基于大單元教學理念的高中物理概念教學設計
——以人教版高中物理“動量”概念為例

文∣董友軍 林秀連

物理概念是觀察、實驗、思維相結合的產物，它是物理學科重要內容。[1]在高中物理概念教學中，引導學生觀察自然現象、分析生活問題，是培養學生物理學科核心素養的重要方式。新課程方案中明確提出，“探索大單元教學，促進學生舉一反三、融會貫通，加強知識間的內在關聯，促進知識結構化”[2]。由此可以得出，大單元教學就是要通過知識結構化，加強知識間的內在聯系，實現深度教學，從而促進學生舉一反三、融會貫通，發展學生物理學科核心素養，提升學生解決實際問題的能力。本文基于大單元教學理念，對人教版高中物理選擇性必修第一冊中的“動量”概念進行教學設計。

一、大單元教學理念

華東師范大學崔允漷教授指出：大單元是一種學習單元，一個大單元就是一個學習事件、一個完整的學習故事、一個獨立的微型課程。[3]以前的教學方式中的一個單元如同一片樹葉或一條樹枝，而大單元則如同一棵樹，樹葉與樹枝、樹枝與樹干、樹干與樹根，以及樹葉與空氣、樹根與土壤等相互關聯，共同構成一棵完整的樹。大單元不是知識點的簡單相加，而是能夠滿足不同學生素養發展的需求，落實核心素養，實現學科育人的最小課程單元。大單元之大，不是指數量大，而是指格局大、內容大、架構大、視野大，這在課堂教學中體現為整體性、系統性、關聯性、拓展性等特點。

大單元教學是以大單元為學習單位，依據課程方案，聚焦學科核心素養，圍繞某一主題或某一活動，對課堂教學內容進行整體思考、設計、實施的教學，旨在實現“整體大于部分之和”，提升教學效益，落實課程育人目標，培養學生核心素養。大單元教學基于學科教材的整合和核心素養的要求，從中提煉出大概念(大主題)，由大概念得到大任務，由大任務得到大問題，由大問題得到大情境，從而實現大教育。其教學理念主要表現為：零碎知識只有經過結構化組織才能轉化為系統性的認知表征，即知識結構化；遷移能力只有在真實體驗任務中才能有效形成，即能力體驗化；意義學習必須在元認知參與下才能實現主體性建構，即學習建構化；形成素養需要經歷一個由淺到深、由具體到抽象的進階式探究歷程，即素養進階化。大單元教學不等于舍棄以一節為單位的教學設計，基本的教學還是一節一節來實現，但是教師在思考每一節的教學目標、教學方法時，要從單元整體出發，避免教學內容之間過于割裂、零散雜亂。

二、基于大單元教學理念的高中物理概念教學設計

教學設計是指教師為了優化教學過程，提高教學質量，以認知學習理論、教育傳播理論和系統科學理論為基礎，根據學生的學習特點和自身的教學風格，對教學過程的各環節、各要素預先進行科學計劃、合理安排，制定出整體教學運行方案的過程。本文基于大單元教學理念，對“動量”這一概念進行中學物理概念教學設計。

(一)課程標準

查閱高中物理課程標準，與“動量”相關的要求有四處：第一處為內容要求，“理解動量”。第二處為活動建議，“觀察臺球碰撞前后的運動情況，嘗試用動量知識定性解釋”。第三處為教學提示，“引導學生通過研究碰撞現象，拓展對物理世界的認識和理解。通過探究碰撞過程中的守恒量，發展學生運動與相互作用的觀念，使其了解物理規律具有適用范圍和條件”。第四處為學業要求，“通過對動量守恒定律等內容的學習，認識到物理規律的內在一致性和適用范圍，認識到物理研究是建立在觀察和實驗基礎上的一項創造性工作，在研究中必須堅持實事求是的態度”。[4]

(二)教材分析

1.課時視角

教材首先創設真實情境(兩個完全相同的鋼球發生碰撞)，讓學生觀察情境現象并提出問題(為何被碰鋼球能上升到與主碰鋼球同樣的高度)，從而引導學生提出猜想(碰撞前后兩球速度之和不變)，并創設真實實驗(替換原主碰鋼球使其質量大于被碰鋼球)，定性說明猜想不正確。接著繼續創設真實實驗(兩輛小車在光滑軌道上碰撞后粘在一起)，尋找碰撞中的不變量(判斷兩輛小車碰撞前后的動能之和、質量與速度乘積之和是否不變)，發現碰撞中的不變量為質量與速度的乘積之和。隨后把找到的不變量命名為“動量”，并得出動量的公式、單位、方向。最后通過做一做、練習與應用等環節，對動量的知識進行應用、體驗、鞏固。

2.大單元視角

人教版高中物理選擇性必修第一冊第一章為“動量守恒定律”，總計有6節：第1節為“動量”，第2節為“動量定理”，第3節為“動量守恒定律”，第4節為“實驗：驗證動量守恒定律”，第5節為“彈性碰撞和非彈性碰撞”，第6節為“反沖現象 火箭”。通過分析發現，本章內容都圍繞“動量守恒定律”展開，因此把本章全部內容作為一個大單元，則“動量守恒定律”屬于該大單元的核心概念，“動量”“沖量”“動量定理”則屬于該大單元的重要概念。

從力學體系視角，動量在其中的關系如圖1所示：力學的基本物理量為質量m、長度x、時間t；長度與時間構成速度v；質量與速度構成動量p和動能Ek，時間與速度構成加速度a；質量與加速度構成力F；位移與力構成功W，時間與力構成沖量I，速度與力構成功率P。從圖1可以清晰看出，動量在力學體系中具有承上啟下的作用，上承質量、位移、時間，下啟力、沖量等概念，是核心概念“動量守恒定律”的基礎。

圖1 動量在力學體系中的關系

(三)教學目標

1.物理觀念

知道動量的來源，明白動量的內涵與外延，找到碰撞中的不變量，從而發展學生運動與相互作用的觀念。

2.科學思維

創設兩個鋼球相碰的真實情境，并忽略空氣阻力，建構碰撞模型；觀察到兩個鋼球碰撞前后的最大高度相同，讓學生進行定性分析，培養學生科學推理與科學論證素養；改變鋼球質量，觀察實驗現象，并提出新的猜測，培養學生的質疑和創新素養。

3.科學探究

通過演示實驗，激發學生提出問題，并鼓勵學生進行猜測；又通過實驗去尋找不變量，最終發現碰撞過程中動量之和不變，培養學生的科學探究素養。

4.科學態度與責任

在實驗研究過程中，始終堅持實事求是精神，并讓學生認識到，物理研究是建立在觀察和實驗基礎上的一項創造性工作，樹立學生的科學態度；通過尋找碰撞中的不變量，學生認識到物理研究的本質是找到自然界中不變的物理量。

(四)學情分析

這個階段的學生已經掌握了質量、速度、動能等基本概念，也掌握了光電門測速、矢量運算等方法和法則，還經歷了機械能守恒定律、動能定理的探究過程，為尋找碰撞中的不變量做好了知識、方法、技能、思維的準備。

(五)教學過程

根據大單元教學理念，教師從知識整體出發，創設真實情境，突出學生主體，對“動量”進行教學重構，從而發展學生物理學科素養，提升學生分析問題、解決問題的能力，教學流程如圖2所示。本文主要從師生活動、設計意圖對教學過程加以說明。

圖2 動量教學流程

1.創設情境，提出問題

師生活動：

【活動一】教師準備好演示實驗裝置(如圖3)，已知鋼球A質量等于鋼球B質量。首先讓學生猜測：拉起鋼球B，然后靜止釋放，鋼球B與鋼球A碰撞后會產生什么現象？學生猜測：碰撞后鋼球B靜止、鋼球A擺起的高度等于鋼球B釋放的高度。接著教師進行實驗，實驗現象與學生猜測結果相同。然后教師追問：碰撞后鋼球A擺起的高度等于鋼球B釋放的高度，反映了什么物理規律？

圖3 A質量等于B質量

學生回答：根據機械能守恒定律可得，鋼球A碰撞后的速度等于鋼球B碰撞前的速度，這意味著碰撞前后，兩個鋼球速度之和是不變的。

【活動二】教師準備好演示實驗裝置(如圖4)，已知鋼球A質量小于鋼球C質量。首先讓學生猜測：拉起鋼球C，然后靜止釋放，鋼球C與鋼球A碰撞后會產生什么現象？學生猜測：碰撞后鋼球C繼續向左運動、鋼球A擺起的高度小于鋼球C釋放的高度。接著教師進行實驗，實驗現象與學生猜測結果不同：鋼球A擺起的高度大于鋼球C釋放的高度。然后教師追問：碰撞后鋼球A擺起的高度大于鋼球C釋放的高度，反映了什么物理規律？

圖4 A質量小于C質量

學生回答：根據機械能守恒定律可得，鋼球A碰撞后的速度大于鋼球C碰撞前的速度，這意味著碰撞前后，兩個鋼球速度之和是變大的。

【活動三】教師準備好演示實驗裝置(如圖5)，已知鋼球A質量大于鋼球D質量。首先讓學生猜測：拉起鋼球D，然后靜止釋放，鋼球D與鋼球A碰撞后會產生什么現象？學生猜測：碰撞后鋼球D反彈、鋼球A擺起的高度小于鋼球D釋放的高度。接著教師進行實驗，實驗現象與學生猜測結果基本吻合。然后教師追問：碰撞后鋼球A擺起的高度小于鋼球D釋放的高度，反映了什么物理規律？

學生回答：根據機械能守恒定律可得，鋼球A碰撞后的速度小于鋼球D碰撞前的速度，這意味著碰撞前后，兩個鋼球速度之和是變小的。

通過以上三個活動，說明兩個鋼球碰撞后的速度與兩個鋼球的質量有關，教師可接著鼓勵學生大膽提出問題：兩個物體碰撞前后，質量與速度的乘積之和是否不變呢？

設計意圖：創設“兩個鋼球碰撞”的真實情境，先讓學生猜測，然后進行實驗演示，既可以體現物理概念源于生活，也可以激發學生學習物理的興趣。同時教師采用問題驅動的教學方式，引導學生用機械能守恒定律去分析問題，有利于培養學生的科學思維、科學探究等物理學科核心素養。

2.定量分析，尋找不變

師生活動：

教師創設碰撞實驗(如圖6)，兩輛小車放在光滑軌道上，用一輛運動的黃色小車A碰撞一輛靜止的紅色小車B，且保持小車A的質量不變。

圖6 碰撞實驗

用電子秤測得小車A、B的質量為m1、m2，用光電門測得小車A、B碰撞前的速度分別為v1、v2，小車A、B碰撞后的速度分別為v1′、v2′，設小車A初速度方向為正方向，則與初速度同向為正值、反向為負值。學生進行分組實驗，并填寫表1。

表1 碰撞實驗測量數據

學生通過定量實驗，證明了之前提出的問題是正確的，從而找到碰撞過程中隱藏的不變量：兩個物體碰撞前后，質量與速度的乘積之和不變。

設計意圖：要驗證學生提出的問題，就必須進行定量分析。為了方便測量速度，把單擺的鋼球碰撞轉化為光滑軌道上的小車碰撞，同時為了簡化計算，采用控制變量法，讓小車A的質量保持不變、小車B碰撞之前保持不動。通過以上處理，建立碰撞模型，突出研究重點，培養學生模型建構等科學思維。讓學生基于觀察，提出物理問題，再經歷實驗操作過程，驗證提出問題的正確性，有利于培養學生提出問題、尋找證據等科學探究素養。

3.定義概念，關注內涵

師生活動：

教師鼓勵學生用自己的語言概括動量相關知識，并請學生填寫表2，讓學生了解動量內涵。接著教師又設置例題，先讓學生獨自解答，再引導學生相互討論，最后教師進行點評，從而促進學生對動量的理解。

表2 動量內涵

【例題】如圖7，中國女籃隊員把一個籃球從距離地面1.25 m高處靜止釋放，遇到地面豎直反彈的高度為0.8 m，不計空氣阻力，取g=10 m/s2。求：

圖7 靜止釋放籃球

(1)籃球下落剛接觸地面和反彈剛離開地面時的動量？

(2)籃球從下落剛接觸地面到反彈剛離開地面過程中動量變化？

(3)籃球從下落剛接觸地面到反彈剛離開地面過程中動能變化？

設計意圖：讓學生自己概括出動量相關知識，既有利于新知識的內化，也有利于概括能力和表達能力的培養，體現學生主體性，從而發展學生物理觀念。設置例題，讓學生區分動量與動量變化、動量與動能等概念，且選用真實情境設置例題，將解答習題變為解決問題，有利于培養學生用物理知識解決實際問題的能力。同時滲透思政意識，特意選擇中國女籃隊員圖片，有利于培養學生家國情懷，增強學生國家自信心、民族自豪感等科學態度與責任方面的素養。

4.聯系生活，應用拓展

師生活動：教師展示生活圖片，并提出問題。

【問題一】如圖8所示，足球與飛鳥質量差不多，為何運動員頂球后，其頭部完好無損，而當飛行的飛機撞上飛鳥時，機頭會被撞個大窟窿？

圖8 頂球與飛機撞鳥

【問題二】如圖9所示，實心球與鉛球的落地速度差不多，為何實心球砸出的坑比較淺，而鉛球砸出的坑比較深？

圖9 投實心球和鉛球

【問題三】如圖10所示，用鐵錘擊打釘子，如何把釘子快速敲入木板？

圖10 鐵錘擊打釘子

學生對教師提出的問題進行思考、討論，并作出回答。

【回答一】足球與飛鳥質量差不多，但足球運動速度小，頂球后，足球動量變化較小，因此運動員頂球后，其頭部完好無損。而飛機運動速度大，鳥撞飛機后，鳥動量變化大，因此機頭被撞個大窟窿。

【回答二】實心球與鉛球落地速度差不多，但實心球質量比較小，落地后，實心球動量變化較小，因此實心球砸出的坑比較淺。而鉛球質量比較大，落地后，鉛球動量變化較大，因此鉛球砸出的坑比較深。

【回答三】要把釘子快速敲入木板，根據生活經驗，有兩種方式：一是增大鐵錘運動的距離，則鐵錘接觸釘子時的速度較大，鐵錘敲擊釘子后動量變化較大，因此可以把釘子快速敲入木板；二是換用質量較大的鐵錘，則鐵錘敲擊釘子后動量變化較大，因此也可以把釘子快速敲入木板。

設計意圖：設置幾個生活情境，引導學生用動量相關的知識去分析，有利于培養學生用物理知識解決生活實際問題的能力，培養學生物理觀念。選擇的生活情境，既有利用動量的情境，也有防止動量的情境，體現事物的兩面性，從而把物理教學上升到哲學的高度；同時還特意選擇2022年女足獲得亞洲杯冠軍時的比賽圖片，有利于培養學生的家國情懷，增強國家認同感、自豪感，培養學生的科學態度與責任。

三、基于大單元教學理念的高中物理概念教學反思

教學反思是教師對教學活動整個過程進行的全面、深入、冷靜的思考和總結，并對課堂教學活動中所做出的行為決策及其產生的現實結果進行的客觀、公正、準確的分析和概括。通過“動量”教學實踐，基于大單元教學理念進行教學反思，可總結出三個意識。

(一)整體意識——縱向化和橫向化

整體是指一個由存在內在關系的若干部分所組成的體系對象。這種內在關系，可以是功能互補、利益共同、協調行動等。課標明確提出要樹立教學整體觀，培養學生物理觀念。縱向化是指縱向貫通，即指出本知識點與其他知識點之間的邏輯關系，可以用知識結構圖去呈現，如前文圖1所示。橫向化是指橫向關聯，即指出本知識點各個內在部分之間的邏輯關系，可以用課時流程圖去呈現，如前文圖2所示。

(二)情境意識——生活化和問題化

情境是指一定時間內各種情況的相對的或結合的。教學情境引入應該遵循“由實及虛”的原則，即能夠用演示就不用視頻，能夠用視頻就不用動畫，能夠用動畫就不用圖片，能夠用圖片就不用文字。創設情境進行教學，對培養學生物理學科核心素養具有關鍵性作用。生活化是指情境來源于學生身邊的事例，學生比較熟悉，沒有陌生畏懼感。問題化是指情境需要引起學生認知沖突，并能夠激發學生好奇心，從而引導學生提出物理問題。遠離學生生活的情境會增加學生的認知難度。無法據此提出問題的情境對教學來說也是無效情境。學生在學習物理概念之前，已積累了大量基于生活經驗形成的經驗性常識，要在此基礎上建構物理概念，就必須對所觀察的現象重新加工，在諸多客觀情境中概括事物的共同屬性，將事物的本質特征抽象化，完成從經驗性常識向物理概念的轉變。因此建立物理概念需要創設情境，如圖3至圖5。運用物理概念解決具體問題也應該結合具體的實際情境，如圖7至圖10，因為運用物理概念解決實際問題能力的高低，往往取決于學生將情境與知識相聯系的水平。

(三)思政意識——素材化和潛移化

物理課程思政是指以物理知識為載體，在課程中融入思想政治教育內容，有意識地培養學生思想政治素質的教學理念。[5]素材化是指充分利用課堂教學素材。物理知識是死的，而教學素材是活的，通過精選教學素材，能夠有效在物理課程中落實思政意識的培養。潛移化是指潛移默化。心理學家指出，中學生有較強的逆反心理，對正面宣傳有強烈的不認同、不信任的反向思考。[6]為了不激發學生這個心理特征，潛移默化是落實物理課程思政的關鍵。2016年12月7日，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上指出，“好的思想政治工作應該像鹽，但不能光吃鹽，最好的方式是將鹽溶解到各種食物中自然而然吸收”。以專業為載體、以課堂為陣地，通過滲透的方式把思政元素融入知識傳授過程，才能更好地實現全過程、全學員、全方位育人的目的。