馬磊　公衍錄

摘 要：本單元設(shè)計基于學習進階的理論，對學生的思維由簡單到復雜、由淺入深地進行層級刻畫.通過對學生已有知識、能力進行診斷，整體設(shè)計各層級的任務(wù)，在層級銜接遞進的過程中培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng).圍繞動量守恒定律，從學生學的視角組織一系列的學習事件，通過整合物理概念、規(guī)律，挖掘教學內(nèi)容中的認識方式、研究方法等隱性知識，不斷建構(gòu)和發(fā)展學生的“運動和相互作用”物理觀念.

關(guān)鍵詞：單元教學設(shè)計;動量守恒定律;運動和相互作用;物理觀念;學習進階

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）05-0022-05

作者簡介：馬磊（1985-），男，山東泰安人，碩士，中學一級教師，研究方向：中學物理學科教學;

公衍錄（1963-），男，山東蒙陰人，本科，中學高級教師，研究方向：中學物理學科教學.

1 單元教學設(shè)計指導思想

本單元教學設(shè)計是圍繞“運動和相互作用”物理觀念的建構(gòu)和發(fā)展，以動量守恒定律這一大概念組織教學，整合本單元的動量、沖量和動量定理等概念規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，進一步挖掘教學內(nèi)容中隱含的“守恒”等跨學科概念、認識方式、研究方法等隱性知識，發(fā)展學生的“運動和相互作用”的大觀念[1].這些知識將為學生終身發(fā)展、應(yīng)對現(xiàn)代和未來社會發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎(chǔ).通過創(chuàng)設(shè)“碰撞”等大情境，引導學生深度學習，伴隨著學生的認識發(fā)展，逐漸形成解決問題的一般化大思路.設(shè)計適當?shù)膶W習策略，有效地調(diào)動學生學習的主動性[2].加強學習診斷，以精準診斷和及時反饋矯正，提升教學的針對性和有效性.

2 單元教學內(nèi)容分析

整合本單元知識，梳理出圍繞大概念——動量守恒定律的知識結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示.

本單元的一個重點內(nèi)容是描述單個質(zhì)點的動量定理，如圖1中力的積累效果部分;另一個重點內(nèi)容是描述系統(tǒng)的動量守恒定律及其應(yīng)用，如圖1中動量守恒定律部分.

在本單元的教學內(nèi)容中，蘊含了模型建構(gòu)、推理論證等豐富的學科素養(yǎng)和科學方法.教師應(yīng)充分發(fā)掘教學內(nèi)容中的育人價值，剖析知識背后隱含的物理觀念和思想方法.表1中舉出了一些例子.

3 學生學習情況分析

按照物理核心素養(yǎng)的維度，本單元的學情分析如下.

物理觀念：學生之前學過了牛頓運動定律和運動學公式，為本單元的學習打下了堅實的基礎(chǔ).已學過的解決力學問題的一般思路“確定研究對象，受力分析，運動分析，列物理規(guī)律方程等”仍然適用.學生在學習機械能守恒定律、能量守恒定律和電荷守恒定律時，已經(jīng)知道了守恒這一概念，但需要進一步強化某一量守恒的含義，就是在變化中該量的總和保持不變.

科學思維：在教學中可借助實驗等加強教學的直觀性和形象性，以便于學生理解.讓學生應(yīng)用動量定理、動量守恒定律等本單元的知識，解釋與日常生活、生產(chǎn)有關(guān)的現(xiàn)象，促進學生逐步由形象思維到抽象思維的過渡.在前面求解連接體問題時，學生已經(jīng)了解了“系統(tǒng)”“內(nèi)力”“外力”等概念，這有助于學生理解動量守恒的條件，但受力分析一直是學生的一個薄弱環(huán)節(jié)，而且學生常常會把動量守恒的條件與機械能守恒的條件相混淆.

科學探究：學生已經(jīng)具有設(shè)計方案、實驗操作、記錄數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和獲得結(jié)論的意識，但是對方案的可行性等還需著力培養(yǎng).

科學態(tài)度與責任：學生具有一定的學習物理的興趣，知道物理研究應(yīng)實事求是，還應(yīng)注重培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際的態(tài)度等.

4 單元教學目標

下面以動量定理和動量守恒定律為主線，結(jié)合具體的知識點和素養(yǎng)發(fā)展要求[3]，表述本單元的教學目標如下：

（1）理解沖量和動量.具體包括：創(chuàng)設(shè)情境引導學生經(jīng)歷沖量和動量概念的形成過程;學生能夠通過理論推導和實驗探究，推導出動量定理和動量守恒定律，并能用其解釋生產(chǎn)、生活中的有關(guān)現(xiàn)象.通過制作水火箭等，讓學生知道火箭的發(fā)射利用了反沖現(xiàn)象;通過收集資料，了解中子的發(fā)現(xiàn)過程，討論動量守恒定律在其中的作用，認識動量守恒定律的普適性.

（2）通過實驗，了解彈性碰撞和非彈性碰撞的特點，具體包括：定量分析一維碰撞問題，解釋生產(chǎn)生活中的彈性碰撞和非彈性碰撞現(xiàn)象，例如讓學生觀察臺球碰撞前后的運動情況，嘗試用動量知識定性解釋.查閱資料，了解太空中物體的碰撞和微觀粒子的碰撞等相關(guān)信息.

（3）體會用守恒定律分析物理問題的方法，體會自然界的和諧與統(tǒng)一.具體包括：學生能將動量守恒定律，與學過的機械能守恒定律和能量守恒定律聯(lián)系起來，通過運用這些規(guī)律分析和解決實際問題，進一步發(fā)展“守恒”“系統(tǒng)”和“能量”的觀念，初步形成用物理學理論描述的自然界具有和諧與統(tǒng)一的整體圖景.

5 單元學習過程設(shè)計

本單元學習過程設(shè)計可分為四個部分：第一部分是尋找碰撞中的守恒量，會用動量概念描述物體的運動，知道碰撞前后能量的變化，并以此對碰撞進行分類;第二部分是在第一部分的基礎(chǔ)上進一步探究物體動量的變化量與力在時間上累積的關(guān)系;第三部分利用動量定理推導兩個及以上物體組成的系統(tǒng)動量守恒條件;第四部分是能運用動量守恒定律解釋生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象、解決相關(guān)問題.這四個部分相互獨立，又層層遞進.具體學習過程設(shè)計見表2.

6 主要教學活動設(shè)計

本單元的核心概念是動量守恒定律，整章的教學活動設(shè)計基本遵循：系統(tǒng)—單個質(zhì)點—系統(tǒng)的思路.如圖2所示.限于篇幅，以“層級2”動量定理的推導和驗證為例，說明主要的教學活動設(shè)計.學生思維發(fā)展過程如圖3所示.

6.1 學習任務(wù)一：定性分析緩沖現(xiàn)象中受力與作用時間的關(guān)系

情境創(chuàng)設(shè)：觀看視頻，無降落傘高空跳到大網(wǎng)里，室內(nèi)百米賽跑跑道終點處墻上有厚厚的軟墊.這個大網(wǎng)和這層軟墊有什么作用？運動員所受的力與停下來所用的時間存在什么關(guān)系？

讓學生對緩沖現(xiàn)象中受力和作用時間有定性的認識.引導學生設(shè)計實驗進行檢驗，通過觀察實驗并歸納力和時間的關(guān)系.

6.2 學習任務(wù)二：建立物理模型，通過理論推導

情境創(chuàng)設(shè)：通過實驗，在動量變化量相同的情況下，作用時間長，F(xiàn)小，作用時間短，F(xiàn)大，可以看出延長作用時間可以減小物體所受力的大小.力F與時間t存在定量關(guān)系嗎？

培養(yǎng)學生的證據(jù)意識，引導學生建立模型，光滑水平面上的一個物體，受到一個水平向右的恒力，在恒力F的作用下運動一段時間t，速度由v1變到v2，利用牛頓第二定律或者動能定理進行推導F-t存在的關(guān)系.

6.3 學習任務(wù)三：設(shè)計實驗驗證不同條件下動量定理是否成立

情境創(chuàng)設(shè)：在理論推導過程中，我們是在恒力條件下進行的，動量定理是否在其他條件下（變力、碰撞等）也成立？

提供的實驗器材：平滑導軌、小車、力學傳感器、位置傳感器、細線、鉤碼及數(shù)據(jù)處理軟件等，讓學生設(shè)計實驗，在不同條件下驗證動量定理是否成立.通過對實驗結(jié)果的分析，我們可以得到結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)動量定理成立.

7 單元學習效果反饋性評價設(shè)計

本單元學習評價圍繞動量守恒定律核心概念，依據(jù)學生物理學科核心素養(yǎng)發(fā)展狀況，通過創(chuàng)設(shè)真實而有價值的問題情境，促進學生概念發(fā)展，以過程性評價為主，主要形式為課前診斷、課上問題鏈和實驗設(shè)計、自我和同伴評價、課后測試反饋等.

學習效果評價還要根據(jù)不同的需求設(shè)計不同層次.針對物理學科核心素養(yǎng)及高中物理學業(yè)質(zhì)量劃分了5個水平層級.學業(yè)水平合格性考試合格達到學業(yè)質(zhì)量水平2，高等院校相關(guān)專業(yè)學習應(yīng)達到學業(yè)質(zhì)量水平4.學生學習本單元后參加高考，因此題目應(yīng)以學業(yè)水平3、4的要求為主，對比較優(yōu)秀的學生，可以選擇水平5的問題.下面以一個例子說明.

例題 如圖4所示，質(zhì)量均為m的木塊A和B，并排放在光滑水平面上，A上固定一豎直輕桿，輕桿上端的O點系一長為L的細線，細線另一端系一質(zhì)量為m0的球C.現(xiàn)將C球拉起使細線水平伸直，并由靜止釋放C球.

（1）A、B、C組成的系統(tǒng)動量是否守恒？

（2）當小球C第一次擺到最低點時，A、B兩個木塊各自的速度？

（3）當小球C擺動至什么位置時，A、B兩個木塊分離？

（4）木塊A的最大速度？

本題主要考查學生的物理學科核心素養(yǎng)中物理觀念中的運動與相互作用觀念和科學思維中的科學推理能力;考查學生對動量守恒定律條件、矢量性以及能量守恒定律的掌握程度.

8 單元教學設(shè)計反思

本單元設(shè)計以學習進階為工具，梳理了知識間的內(nèi)在邏輯，確定了動量守恒定律單元的教學思路，保證了單元教學的整體設(shè)計和有序?qū)嵤?建構(gòu)了“動量守恒定律”單元學生思維發(fā)展的路徑和學習層級，通過挖掘隱性知識，創(chuàng)設(shè)真實的物理情境，以動量守恒定律作為知識載體，引領(lǐng)學生逐步形成研究和解決動量守恒問題的大思路，發(fā)展了學生的物理學科核心素養(yǎng)，形成了相對完整的運動和相互作用的觀念.為促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展提供了可操作的路徑和符合實際的教學策略.

參考文獻：

[1]張玉峰.以大概念、大思路、大情境和大問題統(tǒng)領(lǐng)物理單元教學設(shè)計[J].中學物理，2020，38（05）：2-7.

[2]張玉峰.基于學習進階的物理單元學習過程設(shè)計[J].課程·教材·教法，2020，40（03）：57-65.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-01-28）