單元教學視角下單元活動實施初探
——以“測量加速度”教學為例

張昊旻

（上海市控江中學，上海 200061）

1 教學背景

近年來，隨著教學改革的不斷深入，單元教學的概念已經逐漸深入課堂教學.單元教學要求教學跳出課時，希望通過單元的整體設計落實核心素養的養成，更好地整體規劃學生核心素養的發展.［1］通過整合多種學習元素，用真問題驅動學生學習.［2］目前，已經有很多關于單元教學的研究，單元教學設計過程被分為單元規劃、單元內容學情和教法分析、單元教學目標設計、單元學習活動設計、單元作業設計、單元教學評價設計6個環節，［3］其中，設計單元學習活動，圍繞主題，針對目標，創設情境，有效評價，對提升學生的團隊合作意識，發展物理學科核心素養尤為重要.［4］然而如何在有限的課時內，有效開展學習活動一直是教師關心的核心課題.相應的，上海高中物理新教材中，每一章節都配有能夠統領這一單元的，基于項目學習方式的“學期活動”板塊，要求學生在掌握本章知識的基礎上，能夠完成一些綜合性單元活動.本文通過具體教學設計，討論單元活動學習在教學中的開展方式.

2 單元教學視角下開展單元大活動的教學實踐

上海物理新教材必修1 第4 章“牛頓運動定律”的學期活動中，要求學生設計并制作一個能動態顯示加速度大小的加速度計.用制作的加速度計測量地鐵的加速度，根據實際測量的過程和數據，對制作的加速度計進行評價，提出改進措施，并以小組為單位制作實物，撰寫配套的操作說明書.新教材注重在機械運動情境下培養學生的運動與相互作用觀念，要求學生能夠分析自然與生活中的物理問題.制作加速度計，需要學生在理解力和運動，明確測量原理的基礎上，選擇合適的材料，考慮如何定標，動手制作，分析誤差等.作為單元學習活動對高一上的學生來說具有一定的困難，也需要較長的周期來完成，因此，本文嘗試進行教學設計，利用40 min課堂時間，指導學生進行預實驗，能夠在學習活動之前，給學生提供一些基礎的思路與想法.經過實際的課堂教學，也產生了一些思考.以下記錄本節課的教學設計，與同行探討.

2.1 前期準備

實驗目的是要制作一個能夠動態實時顯示加速度大小的加速度計.想要在課堂上進行預實驗，需要可以模擬公交、地鐵加速運動的平臺.這個平臺需要滿足兩個基本要求：（1）為了能夠觀測數據，判斷測量值正確與否.這個平臺應該做加速度恒定不變的勻加速直線運動.（2）能夠用來測量加速度的原理多種多樣，在課堂上，需要根據學生的想法，選擇不同的儀器進行測量，因此提供的測量環境，要求能夠方便將各類儀器進行固定，用于測量.基于以上兩條要求的考慮，在課堂上使用的實驗儀器是“牛頓第二定律”DIS實驗中的導軌與小車，在鉤碼（為使現象明顯，鉤碼重100 g）的恒定拉力作用下，小車做勻加速直線運動.如圖1 所示在小車上固定一塊泡沫塑料，為減小泡沫塑料在測量時的形變，選用4 cm 厚的泡沫塑料.通過此裝置，來創設情境，模擬一個做勻加速直線運動的汽車，要求學生利用各種儀器測量這個帶平臺的小車在運動過程中的加速度.

圖1 實驗用小車

2.2 教學過程

環節1.情境引入：視頻播放汽車剎車過程中，導致乘客摔倒受傷，引入這節課的實驗目的，激發學生探究興趣.

師：公交車在剎車過程中，因為剎車踩得太猛，公交車的速度很快減小為0，在短時間內，加速度非常大，導致乘客摔倒.如果在網上搜索一下，會發現類似的由于公交車起步或者剎車過快導致乘客摔倒受傷，甚至致死的例子有很多.那我們就會產生疑問，公交車、地鐵或者火車起步或剎車時的加速度是多少？因此，今天我們要在實驗室完成一個全新的挑戰性任務，嘗試著設計一個能夠動態顯示汽車加速度的儀器，并且進行實際測量.

環節2.方案設計：引導學生利用實驗室提供的儀器設計能夠在車廂內測量加速度的方案，交流討論.

師（問題）：為了測量在水平方向做勻加速直線運動汽車的加速度，先請同學們回憶一下，你們學過哪些計算加速度的公式？

本問題情境的設置目的是幫助學生回憶第2章、4章學習的加速度公式，指出生活中較為直觀的方法是通過觀察物體運動狀態的變化來得到加速度，而運動狀態變化其深層次的原因是受力發生改變，因此今天希望學生能夠從測量力的角度來思考，幫助學生形成正確的運動與相互作用觀念.

師（活動）：提供部分儀器，包括：彈簧秤，大小不同重量已知的鐵球，細線，量角器，直尺，一杯水.請同學分組討論，假設你站在一輛做勻加速運動的車廂內部，與車廂一起做勻加速直線運動，能否利用以上儀器，測量這個車廂的加速度.

生：分組討論，可以得出如圖2 所示3 種方案.

圖2 測量加速度3種方案

方案1.在車廂內懸掛一個擺球，測量細線與豎直方向傾角，根據a=g tanθ 計算加速度.方案2.在車廂地面上放一個比較光滑的鐵球，用一彈簧秤在水平方向拉住鐵球，忽略摩擦，測量鐵球重力與拉力大小，根據a=FT／m 計算加速度.方案3.將一杯水置于水平面上，測量加速時液面與水平面間的夾角，根據a=g tanθ計算加速度.

環節3.測量討論：實際測量小車的加速度，針對實驗數據與測量效果，提出實驗改進方案.

本環節的設置，是希望學生認識到，在科學探究的過程中，理論和實踐總是相輔相成的，實際操作的過程一定不會像理論分析一樣順利，學會在真實的環境下解決問題才是科學探究的趣味所在.

方案1.師（提問）：剛才同學們已經分組對3種測量方案進行了實踐，現在我們逐一來進行討論.首先是利用擺球的測量方案，請同學們告訴我，你們觀察到實驗現象了嗎？有沒有測量出加速度的大小？有什么改進措施？

師（提問）：能夠觀察到在小車勻加速運動的過程中，細線與豎直方向存在一個角度.通過課前錄好的慢動作視頻可以觀察到，這個角度是穩定不變的.但是由于整個過程持續時間很短，很難直接觀察到這個角度的大小.拍慢動作視頻可以幫助我們測出角度，但是我們的根本目的是制作一個能在公交車內實時顯示加速度大小的儀器，拍照，測量，再計算，顯然過于麻煩了，你們有沒有更好的方式？我們需要角度的目的是計算其正切值.計算正切值有很多方法，能不能嘗試轉化一下，通過測量一些別的物理量來計算加速度？

師（定標）：如圖3所示，在懸點下方固定一把直尺，并且取懸點到直尺的垂直距離剛好是9.8 cm，那么細線指示的刻度大小，即為加速度的大小.

圖3 擺球測加速度實驗圖與改進方案

方案2.師（提問）：現在來看第2個方案，利用彈簧秤測拉力來計算加速度，同學們有沒有觀察到彈簧秤示數變化？（此實驗中小球受力大約為0.2 N，用彈簧秤難以測到準確數值，學生測量結果差距很大或觀察不到示數.）這個方案中，我們看不到示數，或者誤差很大，可能有哪些原因？

師：經過總結，引導得出一方面存在摩擦，可以選用盡量光滑的接觸面，或者在真實測量公交車加速度時，將氣墊導軌等沒有摩擦的儀器，整個放在公交車內，即可排除摩擦的影響.另一方面，可能鐵球受到的力本身比較小，則可以采用增加鐵球質量、減小彈簧勁度系數等方案，或是采用更加精確的儀器進行測量，比如DIS力傳感器（教師用DIS力傳感器演示，測量結果如圖4所示）.與之前類似，如果取質量為1 kg的小球，則力的大小直接代表加速度的大小.

圖4 DIS力傳感器測拉力裝置圖及實驗結果截圖

方案3.這個方案對于高一學生來說存在一定的難度.由于課堂時間有限，本節課沒有展開討論，僅引導學生觀察慢動作現象，比較和方案1之間的角度關系.圖5中，（a）圖為慢動作截圖，可以看到一個比較穩定的傾斜液面，（b）圖為液面所在直線與擺線所在直線的比較，二者基本相互垂直.

圖5 液體測量加速度實驗現象

并且在此方案中，如果取一開始刻度為0，半徑為9.8 cm，杯子上的刻度，就代表加速度的大小.

環節4.拓展討論：介紹Phyphox軟件與DIS加速度傳感器測量方式與測量原理，課堂小結，布置作業.

師：以上就是我們討論的3 種不同的實驗方案.實際上，在現在的科學技術條件下，已經有很多能夠直接測量空間加速度的方式了，比如一般的智能手機，其實內部就有一個加速度傳感器，只要安裝了Phyphox這個物理實驗軟件，就能夠調用這個傳感器，實現空間中任意方向加速度的測量.

手機加速度傳感器的原理與方案2 非常相似，只不過手機中，傳感器上下、左右、前后各方向都有一個類似彈簧的結構.這個彈簧體積更小，反應更靈敏，能夠非常快地將各方向的受力轉化為加速度.［5］此外，DIS配套儀器中，也有一個加速度傳感器，對同一套運動小車的裝置，測量出來的結果如圖6所示是很接近的.除此之外，還有很多原理，不同應用場景的加速度傳感器留給學生課外自己去查閱資料.

圖6 測量結果

3 單元教學視角下的課堂教學總結

3.1 教學設計思路

本節課作為單元學習活動“制作加速度計”的前期引導課，以“設計—制作—分析—改進”為主線，在現有實驗儀器的基礎上，創新性地建立合適的實驗環境.通過對各類加速度測量方案的討論，給學生提供一定的思路，幫助學生更好地完成加速度計的制作.按照教材上加速度計的設計要求，以帶平臺的小車模擬勻加速行駛的汽車，引導學生設計加速度計的制作方案.通過對牛頓第二定律進行理論分析，學生利用實驗室提供的各類實驗儀器，選擇恰當的儀器，測量小車的加速度，對能夠觀察到明顯現象的方案討論數據記錄方法，對不能觀察到明顯現象的方案研究其原因，針對實驗數據與效果，提出實驗改進方案.

此外，按照應當具備實際測量功能的要求，定標這一環節是必不可少的.如何確定需要測量的物理量，轉化成汽車的加速度，對學生來說將會是一個難點，因此在教學設計中注重對學生的引導.

3.2 教學設計反思

由于一節課40 min的時間限制，本節課是在一定的框架下引導，幫助學生對加速度計的制作建立初步思路.實際上，還有更多的方案等待學生挖掘，例如利用U 型管、滑動變阻器等儀器進行測量的方案.在課上討論的3 種方案中，還有很多可以發散討論的點，例如：方案1利用擺球測加速度實驗中，擺角往往偏大，經過實驗后發現當牽引小車的鉤碼質量為100 g時，擺角接近45°.這可能是由于空氣阻力所造成的影響.方案2彈簧秤測加速度實驗中，測量得到的力的大小與小車以及鐵球的質量分配有關.當鐵球放置于泡沫塑料上時，會引起泡沫塑料形變，因此鐵球放置的方式不同也會使測量結果不同.液體測加速度實驗中，為何液面往往呈一個拋物面？選用什么形狀的容器才能使實驗結果更準確呢？這些有趣的問題都可以留作學生在課后自行完成加速度計的過程中思考、討論.