“大概念?大單元”視角下高中物理課堂習題設計探究

管征宇

【摘要】大單元教學設計因立意更高，而優于傳統教學設計.課堂習題作為重要的教學手段，必不可少.本文從大單元的視角，論述目前課堂習題存在的問題，課堂習題設計的重要意義及設計原則，并以“動量守恒定律的課堂習題設計“為例，闡述基本設計思想.

【關鍵詞】大單元；高中物理；課堂教學

大單元教學設計往往以某一問題為主線，層層推進，在解決一個個問題的過程當中，學習知識、掌握方法.課堂習題是課堂教學的重要組成部分，它不僅能幫助學生鞏固和加深對新知識的理解，更能整合串聯知識，提高解題能力，培養學生思維能力.本文將從大單元的視角對課堂習題的設計進行初步的探索和總結.

1 習題設計的原則

1.1 注重物理模型的建構

物理模型天生可以簡化各種不同的物理表象.基于建立模型的學習方法，是最高效的學習方法之一.

1.2 根據教學進度，設計合理的課堂習題

了解學生已掌握的知識成為課堂習題設計重要考慮因素.課堂習題設計的要根據新課、章末復習、高考復習等不同階段設計適宜的習題.

1.3 注重創新意識和科學素養的培養

高中物理課程習題的設計根本目的是培養學生提出問題、分析問題、解決問題的能力，提升科學素養.具有創新意識的課堂習題能有效激發學生學習興趣，引發積極的思考，并在思考、分析的過程當中提高解決問題的能力.

1.4 注重課堂習題的層次性

設計習題時重視學生的個體差異，因材施教，設計一些富有層次的習題，讓不同層次的學生都有機會基于自身能力獨立完成部分或全部問題.

1.5 重視真實物理情境的創立

真實的物理情境更容易使學生產生共鳴，觸發他們的追尋本質的探索欲和好奇心，從而觸動他們主動提出問題、思考問題，并通過分析、計算和討論發現解決問題的途徑，達到掌握知識，培養能力的目的.

2 課堂習題設計案例

“動量守恒定律“的課堂習題設計

教材內容和結構（如圖1）

學情分析

學生已經掌握了速度、加速度的求解、牛頓運動定理的應用，并且初步形成了相互作用觀、運動觀和能量觀，具備一定的守恒思想.這些成為本章學習的基礎.

重點知識和難易度分析（如表1）

習題設計及分析

例1 作為國球的乒乓球運動在我國有很高的普及度.運動員擊打乒乓球時的速度可以達到50m/s，假設乒乓球飛來的速度為20m/s，運動員將乒乓球以40m/s的速度反向擊回，乒乓球的質量為2.5g，則乒乓球的動量，變化量（? ）

（A）大小為0.15 kg·m/s，方向與乒乓球飛來的方向相同．

（B）大小為0.15kg·m/s，方向與乒乓球飛來的方向相反．

（C）大小為0.05kg·m/s，方向與乒乓球飛來的方向相反．

（D）大小為0.05kg·m/s，方向與乒乓球飛來的方向相同．

設計意圖

（1）動量的變化量ΔP＝P末－P初.

（2）動量和動量的變化量都是矢量，應用時要先確定正方向，ΔP的方向也要進行說明.

設計原則

（1）面向全體學生；（2）創建真實情境.

案例評析

動量是矢量，但是其表達式與動能非常相似，所以，學生會下意識地把動量理解為標量.通過本題的解答，學生將認識到自己的錯誤觀念，使問題得到及時糾正.

例２ 小劉同學是一位籃球愛好者，他讓籃球由靜止釋放，籃球下落后與地面相撞，反彈后籃球上升.已知，籃球的質量為0.5 kg，釋放后籃球下降高度為1.25m，反彈的最大高度為0.45m，取重力加速度g＝10 m/s2，且不計空氣阻力，求地面與籃球碰撞過程中：

（1）籃球動量的變化量；

（2）籃球動能的變化量.

拓展延伸：如果籃球反彈后仍然上升到1.25m高度處，且不考慮與地面碰撞時的能量損失，則籃球動量和動能的的變化量分別是多少？

設計意圖

動量和動能概念相近，公式相近，決定因素相近，極易混淆，通過本習題幫助學生辨析.

設計原則

（1）原題面向全體學生，拓展題面向中等及以上學生；（2）創建真實情境；（3）適合動量概念學習.

案例評析

本案例把動量變化和動能變化的求解放在一起.解答完成之后，可以借助解題結果深入分析和比較動量和動能的區別.學生將通過對比明確動量和動能決定量都是質量和速度，但動量是矢量，動能是標量.動量變化動能不一定改變，動能變化動量一定變化.

例３ 如圖2所示，小劉同學在學習慣性知識時，老師演示了杯下取紙的實驗.小劉發現，老師緩慢拉紙條時，杯子容易滑離桌子，而快速拉動紙條時，發現杯子并沒明顯的運動.對于這個實驗，下列說法正確的是（? ）

（A）緩慢拉動紙條時，摩擦力對杯子的沖量較?。?/p>

（B）快速拉動紙條時，摩擦力對杯子的沖量較大．

（C）為使杯子不滑落，杯子與紙條間的動摩擦因數應盡量大一些．

（D）為使杯子不滑落，杯子與桌面間的動摩擦因數應盡量大一些．

設計意圖

根據動量定理FΔt＝p′－p＝Δp可知：

1.ΔP一定，Δt短則F大，Δt長則F小；

2.F一定，Δt短則ΔP小，Δt長則ΔP大；

3.Δt一定，F大則ΔP大，F小則ΔP小.

設計原則

（1）面向全體學生；（2）創建真實情境；（3）培養解決問題能力，激發學習興趣.

案例評析

按照生活經驗，學生很容易錯誤地認為“運動越快，力就越大，沖量就越大”，這種錯誤觀念主要是兩個原因引起：①運動越快，摩擦力越大；②由牛頓第二定律“F=ma”可知力越大，加速度越大，運動變化越快.③因知識點的不熟練而忽略了時間對沖量的影響.

例4 如圖3所示，光滑水平面上有一質量為m2的滑塊A處于靜止狀態，A的左端與水平輕質彈簧相連，另有一質量為m1的滑塊B以速度v0向右運動，并與彈簧發生相互作用，兩滑塊和彈簧處在同一直線上，問：

（1）彈簧的彈性勢能什么情況下最大？最大為多少？

（2）兩球共速后，兩球的速度如何變化？彈簧長度如何變化？

（3）小球B的速度什么情況下最大？最大為多少？

拓展延伸1

（1）系統動能何時最??？求系統動能的最小值.

（2）從小球與彈簧相互作用至彈簧恢復原狀的過程，系統動能何時最大？求系統的動能的最大值.

拓展延伸2

（1）如圖4，兩個彈性小球或剛性小球在光滑水平面碰撞，各物理量如何變化？

（2）如圖5，兩個同種性質電荷的小球在光滑的絕緣水平面從較遠處靠近（不接觸），各物理量如何變化？

（3）如圖6，小球沖上靜置于光滑水平面上的光滑斜面，各物理量如何變化？

設計意圖

（1）模型建構：對兩個（或兩個以上）物體與彈簧組成的系統，在相互作用的過程中，若系統合外力為零，則系統動量守恒.若接觸面光滑，彈簧和物體組成的系統機械能守恒；

（2）彈簧處于最長（最短）狀態時兩物體速度相等，彈性勢能最大，系統動能通常最?。ㄏ喈斢谕耆菑椥耘鲎?，兩物體減少的動能轉化為彈簧的彈性勢能）；

（3）彈簧恢復原長時，彈性勢能為零，系統動能最大（相當于剛完成彈性碰撞）；

（4）“拓展延伸2”通過類比的方法把“小球—彈簧碰撞模型”拓展到更多的情境中.

設計原則

分層設計：原題面向全體學生，拓展延伸1面向中等以上學生，拓展延伸2面向學優生.

案例評析

本案例不僅為了建立解決碰撞問題的基本模型，更通過“拓展延伸1”使學生從能量轉化和守恒角度理解碰撞規律；“拓展延伸2”通過類比的方法把這種用“定量+能量”的觀念解決問題的方法擴展到鋼球碰撞、帶電體之間的相互作用問題，最后，又拓展到小球斜面模型（某一方向動量守恒）.以后還可以拓展到分子之間的相互作用.

3 結語

在習題實際使用過程中，也發現了存在的很多不足，留下了遺憾.習題設計只是習題教學的開始，如何用好這些習題，如何在習題使用中發現問題，總結優缺點，反過來指導習題的設計也成為習題設計的重要一環.筆者將在后續教學中進行實踐和研究.