大單元視域下的物理概念教學

本文針對大單元的物理概念教學展開，以功的教學為例，從學科核心素養和學情基礎出發進行分析，探討了大單元教學的必要性和可行性，并進一步闡述了功教學中的學生實驗，為該節課的教學提供參考.

1物理概念教學現狀的特點

物理概念是對物理現象和過程的概括，構建物理概念是物理教學的關鍵問題之一，但部分物理概念反映的某些物理現象或過程內部性質和關系無法在現實中具體找到.由于缺少相應的知識儲備及點狀分布的概念課程設計，學生對這類概念的學習偏機械化，概念教學可能淺嘗輯止.

例如人教版對功的描述及做功兩個因素的討論會讓學生產生疑問：一是為什么要引入功這個概念？二是為什么將“功”定義為力的大小、位移的大小及力與位移夾角的余弦的乘積？課本僅是形式上的定義，力的持續作用特征和牛頓定律等知識點離散分布，不利于學生形成完整的知識體系.三是垂直于物體位移方向的力不做功，那它改變的是物體的什么運動狀態？四是功為什么是過程量？

2大單元教學的特點

大單元教學是指依據特定素養目標，以大主題或大任務為中心，對學習內容進行分析、整合、重組和開發，形成具有明確主題、目標、任務、情境、活動、評價等要素的課程設計或課程實施.

大單元教學有以下特點：一、大單元教學以核心素養為目標.二、大單元教學用大概念去凝練單課時教學的零散知識點并形成概念體系.三、大單元教學情境問題設計具有明確主題，倡導在主題中經歷知識點和知識體系的產生和素養形成的過程.

基于大單元教學特點，我們在大單元的視域下進行功的概念教學設計.

3分析教材和學情

3.1分析教材，建立概念等級關系

提取大概念既是大單元教學的主題要求，也是學生思維構建的要求.大單元的概念教學應圍繞某一核心概念，按照知識間的邏輯對教學內容進行組織，使其形成有邏輯鏈的整體，從而幫助學生更好地理解知識，形成結構化的知識體系.

“功與功率”處于機械能守恒定律的單元，功的定義將功的計算擴展到位移與力存在一定夾角，在新課標中屬于力學和運動學轉向能量的過渡章節，在力學和運動學中，“力是改變物體運動狀態的原因”這一知識點是后續所有內容的基礎，“功”這一單元內容也圍繞這一核心內容展開.根據知識的關聯性知道力的作用效果有瞬時性和持續性，瞬時性連接到牛頓第二定律，力的持續性對應累積效應，而“功”和“沖量”與累積效應掛鉤.

按照上述邏輯對功的相關知識進行組織，形成一個邏輯完整且相互聯系的整體，概念體系層級如圖1所示.

圖1

概念體系層級反映了概念的上下位關系以及同位關系，以此幫助學生更好地了解力的作用效果的瞬時性和持續性這兩條主線.

3.2分析學情，依據概念等級，形成教學應用策略

學生初中所學的功和能量屬于點狀學習，既不能深刻理解功和能量之間的關系，也不能從理論體

系角度構建知識框架，更不能深入應用這些概念和規律.高一學生能夠從牛頓運動定律解決動力學問題；但對力的持續性作用效果及功的定義缺乏理解.

根據大概念的體系結構和各層級的位次關系，宏觀上可以從縱向和橫向兩個維度來實施教學.教學關鍵脈絡展開如圖2所示.

圖2

4根據概念層級，設計教學活動

4.1利用自身體驗，把握概念縱向發展，引入功的概念

新課引入 功的概念建立

利用物理史實創設問題情境—瓦特蒸汽機礦井抽水.

教學活動按照用物理語言描述蒸汽機工作（建模）；蒸汽機工作與哪些因素有關（任務探究）；如何衡量蒸汽機工作量的多少（探究結論）；衡量蒸汽機工作水平的表征（結論溯源）展開.設計教學環節依靠實驗從定性向定量延展，先讓學生分組實驗：拉動水勻速上升，通過控制水的重力與提升高度，體會費力程度.進而引出“費力”程度定義為新物理量：功.進而得出結論：蒸汽機工作的多少（功）正比于豎直方向的作用力，也正比于水被提高的距離.

表達式寫為 W=k?F?s .取比例系數 k=1 關于垂直運動方向的力做功的貢獻也依托實驗展開.實驗設計圓環套在細桿上施加外力使其運動，改變圓環與細桿夾角，觀察其運動狀態，得出只有沿位移方向的力才有做功的效果，修正表達式寫為： W= Fscosθ ，即 W=F?s ：

評價 從力是改變物體運動狀態的原因入手，探究力持續作用效果的相關下位概念，以此逐步完成物理事件的探究.有利于學生在概念學習過程中掌握物理探究方法，促進探究思維的發展.將功的感性認識上升到理性認識，尤其是對力持續性的感知，加深了學生對乘積定義的深度理解.

4.2利用概念導圖，把握同位概念橫向聯系，深入探究做功特點

新課講授探究物體在不同拉力作用下的表現，加強概念橫向比較，進一步學習力做功的特點.

教學活動展開 ① 復習牛頓第二定律，圍繞力與加速度，對應力瞬時性的作用特點.

② 比較功與加速度對力的依賴關系，探討力瞬時性與持續性的特點.

③ 探討力的持續性作用改變了物體哪些運動狀態.

設計探究實驗 小車滑軌實驗

實驗目的 探究物體所受恒力的方向對其運動狀態的改變

實驗方案控制變量，讓作用力方向與小車運動方向一致、垂直、呈一定夾角，觀察小車的速度大小的改變.

實驗操作 分三個情境具體展開.

a.拉力做功 細線連接砝碼，拉力與小車的運動方向一致；

b.重物做功—小車上放置重物，重物壓力與小車的運動方向垂直；c.重力做功—抬高導軌且與水平面傾角不變，小車自身重力與運動方向夾角恒定.

數據處理 通過砝碼或小車自重求出力的大小，改變光電門間的距離測得小車位移，通過光電門得到小車速度.

此處以情境c為重點展開如下介紹.

4.3利用概念層級，分解作用力，深入探究正負功特點及物理意義

情境c自身重力做功 抬高導軌且與水平面傾角不變，小車自身重力與運動方向夾角恒定，如圖3所示.

圖3

小車光電門起始位置為 13cm 處，小車質量175g ，導軌與水平面夾角 4^° .實驗數據記錄如表1.

表1

結論小車速度平方與重力沿斜面方向做的功成正比.只有與小車運動方向在一條直線上的力對小車的速度大小改變有貢獻，垂直于小車運動方向的分力不改變速度大小.

評價教學活動探究力的持續作用效果.先從大單元知識體系的視角通過同位概念的對比設定不同的探究任務，找出力持續作用下對物體運動狀態改變的特點，逐步完成對物理事件的探究.讓學生學會分析力如何通過做功改變運動狀態.為下一級動能概念的學習做準備.

5結語

本文通過功的概念學習，介紹大單元視域下的概念學習的特點.與一般的概念教學模式相比，大單元視域下的概念教學特點在于強調概念的統領作用，這使得概念學習不但具有思維引領作用，也可使學生對概念的特征掌握更為深人，更容易構建概念的知識層級，從而促進學生思維品質的發展

【基金項目：2020年度揚州大學研究生教育教學改革與實踐課題項目的階段性研究成果（課題編號JGLX2020_006）】

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