劉 娜(中國人民大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100086)崔 琰(北京市海淀教師進修學(xué)校 北京 100089)李春密(北京師范大學(xué)物理學(xué)系 北京 100875)

單元教學(xué)是以指向?qū)W生深度學(xué)習(xí)的教學(xué)理論為指導(dǎo)[1]，以培養(yǎng)學(xué)生高階思維為目標(biāo)，以落實立德樹人學(xué)科育人為宗旨[2]，“以學(xué)生為中心”為理念.單元教學(xué)以任務(wù)驅(qū)動和問題引導(dǎo)為路徑[3]，從真實情境出發(fā)，通過整合單元知識結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，設(shè)計連貫的任務(wù)和活動，培養(yǎng)學(xué)生全面發(fā)展.

單元教學(xué)設(shè)計中教師需要著重思考的關(guān)鍵問題有：人類認(rèn)識物質(zhì)世界的途徑和方式在本單元中有何體現(xiàn)[4]？每個概念、規(guī)律從何而來？知識之間的結(jié)構(gòu)和關(guān)聯(lián)如何，它們在物理學(xué)科體系中具有怎樣的地位和價值？建立過程中運用了哪些典型的物理思維方法[5]？

此前筆者已對“萬有引力定律”單元的知識結(jié)構(gòu)、概念層級、核心素養(yǎng)和認(rèn)知路徑方面進行了全面分析，本文在此基礎(chǔ)上呈現(xiàn)單元學(xué)習(xí)設(shè)計的具體任務(wù)和活動環(huán)節(jié).

1 單元學(xué)習(xí)目標(biāo)

單元學(xué)習(xí)是為了讓學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)、學(xué)會思考，具有達(dá)成深度學(xué)習(xí)和終身學(xué)習(xí)的能力.為此教師應(yīng)有從物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)角度的設(shè)計意識.

在物理觀念方面，通過對行星運動規(guī)律的總結(jié)和歸納，形成天體運動的觀念，并能從運動觀的視角正確描述月球的運動；通過研究物體的作用形式以及利用運動性質(zhì)求中心天體的質(zhì)量，深化運動與相互作用觀念，并能從運動與相互作用這一觀念出發(fā)，綜合應(yīng)用物理知識解決實際問題.

在科學(xué)思維方面，通過開普勒三定律的學(xué)習(xí)，建構(gòu)規(guī)律與科學(xué)事實之間的聯(lián)系，培養(yǎng)科學(xué)論證的能力，能夠?qū)λ@得的數(shù)據(jù)資料進行解釋說明，初步形成分析行星運動規(guī)律的思路方法，建立模型建構(gòu)的意識，能把行星運動過程轉(zhuǎn)換成物理模型；通過了解萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)過程，了解演繹推理、歸納推理和類比推理等方法，能靈活地運用科學(xué)方法分析行星間的引力；通過對萬有引力定律的學(xué)習(xí)，了解科學(xué)思維的抽象性和概括性，邏輯性與系統(tǒng)性，養(yǎng)成利用科學(xué)思維分析問題的思維習(xí)慣；在嫦娥五號的登月故事中，培養(yǎng)科學(xué)思維，能將復(fù)雜的實際問題中的對象和過程轉(zhuǎn)換成物理模型，能對新情境中的綜合性物理問題進行分析和推理，獲得正確結(jié)論并作出解釋.

在科學(xué)探究方面，通過對萬有引力定律的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)提出猜想、設(shè)計方案、獲取證據(jù)、分析論證和解釋交流的能力，建立對科學(xué)本質(zhì)的初步認(rèn)識，樹立正確的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任；通過對“天問一號”發(fā)射過程的學(xué)習(xí)和了解，培養(yǎng)提出問題和尋求證據(jù)的能力.

在科學(xué)態(tài)度與責(zé)任方面，通過對萬有引力定律的學(xué)習(xí)，建立對科學(xué)本質(zhì)的初步認(rèn)識，樹立正確的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任.

2 單元學(xué)習(xí)流程與課時計劃

本單元的教學(xué)流程一般是“行星的運動”—“太陽和行星之間的力”—“月地檢驗：萬有引力”—“萬有引力定律的成就”—“星際航行：萬有引力定律的應(yīng)用”，然而這一流程依然是知識本身的直接呈現(xiàn)，屬于建構(gòu)好的知識結(jié)構(gòu)，而有利于核心素養(yǎng)發(fā)展的學(xué)習(xí)材料應(yīng)是結(jié)構(gòu)不良的真實情境和問題情境，讓學(xué)生親身經(jīng)歷知識的建構(gòu)過程[6].為此將該教學(xué)流程轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻鞔_物理問題的挑戰(zhàn)性任務(wù)，如圖1所示.

圖1 萬有引力定律單元的挑戰(zhàn)性任務(wù)序列

本單元能夠統(tǒng)領(lǐng)全篇的大情境可以按照知識發(fā)展的倒序進行設(shè)計.播放天問一號和嫦娥系列發(fā)射的視頻，閱讀中國探索太空的資料，了解近年來中國發(fā)射的衛(wèi)星和空間站建設(shè)發(fā)展情況，提出具有挑戰(zhàn)性的情境問題：如何把飛行器發(fā)射到其他行星或衛(wèi)星表面？

隨后教師追問：為解決這一問題，我們需要研究清楚哪些問題？引導(dǎo)學(xué)生分析、分解任務(wù).

對此，學(xué)生可能給出的答案有：行星和衛(wèi)星的運動規(guī)律是什么？支配運動的原因是什么？要成功發(fā)射衛(wèi)星一般需要幾個步驟？

在師生共同討論的基礎(chǔ)上確定本單元即將討論的具體問題如圖2所示.

課時1：太陽系的行星有何運動規(guī)律？課時2：研究什么形式的相互作用導(dǎo)致了行星做這樣的運動？課時3：通過隨地球自轉(zhuǎn)和環(huán)繞地球這兩種運動方式推理研究稱量中心天體質(zhì)量的方法.課時4～5：設(shè)計把嫦娥五號發(fā)送到月球表面的發(fā)射方案.課時6：設(shè)計把天問一號發(fā)射到火星的最佳方法.

3 單元學(xué)習(xí)活動設(shè)計環(huán)節(jié)

(1)任務(wù)一：探究太陽系的行星有何運動規(guī)律(1課時)

環(huán)節(jié)1：地球做什么運動？

教師：就此提問，“前人對地球運動的觀點有哪些？” 能否具體介紹一下兩種觀點的主要內(nèi)容.

學(xué)生：有學(xué)生可以說出“日心說”和“地心說”兩種觀點，或者參考課前提供的物理史閱讀材料，隨后介紹交流、總結(jié)提煉.

環(huán)節(jié)2：“日心說”和“地心說”的知識背景和對比.

教師：現(xiàn)在人們廣泛接受的是“日心說”，那“地心說”是絕對錯誤的嗎？引發(fā)思考.從“地心說”到“日心說”有哪些特別值得借鑒的地方，期待學(xué)生通過回顧科學(xué)歷史的發(fā)展，體會科學(xué)的本質(zhì)和真理.

學(xué)生：討論、交流、表達(dá)、爭論，意識到“日心說”和“地心說”兩種觀點只不過是參照物選取不同的兩種運動描述，從科學(xué)的角度看待這兩種觀點.

環(huán)節(jié)3：科學(xué)研究的第一步——精準(zhǔn)觀測

教師：提問，“行星運動的研究應(yīng)該從哪里開始？”

學(xué)生：體會觀察對于認(rèn)識物質(zhì)世界的重要性，查閱第谷的介紹，了解第谷做了大量的精準(zhǔn)觀測，積累了豐富的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，其中將觀測精度提高至“2弧分”之內(nèi).

活動設(shè)計：利用激光筆和量角器讓學(xué)生親身體驗“2弧分”有多精確.

環(huán)節(jié)4：科學(xué)研究的第二步——分析數(shù)據(jù)、歸納規(guī)律

教師：有了數(shù)據(jù)之后需要做什么？

學(xué)生：分析，歷史上開普勒對第谷的數(shù)據(jù)開展了精細(xì)地分析研究.

教師：引導(dǎo)學(xué)生逐步認(rèn)識、了解開普勒第一、第二、第三定律.介紹開普勒為何敢于推翻權(quán)威提出的勻速圓周運動而提出了橢圓運動，提問學(xué)生當(dāng)開普勒遇到了“火星8弧分”的難題后是如何破解的.在提出開普勒第二定律之后10年才提出開普勒第三定律，這其中開普勒遇到了哪些困難，最終如何克服的？

學(xué)生：查閱資料，交流討論.

設(shè)計意圖：通過學(xué)習(xí)歷史上對行星運動的觀點，辯證地看待科學(xué)觀點，豐富學(xué)生運動觀念.通過對第谷和開普勒的學(xué)習(xí)，體會觀察在研究物質(zhì)世界中的重要性，通過“2弧分”的活動設(shè)計將學(xué)生的科學(xué)態(tài)度從“觀察”上升為“精準(zhǔn)觀測”.通過開普勒對“火星8弧分”的堅持，體會實事求是、堅持真理的科學(xué)態(tài)度.顯性呈現(xiàn)人類認(rèn)識世界的途徑.

(2)任務(wù)二：研究什么形式的相互作用導(dǎo)致了行星做這樣的運動(1課時)

環(huán)節(jié)1：理想化模型建構(gòu)

教師：提問，“行星的運動應(yīng)該是一個橢圓運動，要建構(gòu)怎樣的模型便于計算？”

學(xué)生：思考建構(gòu)自己能夠處理的物理模型，將橢圓運動建構(gòu)成勻速圓周運動.

環(huán)節(jié)2：推導(dǎo)、猜測太陽和行星之間的力

教師：引導(dǎo)學(xué)生在勻速圓周運動的模型中推導(dǎo)太陽對行星的力的形式，為得到最終形式需要結(jié)合牛頓第二定律和開普勒第三定律.

教師：引導(dǎo)學(xué)生思考，行星對太陽是否有力的作用？行星對太陽的力有什么形式？太陽和行星的地位如何？它們之間的力是否是相互作用力？

教師：這一模型合理嗎？在推導(dǎo)過程中哪些是你推出來的，哪些是你猜測的？

學(xué)生：對這一模型展開討論和批判，討論如此近似對結(jié)果有多大影響.討論推導(dǎo)過程中有理可據(jù)的和大膽猜測的內(nèi)容.

環(huán)節(jié)3：引導(dǎo)月地統(tǒng)一和月地檢驗的偉大猜想

教師：總結(jié)出太陽和行星之間的力的形式，引導(dǎo)學(xué)生思考月亮繞地球的運動形式是什么？月亮和地球之間的力是什么形式？蘋果自由落下的運動特點，蘋果受到的地球的力是什么？這兩者的運動和受力方面是否有關(guān)聯(lián)？

學(xué)生：交流、討論、思考、查閱牛頓當(dāng)年提出月地統(tǒng)一的偉大猜想.

教師：假設(shè)地球?qū)υ虑虻牧偷厍驅(qū)ξ矬w的力是同一性質(zhì)的力，應(yīng)有什么關(guān)系？

教師：哪些數(shù)據(jù)能證明上述猜想？

學(xué)生：尋找能夠計算月球加速度的物理量——公轉(zhuǎn)周期T，計算兩個加速度之比是否等于3 600.

教師：引導(dǎo)學(xué)生得出萬有引力定律的形式，了解其適用條件，將其拓展到橢圓軌道上的星體之間.提出問題，“如何測量萬有引力定律中的G？”

學(xué)生：學(xué)習(xí)扭秤和卡文迪什的實驗，了解扭秤的放大原理.

設(shè)計意圖：引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷知識形成的過程，體會在知識建構(gòu)中用到的科學(xué)方法和思維途徑，比如理想化處理、模型建構(gòu)、科學(xué)推理、對比方法、聯(lián)想意識和大膽猜測等.

(3)任務(wù)三：設(shè)計稱量中心天體質(zhì)量的方案

環(huán)節(jié)1：如何稱量地球的質(zhì)量？

學(xué)生思考設(shè)計方案，可以思考重力加速度取決于什么？為什么不同地表處的重力加速度不同？重力大小能否近似等于萬有引力的大??？引力改變衛(wèi)星的運動狀態(tài)，能否利用衛(wèi)星的運動性質(zhì)反推地球的質(zhì)量？為什么近地衛(wèi)星的加速度和赤道表面隨地球自轉(zhuǎn)的加速度差的如此之大？

環(huán)節(jié)2：如何稱量太陽的質(zhì)量？

學(xué)生在上一環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上可以自行設(shè)計出測量太陽質(zhì)量的方案，此處可以通過預(yù)測哈雷彗星的回歸時間展開練習(xí).

設(shè)計意圖：學(xué)習(xí)應(yīng)用萬有引力定律解決實際問題，在對比重力和萬有引力的過程中培養(yǎng)科學(xué)推理和邏輯分析的能力，在運用衛(wèi)星的運動性質(zhì)計算中心天體質(zhì)量的過程中深化運動和相互作用的觀念.

(4)任務(wù)四：計算嫦娥五號發(fā)射到月球的最小發(fā)射速度并定性繪制其飛行軌跡

環(huán)節(jié)1：計算嫦娥五號發(fā)射到月球的最小發(fā)射速度.

教師：把火箭發(fā)射升空至少需要多大的速度？嫦娥五號發(fā)射到月球應(yīng)該擺脫地球的束縛，此時至少需要多大的發(fā)射速度？(建議在學(xué)習(xí)機械能守恒定律的基礎(chǔ)上推導(dǎo))

學(xué)生：建模推導(dǎo)第一宇宙速度和第二宇宙速度.

環(huán)節(jié)2：定性繪制嫦娥五號的飛行軌跡.

教師：衛(wèi)星繞行的軌道應(yīng)該是什么樣子？衛(wèi)星在不同環(huán)繞軌道上的特點如何？同步衛(wèi)星有何特點？

學(xué)生：通過比較不同軌道，理解衛(wèi)星受力并分析衛(wèi)星繞行軌道的特點.通過對比，深刻理解“發(fā)射速度越大繞行軌道越高，軌道越高繞行速度越小”這兩句話，要能區(qū)分發(fā)射速度和環(huán)繞速度的不同.通過對同步衛(wèi)星這一特殊案例展開討論，理解衛(wèi)星運行特點.

教師：在同一軌道上的同向衛(wèi)星能否實現(xiàn)后者超越前者？如何從近地軌道過渡到深空軌道？

學(xué)生：思考討論，理解變軌中的動力學(xué)規(guī)律，深刻理解衛(wèi)星軌道變軌的原理，并能解釋真實問題.

教師：嫦娥五號的發(fā)射點在哪里，在文昌發(fā)射的優(yōu)點？拉格朗日點在嫦娥五號的發(fā)射過程中有什么作用？

學(xué)生：運用知識解釋說明上述幾個實際問題，了解拉格朗日點的特殊作用.

(5)任務(wù)五：天問一號肩負(fù)著火星“繞、落、尋”的任務(wù)，簡單設(shè)計天問一號飛到火星上的最佳軌跡

環(huán)節(jié)1：設(shè)計發(fā)射路線方案

教師：引導(dǎo)學(xué)生思考發(fā)射時需要考慮的參量有哪些？在實際發(fā)射過程中天問一號的受力情況有哪些？

學(xué)生：思考建構(gòu)模型，將復(fù)雜的實際問題進行抽象簡化.根據(jù)宇宙航行和變軌的知識設(shè)計天問一號的飛行軌跡.

教師：這一軌跡和實際相比做了哪些近似處理？在學(xué)生回答之后，給出天問一號實際運行軌道——霍曼轉(zhuǎn)移軌道.

環(huán)節(jié)2：計算發(fā)射所需的最小能量(需有機械能的學(xué)習(xí)基礎(chǔ))

教師：天問一號的質(zhì)量為5 t，猜一下發(fā)射它的運載火箭長征五號有多重？

學(xué)生：學(xué)生的認(rèn)知遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到實際長征五號發(fā)射體重870 t這么重，以此制造出認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)生的好奇心，“發(fā)射衛(wèi)星到底需要多少能量？”

教師：以太陽為參考系，計算圓形軌道的能量表達(dá)形式.思考橢圓軌道上的能量形式如何？這兩種軌道上的能量形式有什么關(guān)系？

學(xué)生：思考計算.

教師：引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)出圓軌道和橢圓軌道的能量形式，詢問學(xué)生天問一號發(fā)射軌跡中的3條軌道能量大小關(guān)系如何？要從地球公轉(zhuǎn)軌道轉(zhuǎn)移到火星公轉(zhuǎn)軌道上需要怎么做？變軌所需要的能量是多少？能量改變后運動狀態(tài)如何變化？

學(xué)生：思考回答.

教師：如果我們可以一次把能量加夠，那衛(wèi)星的軌道應(yīng)該是什么樣子的？如果能量再高會如何？軌道會發(fā)生什么樣的變化？

學(xué)生：討論、交流，繪制新的飛行軌跡，體會能量越高橢圓越扁，當(dāng)能量高到一定程度之后軌道無法形成封閉的橢圓.

設(shè)計意圖：這一環(huán)節(jié)需要有機械能的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，教學(xué)中可在學(xué)過機械能之后與萬有引力整合展開，建立起引力勢能的概念以及不同軌道對應(yīng)的能量不同的認(rèn)識，豐富學(xué)生的能量觀念，深化運用能量解決運動問題的意識和能力.

4 總結(jié)

本文在對“萬有引力定律”單元內(nèi)容的分析和梳理之后，從學(xué)習(xí)目標(biāo)、單元任務(wù)、具體環(huán)節(jié)等方面進行單元教學(xué)設(shè)計，初步呈現(xiàn)了該單元整體的設(shè)計理念、思路和框架.