“大單元教學”視角下中學物理概念教學設計與反思

董友軍

(廣州市教育研究院東部分院,廣東 廣州 510700)

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]中學物理概念教學富有科學性、方法性、思想性,主要包含物理概念形成的基礎(感知活動、觀察實驗、經驗事實)、物理概念形成的方法(問題解決、科學方法、觀察證實)、物理概念形成的形式(概念結構、數學結構、知識結構).在中學物理概念教學中,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.2022年《義務教育課程方案》在“課程實施”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]由此可以看出,“大單元教學”就是通過知識結構化、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能力.本文在大單元教學視角下,以人教版高中物理選擇性必修1“動量”[3]為案例,對中學物理概念教學進行具體設計與深刻反思.

1 大單元教學概述

從生活視角解釋,單元為“整體中自成段落、系統,自為一組的單元”,其主要特征是“單獨而完整,不可再分的個體或集合體”,如單元房,包括客廳、廚房、臥室等配套設備的單獨住房.從教學視角解釋,單元就是根據教學實際需要,按照某個主題整合教學內容、教學任務、教學活動、教學資源、教學方法等而形成的一個完整而獨立的教學單位,如“動量守恒定律”單元,都是圍繞動量守恒定律相關內容而展開.

華東師大崔允漷教授指出: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.[4]以前教學只是把一片樹葉或一枝樹丫看作一個單元,而大單元如同一棵樹,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,這棵完整的樹就是一個大單元.大單元基本要素包括內容、實施、目標、評價(如圖1所示),其構成一個完整的學習事件:內容體現學習素材,實施體現學習過程,目標體現學習方向,評價體現學習結果,即學習“內容”通過具體“實施”而達成學習“目標”,再對整個學習過程進行“評價”,從而優化教學過程,提高教學效率.新課程理念下,大單元可以是教材中呈現的單元,也可以是對教材重組形成的新單元.大單元不是知識點簡單相加,而是最小課程單元,能夠滿足不同學生素養發展需求,它是落實核心素養、實現學科育人的基本單位.大單元之大,不是指大數量,而是指大格局、大內容、大架構、大視野等,從而實現課堂教學的整體性、系統性、關聯性、拓展性等.

圖1 大單元要素

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,從而實現“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.大單元教學是基于培育核心素養和整合學科教材,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,其教學思想主要表現為: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.大單元教學不等于不要一節的教學設計,基本的教學單位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,是從單元整體出發,避免將教學內容分割成一節一節,零散雜亂.在大單元教學活動中,教師不只盯著知識點、考試點,還要“左顧右盼、上掛下連”,從課內到課外、從校內到校外,視野從學習領域擴大至生活領域,真正實現“學習即生活”.

2 大單元教學視角下中學物理概念教學設計

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,制訂出整體教學運行方案的過程.本文基于大單元教學視角,對“動量”進行中學物理概念教學設計.

2.1 大單元視角

人教版高中物理選擇性必修第1冊第1章為“動量守恒定律”,總計有6節:第1節“動量”;第2節“動量定理”;第3節“動量守恒定律”;第4節“實驗:驗證動量守恒定律”;第5節“彈性碰撞和非彈性碰撞”;第6節“反沖現象 火箭”.分析本章內容,都是圍繞“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”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2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2可以清晰看出,動量在力學體系中具有承上啟下作用,上承質量、位移、時間,下啟力、沖量,是核心概念“動量守恒定律”的基礎.

圖2 動量在力學體系中的關系

2.2 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(為何被碰鋼球升到主碰鋼球同樣高度).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(把原主碰鋼球換成質量大于被碰鋼球質量),定性說明猜想不正確.接著創設真實實驗(兩輛小車在光滑軌道上碰撞后粘在一起),尋找碰撞中不變量(判斷碰撞前后兩輛小車的動能之和、質量與速度乘積之和是否不變),并找到碰撞中的不變量為質量與速度的乘積之和.隨后把尋找到的不變量命名為動量,并得出動量的公式、單位、方向.最后通過例題、做一做、練習與應用,對動量進行應用、體驗、鞏固.

根據大單元教學理念,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能力,其教學流程如圖3所示.

圖3 動量教學流程

2.3 教學過程

教學過程是指師生在共同實現教學任務中的流程,它由相互依存的教和學兩方面構成,其發展動力是教師提出的教學任務與學生已有的實際水平之間的矛盾.本文主要從師生活動、設計意圖對教學過程加以說明.

(1) 創設情境,提出問題.

活動1.教師準備好演示實驗裝置,如圖4(a)所示,已知mA=mB.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:鋼球A擺起的高度等于鋼球B釋放的高度,反映什么物理規律嗎?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.

mA=mB(a)

活動2.教師準備好演示實驗裝置,如圖4(b)所示,已知mA

活動3.教師準備好演示實驗裝置,如圖4(c)所示,已知mA>mD.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:鋼球A擺起的高度小于鋼球D釋放的高度,反映什么物理規律?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3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:創設真實情境(兩個鋼球碰撞),先讓學生猜測,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興趣.同時教師采用問題驅動教學方式,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5所示),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.

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碰撞前的速度為v1、v2,用光電門測得小車A、B碰撞后的速度為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

通過學生定量實驗,驗證了學生提出的問題是正確的,從而尋找到碰撞過程中隱藏著不變量: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,從而有利于培養學生問題、證據等科學探究.

(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.教師又設置例題,先讓學生獨自解答,再引導學生相互討論,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1.如圖6所示,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6 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,也有利于培養學生概括能力、表達能力,體現學生主體,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.且選用真實性情境設置例題,變解答習題為解決問題,有利于培養學生用物理知識解決實際問題的能力.同時滲透物理課程思政理念,刻意選擇中國女籃隊員圖片,有利于培養學生家國情懷,增強國家自信心、民族自豪感等科學態度與責任.

(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1:如圖7所示,足球與飛鳥質量差不多,為何運動員頂球后,其頭完好無損,而當飛行的飛機撞上飛鳥時,機頭會被撞個大窟窿?

圖7 頂球與飛機撞鳥

問題2:如圖8所示,實心球與鉛球的落地速度大小差不多,為何實心球砸出的坑比較淺,而鉛球砸出的坑比較深?

圖8 投實心球和鉛球

問題3:如圖9所示,用鐵錘擊打釘子,如何把釘子快速敲入木板?

圖9 鐵錘擊打釘子

學生對教師提出的問題進行思考、討論,并作出相應回答.

回答1: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2:實心球與鉛球落地速度大小差不多,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3:要把釘子快速敲入木板,根據生活經驗,有兩種方式:其一是增大鐵錘運動的速度,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;其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.且選擇的生活情境,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;同時還刻意選擇2022年女足獲得亞洲杯冠軍的比賽圖片,有利于培養學生家國情懷,增強國家認同感、自豪感,培養學生科學態度與責任.

3 大單元教學視角下中學物理概念教學反思

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以及產生的現實結果進行客觀、公正、準確的分析和概括.通過“動量”教學實踐,從大單元教學視角下進行教學反思,總結出6個意識.

3.1 整體意識——縱向化和橫向化

整體是指一個由有內在關系的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.楊振寧教授說:研究物理學如同觀看一幅很大的畫,需要近、中、遠3種距離觀看.遠處觀看,就是整體意識.課標明確提出: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,如圖2所示.橫向化,是指橫向關聯,即指出本知識點內部各個部分的邏輯關系,可以用課時流程圖去呈現,如圖3所示.

3.2 情境意識——生活化和問題化

情境是指一定時間內各種情況與境地.教學情境引入應該遵循“由實及虛”的原則,即能夠演示就不用視頻,能夠視頻就不用動畫,能夠動畫就不用圖片,能夠圖片就不用文字.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作用.生活化,是指生活可見,即學生身邊的事例,學生比較熟悉,沒有陌生畏懼感.問題化,是指提出問題,即情境需要引起學生認知沖突,并能夠激發學生好奇心,從而促進學生提出物理問題.情境若不能提出問題,這個情境就是無效情境.情境若遠離學生生活,這樣的情境就會增加學生認知困難.學生在學習物理概念之前,基于生活經驗形成了大量的經驗性常識,要在此基礎上建構物理概念,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,抽象事物的本質特征,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4.應用物理概念解決具體問題應結合具體的實際情境,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,如圖6～9所示.

3.3 主體意識——體驗化和互動化

主體指學生主體,在教學活動中,學生具有自主性、主動性、創造性.[5]課程方案在課程實施中明確指出:創設以學習者為中心的學習環境,凸顯學生的學習主體地位,開展差異化教學,加強個別化指導,滿足學生多樣化學習需求.習近平總書記在主持召開學校教師座談會指出,要加大對學生認知規律和接受特點的研究,發揮學生主體性作用.體驗化是指讓學生可以在課堂進行體驗,即學生參與到課堂教學活動中,在用中學、做中學、創中學,體驗知識形成過程,如圖5所示.互動化是指師生互動,即教師激發學生思考,引導學生探究,形成師生互動局面,促進學生深度學習.課程標準在教學建議中指出:處理好教師指導與學生自主的關系,既要有教師的合理指導,確?；顒友驖u進,又要有學生自主實踐、獨立思考、大膽設計,如圖7、8所示.

3.4 進階意識——本質化和創新化

進階是指學習進階,即學生在學習時所遵循連貫、深入的思維路徑,也是學生在學習時所遵循連貫、典型的學習路徑,[6]它由進階起點、進階水平、進階終點、進階變量、測評工具等5個要素構成.進階起點、進階水平、進階終點,構成中學物理教學主線,并通過進階變量引領、測評工具修正,把零散的知識個體整合為關聯的知識結構,從而讓每一節物理教學,既發展學生關鍵能力,又發展學生核心素養.本質化是指找出現象背后隱含的物理本質.現象是本質的外顯,遷移性弱,而本質是現象的內隱,遷移性強.教師要引導學生,從現象到本質,養成挖掘現象的本質習慣,如圖5所示,探究不變量——動量之和不變.創新化是指用所學的物理知識去創新,培養學生的創新意識、創新能力,這是學習的最高價值,也是思維的高階層次.習近平總書記在全國教育大會上強調,“遵循教育規律,堅持改革創新”.物理課程標準在前言中指出,“培養學生社會責任感、創新精神、實踐能力”,在課程性質也指出,“引導學生經歷科學探究過程,體會科學研究方法,養成科學思維習慣,增強創新意識和實踐能力”,如圖7～9所示.

3.5 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,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.[7]素材化是指課堂教學素材.通過精選教學素材,能夠有效落實物理課程思政,實現全過程、全學員、全方位育人.潛移化是指潛伏轉移.心理學指出,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.[8]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”,如圖6、7所示,就體現了思政意識.

3.6 方法意識——顯性化和中心化

方法是指科學方法,即是人們在認識和改造世界中遵循并符合科學原則的各種途徑或手段,包括在科學活動中采用的思路、程序、規則、技巧和模式.科學方法可以分為思維方法和學科方法(如圖10所示):學科方法包括獲得知識的方法和應用知識的方法,屬于強認知方法,體現學科特點,可遷移性弱;思維方法包括邏輯思維方法和非邏輯思維方法,屬于弱認知方法,貫穿各門學科,可遷移性強.[9]

圖10 科學方法分類

顯性化是指明確呈現,即明確指出教學方法,如為了簡化計算,圖7實驗過程,采用控制變量法,讓小車A的質量保持不變和小車B碰撞之前保持不動.中心化是指處于中心位置,如圖11所示,自然現象通過科學方法得到物理知識,物理知識通過科學方法得到函數關系,函數關系通過科學方法得到拓展應用,科學方法把自然現象、科學知識、函數關系、拓展應用聯結起來.[10]科學方法是科學現象通達科學知識的必經之路,學生只有掌握了科學方法,才能快捷地獲取科學知識,如圖7,學生通過實驗探究法,尋找到碰撞過程中隱藏著不變量:兩個物體碰撞前后,質量與速度的乘積之和不變.

圖11 科學方法中心化

4 結束語

“大單元教學”是新課程方案中明確提出的教學建議,目前已經成為中學一線教師的實踐熱點.廣州市黃埔區中學物理學科教師,積極主動探究“大單元教學”,在黃埔區中學物理教研員的引領下,已經推動1年,先后上了12節研討課,包括4節物理概念課、4節物理規律課、4節物理專題課,既促進了教師專業成長,也促進了學生素養發展.本文是對12節研討課的總結與提煉,希望可以為探索“大單元教學”提供有益支持,為基礎教育改革發展貢獻綿薄力量.