借助實驗探究完成大概念構建

學生正處于由直觀認識向邏輯推理過渡的階段，雖然可以熟練使用基本的實驗器材，但對于用實驗探究影響向心力的因素，學生缺乏具體措施。同時，設計有效的科學探究活動，也是教師思考的焦點問題。如圖3所示，通過理論探究與實驗探究，實現概念、規律的提煉和升華。

5.2 依據實驗事實或現象，逐步形成物理觀念

雖然物理課程標準中以物理觀念作為核心素養的一個方面，沒有直接提物理概念和規律，但這并不意味著只要這些“提煉”和“升華”后的東西，而是要讓學生在對物理知識有深刻理解的基礎上，進一步上升到觀念層次，教學中主要采取圖4所示的策略。

圖3

圖4

6 單元學習效果評價

物理學科核心素養是構建學業質量水平體系的依據，是學科關鍵能力和必備品格的融合。而學科關鍵能力又是學科核心素養中更容易測量那部分，因此，學科能力是評價學業質量水平的核心。學生學業質量水平的測量主要看學生學科能力的表現，而不僅僅是知識掌握的熟練程度。學習者的知識獲得結果其實是非穩定的心理結構，隨著時間與環境的變化，這種以知識掌握為基礎的認知結構就會變得不穩定；而通過知識的學習過程所獲得的能力(或認知結構)具有穩定的心理特征。所以，需要讓學生再次面對與本單元內容有關的情境問題。

(1) 設置典型問題，歸納問題解決的思路和方法。

(2) 實際生活中還有哪些圓周運動？針對這些現象，我們能否提出相關課題？以小組為單位遞交設計報告。以此鍛煉學生從實際情景中建構物理模型、解決物理問題的能力。

(3) 通過現象與已有認知的聯系與矛盾，提出并表述可以進行探究的物理問題，將問題情境轉

化為發散性情境問題。如在用向心力演示儀驗證向心力的大小時，經過討論分析發現此實驗屬于半定量實驗，可對此實驗進行改進并闡述其原理等。

7 結語

從整體上看，本單元教學設計是按照物理知識的內在邏輯并結合學生的學習實際情況劃分單元。并試圖打破知識界限，圍繞大思路劃分單元。并在此基礎上進一步簡化、概括，提出統領單元學習的大問題，使學生的學習不再只關注知識的形成，而不重視知識的結構化，不再只注重一題一法的小技巧，而無法形成問題解決的大思路。