大單元教學(xué)中落實物理學(xué)科 核心素養(yǎng)的實踐研究

【摘要】本文以人教版必修第一冊第一章第2節(jié)《時間 位移》中的“練習(xí)使用打點計時器”實驗教學(xué)為例，論述在大單元教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的途徑，提出采用問題教學(xué)法及解決任務(wù)的模式逐步突破重難點，綜合運用講授法、示范教學(xué)法、問題探究法、實驗探究法以及討論分析法等做法。

【關(guān)鍵詞】大單元教學(xué) 核心素養(yǎng) 打點計時器

高中物理

【中圖分類號】G63 【文獻標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）11-0121-04

運動是非常常見的現(xiàn)象，大到天體，小到原子、電子，均有自己的運動規(guī)律。而物體間的相互作用會影響物體的運動。那么“運動”及“相互作用”各自有什么樣的規(guī)律，又有什么聯(lián)系？高中物理的學(xué)習(xí)，正是從“運動與相互作用”開始的，并且貫穿整個高中學(xué)習(xí)過程。高中階段，大單元教學(xué)將從以下4個方面建立“運動與相互作用觀”（如圖1所示）。

在高中物理教材中，不同的章節(jié)有不同的側(cè)重點，彼此又相互支持。教師要引導(dǎo)學(xué)生一步一步深入研究，讓學(xué)生逐漸建立對運動的基本認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生解決真實（或準(zhǔn)真實）運動問題的意識或習(xí)慣。高中物理的學(xué)習(xí)從運動觀的建立開始，而“練習(xí)使用打點計時器”是高中物理第一個學(xué)生分組實驗，是學(xué)生建立運動觀，從而進一步建立起運動與相互作用觀的開始。好的開始是成功的一半，所以該實驗至關(guān)重要。

本文筆者以人教版必修第一冊第一章第2節(jié)《時間 位移》中的“練習(xí)使用打點計時器”實驗教學(xué)為例，闡述在大單元教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的途徑。

一、教材分析

“練習(xí)使用打點計時器”是人教版教材必修第一冊第一章《運動的描述》第2節(jié)《時間 位移》中的內(nèi)容。教材將該實驗放在“時間和位移”的學(xué)習(xí)之后，讓學(xué)生經(jīng)歷用打點計時器記錄物體運動的位移和時間的過程，促進學(xué)生形成物理概念，并增強他們對研究物體運動方法的體驗。“練習(xí)使用打點計時器”是學(xué)生建立物理學(xué)科核心素養(yǎng)中物理觀念的“運動與相互作用觀”經(jīng)歷的第一個實驗。學(xué)生在實驗中初步感知描述物體運動的第一個物理量，即物體位置的變化——位移，初步建立運動觀。同時，該實驗是學(xué)生進入高中第一次用打點計時器進行的定量實驗，側(cè)重訓(xùn)練學(xué)生操作技能及培養(yǎng)良好的實驗習(xí)慣。

二、學(xué)情與教學(xué)重難點分析

學(xué)生在本節(jié)學(xué)習(xí)中首次接觸打點計時器，它的實驗原理、使用方法和數(shù)據(jù)測量與處理分析也是本節(jié)的重點和難點之一。在直角坐標(biāo)系中表示位置、位移等物理量是學(xué)生初次針對矢量進行數(shù)形結(jié)合學(xué)習(xí)，而描繪“位移—時間”圖象則是學(xué)生第一次用數(shù)學(xué)圖象描繪物理過程和規(guī)律，因而難點表現(xiàn)在數(shù)學(xué)和物理的結(jié)合，即對數(shù)學(xué)表現(xiàn)形式的物理意義的理解上。

三、教學(xué)目標(biāo)

（一）學(xué)生了解打點計時器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，學(xué)會使用打點計時器記錄物體運動的位移和時間。

（二）學(xué)會設(shè)計實驗數(shù)據(jù)記錄表格。

（三）學(xué)會建立“位移—時間”坐標(biāo)系并選擇合適的分度值進行描點作圖，理解圖象的物理意義，能根據(jù)圖象分析物體在一段時間內(nèi)的位移。

四、策略分析

解決問題學(xué)習(xí)是探究式教學(xué)活動中重要的學(xué)習(xí)方式之一，它在培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題等能力方面發(fā)揮著十分重要的作用。本節(jié)課采用問題教學(xué)法及解決任務(wù)的模式逐步突破重難點，化整為零，激發(fā)學(xué)生自主探究的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。啟發(fā)性合作探究模式的教學(xué)，綜合運用講授法、示范教學(xué)法、問題探究法、實驗探究法、討論分析法，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗與制訂方案、獲取和處理信息、在實驗過程中發(fā)現(xiàn)問題進而解決問題，最終實現(xiàn)學(xué)習(xí)目標(biāo)。

五、教學(xué)過程

（一）問題導(dǎo)入，揭示課題

師：描述機械運動就是要描述物體的空間位置隨時間的變化情況。請問生活中有哪些方法或工具能記錄位置（留跡）和時間呢？

（學(xué)生逐一回答：照相、鐘表、頻閃照相、打點計時器，等等）

（教師板書：實驗一 練習(xí)使用打點計時器）

設(shè)計意圖：課本介紹了生活中能夠記錄位置和時間的方法及工具，學(xué)生只要提前預(yù)習(xí)就能回答出教師的提問，而教師也能通過這個問題進一步了解學(xué)情，檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況;同時，這一提問也引出了本節(jié)課的課題，達到揭示課題的目的。

（二）介紹實驗內(nèi)容，初步滲透學(xué)科核心素養(yǎng)

教師通過板書呈現(xiàn)實驗?zāi)康模阂皇蔷毩?xí)使用打點計時器，二是學(xué)會用x-t圖象表示物體的位置隨時間變化的情況。接著，教師向?qū)W生介紹電磁打點計時器和電火花打點計時器（如圖2、圖3所示）。

師：電磁打點計時器工作電壓為交流4—6 V，通過振針和復(fù)寫紙打點;電火花打點計時器工作電壓為交流220 V，脈沖電流經(jīng)放電針、墨粉紙盤放電實現(xiàn)打點。

設(shè)計意圖：介紹兩種打點計時器的構(gòu)造及打點原理，引導(dǎo)學(xué)生觀察其異同，重點對比其區(qū)別，加深印象，培養(yǎng)學(xué)生的物質(zhì)觀念;讓學(xué)生現(xiàn)場觀察實驗桌上擺放的是哪一種計時器，學(xué)以致用，增強物理學(xué)習(xí)的成就感;溫馨提示學(xué)生用電安全，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任。

教師向?qū)W生講解打點計時器的作用：一是測時間。當(dāng)電源頻率為50 Hz時，打點計時器每隔0.02 s秒打一個點。二是測位移。打點計時器能夠按照相同的時間間隔在紙帶上連續(xù)打點。如果把紙帶和運動的物體連在一起，紙帶上各點之間的距離就表示相應(yīng)時間間隔中物體的位移大小。三是可以通過紙帶研究物體的運動情況。紙帶上的點反映了物體的運動情況，要想研究物體的運動情況，研究紙帶上的點即可。

設(shè)計意圖：教師介紹打點計時器的功能與作用，重點介紹打點計時器記錄位置（留跡）和時間的原理，為本次實驗得以順利進行提供可靠的理論依據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)論證的核心素養(yǎng)。

師：實驗室給同學(xué)們提供的實驗器材已經(jīng)擺放在實驗桌上了，有電火花打點計時器、小車、導(dǎo)軌、紙帶、刻度尺、坐標(biāo)紙、鉛筆，請同學(xué)們逐一確認(rèn)并說出每樣器材的實驗用途。

（學(xué)生逐一說出每樣器材的實驗用途）

設(shè)計意圖：在實驗室條件相對有限的情況下，啟發(fā)學(xué)生思考實驗室所提供的每樣實驗器材的用途，為實驗操作的順利進行鋪墊。學(xué)生領(lǐng)會到在現(xiàn)實條件相對有限的情況下如何充分利用可獲得的器材進行科學(xué)探究實驗，體會科研的艱辛與不易，發(fā)展嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、吃苦耐勞的科學(xué)態(tài)度。

師：為了實現(xiàn)實驗?zāi)繕?biāo)，我們應(yīng)遵循怎樣的實驗步驟？

（學(xué)生思考片刻后，教師開始演示實驗：先固定計時器、安裝紙帶，隨后啟動電源，等打點穩(wěn)定后，再用手水平拉動紙帶，打完點后立即關(guān)閉電源）

設(shè)計意圖：教師強調(diào)實驗操作要考慮實驗的效果與實驗的便捷性，要保護好實驗器材，為學(xué)生做好示范，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任。

（三）分組實驗，在動手中領(lǐng)悟?qū)W科核心素養(yǎng)

在實驗探究環(huán)節(jié)，教師給學(xué)生設(shè)置了兩個任務(wù)。

【任務(wù)一】請每個小組在3分鐘內(nèi)組裝器材并進行第一次實驗，相互協(xié)作配合，并及時發(fā)現(xiàn)問題，提出解決方案，總結(jié)實驗注意事項。

師：時間到，請同學(xué)們停止實驗。在同學(xué)們實驗時，老師發(fā)現(xiàn)了以下典型的問題。第一，打出的點非常密集（利用投影儀展示紙帶），這樣方便測量嗎？

生1：不方便測量點與點之間的距離，相對誤差太大。

師：怎樣操作可以讓打出的點間距更大呢？

生2：拉紙帶要更快一點。

師：第二，打出的點不在同一條直線上，而我們研究的是直線運動，要怎樣拉才會讓打出的點在同一條直線上？

生3：要平直地拉動紙帶。

（教師板書：注意事項 1.拉動紙帶要適當(dāng)快一點;2.要平直地拉動紙帶）

設(shè)計意圖：教師給予學(xué)生試錯的機會，及時發(fā)現(xiàn)問題、討論交流，及時解決問題，為后續(xù)的實驗成功開展提供保證。學(xué)生進行實驗的同時，教師在教室內(nèi)巡視，一方面指導(dǎo)學(xué)生進行實驗，另一方面記錄學(xué)生在實驗過程中存在的問題，搜集典型案例，并引導(dǎo)學(xué)生就發(fā)現(xiàn)的問題進行討論，找出原因及改進措施。該任務(wù)培養(yǎng)學(xué)生的規(guī)劃意識，增強其時間觀念;啟發(fā)學(xué)生思考，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力，使學(xué)生能在他人幫助下制訂科學(xué)探究方案，使用實驗器材獲得數(shù)據(jù)。

【任務(wù)二】請每個小組在3分鐘內(nèi)進行另外三次實驗，并選出打點清晰、間距合適的紙帶。

師：時間到，請同學(xué)們停止實驗。獲得合適的紙帶之后，接下來我們需要根據(jù)紙帶打點的情況去研究小車的運動情況。為了方便進行定量研究，我們需要確定具體的研究范圍并建立坐標(biāo)系。

師：（問題1）需要建立幾維坐標(biāo)系？如何確定坐標(biāo)系原點及正方向？給大家2分鐘時間進行交流討論，2分鐘后，老師要請同學(xué)來回答。

（學(xué)生代表回答后，教師引導(dǎo)學(xué)生進行交流討論，然后進行總結(jié)）

師：把能夠看清的第一個點作為原點O，紙帶運動的反方向為正方向，建立O-x一維坐標(biāo)系（如圖4所示）。

師：（問題2）需要記錄什么信息？怎么測量？

（學(xué)生逐一回答，教師復(fù)述并適時追問引導(dǎo)）

師：給紙帶上的點依次編上1、2、3、4……的編號，把原點作為計時起點，用刻度尺測量出這些點到原點的距離x，則位移大小Δx=x。紙帶從原點到第n個點的運動時間為tn=0.02n s（如圖5所示）。

設(shè)計意圖：在經(jīng)過第一次嘗試之后，學(xué)生更規(guī)范、更有針對性地進行實驗。學(xué)生對科學(xué)探究產(chǎn)生敬畏之心，增強學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度。學(xué)生匯報，教師復(fù)述并適時追問引導(dǎo)，一方面讓其他學(xué)生跟上思路參與進來，另一方面給學(xué)生思維設(shè)計關(guān)卡，引導(dǎo)其反復(fù)推敲，加深理解，舉一反三，最終歸納出具體的測量方法，從而突破本實驗的難點。

師：（問題3）實驗過程中要及時記錄信息數(shù)據(jù)，那么要把信息數(shù)據(jù)記錄在哪里？

生：實驗數(shù)據(jù)記錄表格。

師：所以我們要先設(shè)計實驗數(shù)據(jù)記錄表格。在實驗報告的預(yù)習(xí)部分，同學(xué)們已經(jīng)初步設(shè)計了實驗數(shù)據(jù)記錄表格，老師選取了部分典型代表（如表1、表2、表3、表4所示），請大家一起來評價，指出優(yōu)點和不足。

（學(xué)生代表發(fā)言。教師引導(dǎo)學(xué)生討論交流后，總結(jié)各表格的優(yōu)缺點。表1編號點個數(shù)太少，不足以反映運動情況;表2“實驗次數(shù)”“打點數(shù)”表意不明;表3設(shè)計意圖不清，無法用于實驗數(shù)據(jù)記錄;表4表達意思明確，相對較好）

師：請同學(xué)們根據(jù)老師給出的指導(dǎo)意見完善自己的表格。

設(shè)計意圖：學(xué)生觀察對比多個典型表格，強烈的視覺沖擊讓學(xué)生迅速抓住設(shè)計數(shù)據(jù)表格的要點，從而學(xué)會設(shè)計實驗數(shù)據(jù)記錄表格，這是科學(xué)探究的重要技能之一，也是科學(xué)探究過程中獲得證據(jù)的必要條件。

師：單純的數(shù)據(jù)表格還不能形象地反映物體的運動情況。接下來給大家5分鐘時間，請同學(xué)們進行測量采集數(shù)據(jù)，并在坐標(biāo)紙上建立平面直角坐標(biāo)系，以t為橫軸，以x為縱軸，描點作圖（如圖6所示）。

（學(xué)生作圖。教師在教室巡視，邀請學(xué)生代表上臺展示）

師：時間到，請大家停止作圖。下面請小組代表上臺給大家展示他們的作圖，請大家指出各圖的優(yōu)缺點。

（學(xué)生代表發(fā)言后，教師總結(jié)作圖注意事項：作圖時要選擇合適的分度，分度太小圖太大，分度太大圖太小;應(yīng)盡量充分利用坐標(biāo)空間）

設(shè)計意圖：借助圖象等數(shù)學(xué)方法去表征物體運動，鍛煉學(xué)生變換物理量的表征方式的能力;學(xué)生在評價別人作圖的同時也能發(fā)現(xiàn)自身的不足，從而學(xué)習(xí)他人的優(yōu)點，學(xué)會反思;學(xué)生分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)特點，形成結(jié)論，嘗試用已有的物理知識進行解釋，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)及交流的科學(xué)探究的素養(yǎng)。

（四）課堂總結(jié)

師：讓我們總結(jié)一下，這節(jié)課我們學(xué)到了什么？

（學(xué)生逐一回答，教師復(fù)述并運用PPT展示：1.了解了打點計時器原理、作用;2.學(xué)會了使用打點計時器;3.學(xué)會了用x-t圖象表示物體的位置隨時間變化的情況;4.總結(jié)了實驗注意事項）

設(shè)計意圖：總結(jié)本節(jié)課所學(xué)到的知識，增強學(xué)生的成就感，提升學(xué)生對學(xué)習(xí)物理的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度。

大單元教學(xué)主張站在更高的層面，整體考慮某個學(xué)段，打破教材的編排順序，在教學(xué)內(nèi)容上進行增、刪、補，按照教學(xué)的實際需要把學(xué)科知識重新規(guī)劃整合，綜合設(shè)計，有序?qū)嵤?，?gòu)建新的教學(xué)系統(tǒng)，使其更合理、高效。貫徹新課程理念，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)，在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，為學(xué)生終身學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)，是大單元教學(xué)的宗旨?！熬毩?xí)使用打點計時器”這一節(jié)課，教師綜合考慮本節(jié)內(nèi)容在高中物理知識體系中的地位和特點、本節(jié)內(nèi)容的知識目標(biāo)、高一年級學(xué)生的認(rèn)知水平、物理學(xué)科核心素養(yǎng)要求等因素，在教學(xué)內(nèi)容上進行了調(diào)整，根據(jù)實際需要對學(xué)科知識進行規(guī)劃整合，設(shè)計了逐步進階的問題，以貼合不同層次學(xué)生物理思維能力的發(fā)展需求。本節(jié)內(nèi)容是大單元教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的第一步，也是至關(guān)重要的開始，為學(xué)生后續(xù)的學(xué)習(xí)打下牢固的基礎(chǔ)，為培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)創(chuàng)造可能。大單元教學(xué)非一朝一夕之易事，需要一個較長的過程。教學(xué)相長，教師需敢為人先，敢于嘗試，不斷從試錯中總結(jié)經(jīng)驗，在實踐中培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

作者簡介：周冬林（1982— ），湖南衡陽人，碩士研究生學(xué)歷，高級教師，研究方向為理論物理。

（責(zé)編 劉小瑗）