大單元視域下物理模型學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)實(shí)踐與思考
——以“繩球模型”為例

劉杭州，宋書婷

1.烏魯木齊市實(shí)驗(yàn)學(xué)校，烏魯木齊 830026

2.烏魯木齊市第十五中學(xué)，烏魯木齊 830026

踐行大單元教學(xué)理念，師生必須基于廣闊的視角，站在學(xué)科核心素養(yǎng)得以發(fā)展的高位，對(duì)學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行深層次的整合加工，從而設(shè)計(jì)良好的教學(xué)路徑，以實(shí)現(xiàn)學(xué)生對(duì)物理問題的深層思考和深層理解［1］。踐行大單元教學(xué)理念必須理解“大”的含義，大單元之“大”強(qiáng)調(diào)的是在大概念的統(tǒng)領(lǐng)下，打破章節(jié)的壁壘，整合課程內(nèi)容，使學(xué)生的知識(shí)結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化［2］。學(xué)習(xí)進(jìn)階是在一個(gè)時(shí)間跨度內(nèi)學(xué)習(xí)和探究某一主題時(shí)，依次進(jìn)階、逐級(jí)深化的思維方式［3］。在進(jìn)行大單元教學(xué)設(shè)計(jì)的過程中，學(xué)習(xí)進(jìn)階理論與大單元教學(xué)理論不謀而合，相互支撐。物理知識(shí)學(xué)習(xí)的主要載體為物理模型的建構(gòu)和應(yīng)用，故探索大單元視域下的物理模型學(xué)習(xí)進(jìn)階方法對(duì)物理教學(xué)有現(xiàn)實(shí)意義。以“繩球模型”為例，探討大單元視域下的物理模型學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑設(shè)計(jì)。

1 梳理模型應(yīng)用分布情況，建構(gòu)模型進(jìn)階框架

大量物理知識(shí)之間具有明顯的階梯性和層級(jí)性，所以建構(gòu)完善的物理模型是一個(gè)復(fù)雜的過程。學(xué)生高中物理學(xué)習(xí)的過程中，包含了多個(gè)模型。梳理出物理模型在各個(gè)時(shí)間段的研究?jī)?nèi)容及進(jìn)階情況，建構(gòu)模型進(jìn)階框架，對(duì)教師有意識(shí)地按照時(shí)間線、知識(shí)線設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，輔助學(xué)生建構(gòu)完善的物理模型有重要作用。

“繩球模型”是高中物理的常用模型，在不同的學(xué)習(xí)階段，其“稱謂”及主要研究的問題是不同的，而且存在明顯的學(xué)習(xí)進(jìn)階特點(diǎn)。站在大單元視角，“繩球模型”有效地串聯(lián)了動(dòng)力學(xué)、能量、動(dòng)量等高中物理核心內(nèi)容。以“繩球模型”的建構(gòu)為主題，建構(gòu)基于大單元的進(jìn)階框架，對(duì)教師高效開展教學(xué)活動(dòng)有很好的輔助作用。“繩球模型”在高中階段可以分為五個(gè)小類型，分別為“繩球平衡模型”“繩球連接體動(dòng)力學(xué)模型”“繩球圓錐擺模型”“繩球豎直圓周運(yùn)動(dòng)模型”“繩球單擺模型”。五類模型按照學(xué)習(xí)時(shí)間線及知識(shí)序，存在縱向及橫向交叉的學(xué)習(xí)進(jìn)階體系，如表1所示。

表1 “繩球模型”進(jìn)階框架圖

2 分析模型具體建構(gòu)過程，形成模型進(jìn)階體系

基于大單元的物理模型學(xué)習(xí)進(jìn)階體系是以物理模型為載體，逐步深入學(xué)習(xí)物理概念及規(guī)律的過程。教師需基于進(jìn)階框架有意識(shí)地輔助學(xué)生逐步進(jìn)階學(xué)習(xí)，最終建構(gòu)完善的物理模型，并對(duì)模型建構(gòu)過程中的具體情境及應(yīng)用進(jìn)行分析，提出需要解決的核心問題，致力于讓過程具備系統(tǒng)性，從而幫助教師高效開展教學(xué)活動(dòng)。

“繩球模型”的建構(gòu)經(jīng)歷了共點(diǎn)力平衡問題、連接體動(dòng)力學(xué)問題、圓周運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)定量分析問題；用能量的觀點(diǎn)分析問題；用動(dòng)量、動(dòng)量守恒的觀點(diǎn)解釋問題；簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)中的單擺。該進(jìn)階過程可以窺得高中階段“繩球模型”的全貌，具體的進(jìn)階路徑如圖1所示。根據(jù)“繩球模型”的進(jìn)階框架，設(shè)計(jì)進(jìn)階核心問題，為站在大單元的視角上系統(tǒng)地建構(gòu)模型指明方向。

圖1 “繩球模型”進(jìn)階路徑

2.1 “繩球平衡模型”具體建構(gòu)過程

“繩球平衡模型”（圖2）的建構(gòu)集中在共點(diǎn)力平衡問題中，按照進(jìn)階框架主要解決的問題為：（1）小球在重力、繩子的拉力及第三個(gè)力的作用下偏離豎直位置后的平衡條件是什么？（2）如何在確定的位置計(jì)算拉力及第三個(gè)力的大小？（3）如何確定第三個(gè)力的大致方向及其最小值的大小及方向？（4）在確定方向的第三個(gè)力作用下的動(dòng)態(tài)平衡問題中各個(gè)力如何變化？（5）拉力及第三個(gè)力大小和方向都變化的動(dòng)態(tài)平衡問題中各個(gè)力如何變化？

圖2 繩球平衡模型

2.2 “繩球連接體動(dòng)力學(xué)模型”具體建構(gòu)過程

“繩球連接體動(dòng)力學(xué)模型”（圖3）的建構(gòu)主要集中在牛頓運(yùn)動(dòng)定律的應(yīng)用問題中，按照進(jìn)階框架主要解決的問題為：（1）小球在重力、繩子拉力的作用下偏離豎直位置時(shí)，小球做什么運(yùn)動(dòng)？（2）小球所受彈力、合外力及小球的加速度有多大？（3）小球的運(yùn)動(dòng)和小車之間是什么關(guān)系？（4）在不同的情境中（如斜面上），如何分析小球的受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？

圖3 繩球連接體動(dòng)力學(xué)模型

2.3 “繩球圓錐擺模型”具體建構(gòu)過程

“繩球圓錐擺模型”（圖4）的建構(gòu)主要集中在圓周運(yùn)動(dòng)中，按照進(jìn)階框架主要解決的問題為：（1）小球在重力、繩子拉力的作用下偏離豎直位置時(shí)，為什么可以做圓周運(yùn)動(dòng)？（2）什么力提供向心力？（3）如何求解運(yùn)動(dòng)中的線速度、角速度、周期等物理量？（4）在不同的情境中（如火車轉(zhuǎn)彎），如何分析小球（物體）的受力及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？

圖4 繩球圓錐擺模型

2.4 “繩球豎直圓周運(yùn)動(dòng)模型”具體建構(gòu)過程

“繩球豎直圓周運(yùn)動(dòng)模型”（圖5）的建構(gòu)分為兩個(gè)階段，分別為學(xué)習(xí)了圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)后的動(dòng)力學(xué)階段和學(xué)習(xí)了能量知識(shí)后的整體階段。按照進(jìn)階框架主要解決的問題為：（1）小球在重力、繩子拉力的作用下在豎直面內(nèi)為什么可以做圓周運(yùn)動(dòng)？（2）在最高點(diǎn)及最低點(diǎn)，什么力提供向心力？（3）小球能在豎直面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)的臨界條件是什么？（4）小球在最高點(diǎn)、最低點(diǎn)的速度、向心力、受到繩子的拉力等物理量間有什么關(guān)系？（5）在電場(chǎng)力及重力作用下的圓周運(yùn)動(dòng)如何分析？

圖5 繩球豎直圓周運(yùn)動(dòng)模型

2.5 “繩球單擺模型”具體建構(gòu)過程

“繩球單擺模型”（圖6）的建構(gòu)分為三個(gè)階段，分別為學(xué)習(xí)了圓周運(yùn)動(dòng)知識(shí)后的動(dòng)力學(xué)分析、學(xué)習(xí)了能量知識(shí)后的能量觀點(diǎn)分析以及學(xué)習(xí)了簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)后的小角度單擺運(yùn)動(dòng)特征分析。按照進(jìn)階框架主要解決的問題為：（1）小球在重力、繩子拉力的作用下做單擺運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)特征是什么？（2）什么力提供向心力？（3）單擺運(yùn)動(dòng)中小球受到重力的功率如何變化？（4）單擺運(yùn)動(dòng)中的能量如何變化？（5）做小角度單擺運(yùn)動(dòng)時(shí)，什么力提供回復(fù)力？（6）做小角度單擺運(yùn)動(dòng)時(shí)，小球的位移、速度、加速度、動(dòng)能、勢(shì)能等物理量如何變化？（7）做小角度單擺運(yùn)動(dòng)時(shí)，振動(dòng)的周期、頻率、振幅等物理量如何計(jì)算？

圖6 繩球單擺模型

上述“繩球模型”建構(gòu)中所提出的問題是建構(gòu)模型的核心問題，也是評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)的量化問題。要解決這些問題，勢(shì)必采取合理的課堂活動(dòng)設(shè)計(jì)。而要讓學(xué)生在頭腦中真正形成對(duì)“繩球模型”的成熟認(rèn)識(shí)，必須在高三階段設(shè)計(jì)微專題，在豐富的情境中，讓學(xué)生應(yīng)用綜合性的知識(shí)分析、解決“繩球”模型相關(guān)問題，以實(shí)現(xiàn)知識(shí)的內(nèi)化與升華。

3 提煉模型建構(gòu)進(jìn)階方法，提升學(xué)生核心素養(yǎng)

大單元視角下的模型建構(gòu)進(jìn)階設(shè)計(jì)一定是基于整個(gè)高中階段的學(xué)習(xí)內(nèi)容，根據(jù)模型具有的共同或相似特征進(jìn)行有效整合的過程。首先，教師必須輔助學(xué)生建立描述模型的基本概念及相關(guān)規(guī)律。建構(gòu)模型的過程是學(xué)生所學(xué)物理概念、規(guī)律的應(yīng)用、內(nèi)化、升華的過程，也正是提煉物理觀念的重要過程。其次，設(shè)計(jì)進(jìn)階框架并基于進(jìn)階框架安排課堂教學(xué)內(nèi)容、設(shè)計(jì)教學(xué)方案建構(gòu)階段性物理模型，體現(xiàn)學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的不同程度。最后，教學(xué)中有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生尋找不同模型間的關(guān)聯(lián)，進(jìn)而讓學(xué)生對(duì)所學(xué)物理模型進(jìn)行有效整合，形成結(jié)構(gòu)化、系統(tǒng)化的模型集。

4 結(jié)語(yǔ)

大單元視角下的模型建構(gòu)學(xué)習(xí)進(jìn)階設(shè)計(jì)由課程標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)實(shí)踐所決定。開發(fā)大單元視角下的模型建構(gòu)學(xué)習(xí)進(jìn)階方法可以幫助教師設(shè)計(jì)良好的教學(xué)路徑，同時(shí)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)行有效評(píng)價(jià)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生存在的問題和障礙，從而調(diào)整教學(xué)策略。一線教師必須努力學(xué)習(xí)，提升個(gè)人的專業(yè)素養(yǎng)，站在學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的視角建構(gòu)物理模型的教學(xué)方法。