鄭偉平

物理學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的正確價(jià)值觀(guān)、必備品格和關(guān)鍵能力，是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分。

物理學(xué)科中的單元活動(dòng)設(shè)計(jì)基于課標(biāo)要求和學(xué)生需求，依托真實(shí)的物理情境，指向?qū)W生的學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展。初中物理學(xué)科單元學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)以任務(wù)驅(qū)動(dòng)和問(wèn)題解決為立足點(diǎn)，促使學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐。通過(guò)單元學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)生經(jīng)歷提出物理問(wèn)題、解釋物理現(xiàn)象、建構(gòu)物理模型的科學(xué)實(shí)踐過(guò)程，體會(huì)物理知識(shí)間的內(nèi)在邏輯，學(xué)會(huì)應(yīng)用科學(xué)方法進(jìn)行科學(xué)探究和解決物理實(shí)際問(wèn)題。通過(guò)整合物理概念和規(guī)律，全面提升學(xué)生的物理觀(guān)念、科學(xué)思維、科學(xué)探究以及科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等核心素養(yǎng)。

一、 設(shè)計(jì)單元學(xué)習(xí)活動(dòng)框架

根據(jù)單元教學(xué)目標(biāo)，整體設(shè)計(jì)單元大任務(wù)和單元學(xué)生活動(dòng)，以制作水火箭流程為載體，串聯(lián)“力與運(yùn)動(dòng)”的學(xué)習(xí)內(nèi)容，整合“力與運(yùn)動(dòng)”相關(guān)概念和規(guī)律，應(yīng)用必備知識(shí)和關(guān)鍵能力提升水火箭的發(fā)射高度。

(一)單元知識(shí)結(jié)構(gòu)圖

(二)單元目標(biāo)

本單元的主要學(xué)習(xí)活動(dòng)是制作水火箭，通過(guò)經(jīng)歷四次重要的制作過(guò)程，逐步體會(huì)模型、理想實(shí)驗(yàn)、推理、等效替代、控制變量等科學(xué)方法。通過(guò)小組合作，大組交流制作過(guò)程的困惑和技巧，共同提升水火箭的升空效果，感悟團(tuán)隊(duì)交流協(xié)作的重要性。

1. 理解力的初步概念

經(jīng)歷水火箭的力學(xué)現(xiàn)象歸納出力的基本概念過(guò)程并理解力的概念；通過(guò)水火箭的發(fā)射感受力作用的相互性；通過(guò)水火箭的橡皮塞、運(yùn)動(dòng)軌跡變化認(rèn)識(shí)力的作用效果；能用力的示意圖描述水火箭受力情況。

2. 理解重力、彈力和摩擦力

通過(guò)水火箭和發(fā)射水火箭知道重力、彈力和摩擦力；經(jīng)歷水火箭發(fā)射嘴的制作，學(xué)會(huì)產(chǎn)生彈力的條件；通過(guò)發(fā)射水火箭知道重力的施力物體和方向；通過(guò)發(fā)射架的制作，探究滑動(dòng)摩擦力與接觸面的粗糙程度和接觸面之間壓力大小關(guān)系；通過(guò)水火箭發(fā)射升空高度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，知道改變空氣阻力大小的方法。

3. 理解牛頓第一定律和慣性

學(xué)會(huì)應(yīng)用牛頓運(yùn)動(dòng)第一定律表述物理問(wèn)題，用分析和論證方法推理在地球與太空發(fā)射水火箭區(qū)別；認(rèn)識(shí)伽利略的理想實(shí)驗(yàn)，了解理想實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)；通過(guò)水火箭的發(fā)射認(rèn)識(shí)慣性，能夠?qū)T性知識(shí)應(yīng)用到提升發(fā)射高度的實(shí)踐中。

4. 理解力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系

經(jīng)歷水火箭升空和下降過(guò)程的分析，獲知同一直線(xiàn)上力的合成情況；對(duì)水火箭的平衡狀態(tài)分析，認(rèn)識(shí)平衡力的概念；讓學(xué)生討論與交流感受在平衡狀態(tài)和非平衡狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)情況。

(三)單元任務(wù)

1. 大任務(wù)

制作水火箭，研究水火箭為何能夠飛上天？

水火箭又稱(chēng)氣壓式噴水火箭、水氣推進(jìn)火箭，是利用廢棄的碳酸飲料瓶制作成動(dòng)力艙、箭體、箭頭、尾翼的火箭。瓶?jī)?nèi)注入一部分水，在瓶口塞上一個(gè)裝有自行車(chē)內(nèi)胎氣門(mén)嘴芯橡皮塞，利用高壓打氣筒充入空氣到達(dá)一定壓力后橡皮塞爆發(fā)，瓶?jī)?nèi)水和氣迅速?lài)姵觯诹Φ姆醋饔孟掳l(fā)射升空，推動(dòng)箭體沖向空中。

2. 子任務(wù)

學(xué)習(xí)活動(dòng)1：比一比，誰(shuí)發(fā)射瓶氣密性更好？

學(xué)習(xí)活動(dòng)2：比一比，誰(shuí)的箭體做得更美？

學(xué)習(xí)活動(dòng)3：比一比，誰(shuí)制作水火箭發(fā)射架更穩(wěn)定？

學(xué)習(xí)活動(dòng)4：比一比，誰(shuí)的水火箭發(fā)射得更高？

二、 設(shè)計(jì)單元學(xué)習(xí)活動(dòng)問(wèn)題鏈

單元學(xué)習(xí)活動(dòng)一定要圍繞重、難點(diǎn)知識(shí)的教學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體活動(dòng)目標(biāo)需對(duì)接單元教學(xué)目標(biāo)，并在具體活動(dòng)中體現(xiàn)知識(shí)可視化。創(chuàng)設(shè)活動(dòng)情景應(yīng)該有利于激發(fā)興趣、引發(fā)思考、提出問(wèn)題、思維碰撞、形成任務(wù)、科學(xué)探究、形成觀(guān)念。

(一)學(xué)習(xí)活動(dòng)1：比一比，誰(shuí)發(fā)射瓶氣密性更好？

1. 活動(dòng)目標(biāo)

經(jīng)歷檢測(cè)水火箭的氣密性活動(dòng)，知道力的作用是相互的、力的三要素和力的作用效果；應(yīng)用力學(xué)觀(guān)念說(shuō)出檢測(cè)發(fā)射瓶氣密性的邏輯思維過(guò)程；體驗(yàn)控制變量和轉(zhuǎn)化法的科學(xué)研究方法；養(yǎng)成樂(lè)于觀(guān)察、實(shí)踐、改進(jìn)的科學(xué)態(tài)度和實(shí)事求是、敢于發(fā)表個(gè)人見(jiàn)解的科學(xué)精神。

2. 活動(dòng)資源

打氣筒、碳酸飲料瓶、橡皮塞、氣門(mén)芯、電鉆、凡士林、皮尺等。

3. 活動(dòng)情境

活動(dòng)一：制作發(fā)射嘴，觀(guān)察發(fā)射嘴材料(如圖1)和構(gòu)造。

問(wèn)題1：為何選用橡皮塞作為發(fā)射嘴？

學(xué)生體驗(yàn)：利用電鉆在橡皮塞6mm左右鉆孔(如圖2)，將氣門(mén)芯塞入橡皮塞制作發(fā)射嘴。由此感受力的三要素和力可以改變物體的形狀。

活動(dòng)二：發(fā)射飲料瓶，觀(guān)察飲料瓶的運(yùn)動(dòng)軌跡。

問(wèn)題2：為何飲料瓶能夠飛出？

學(xué)生體驗(yàn)：利用打氣筒給飲料瓶充氣，觀(guān)察飲料瓶的飛行軌跡。由此感受力的作用是相互的和力可以改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(如圖3)。

圖1

圖2

圖3

活動(dòng)三：比較飲料瓶的飛行距離，交流討論飛行距離與氣密性關(guān)系。

問(wèn)題3：怎么比較發(fā)射瓶的氣密性？飛行距離還跟什么因素有關(guān)？如何控制其他因素只探究與氣密性有關(guān)？

學(xué)生體驗(yàn)：利用皮尺測(cè)量飲料瓶的飛行距離，進(jìn)而猜想飛行距離與什么有關(guān)？由此經(jīng)歷轉(zhuǎn)換、控制變量等科學(xué)方法，激發(fā)探究欲，形成了應(yīng)用所學(xué)的物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。同時(shí)，經(jīng)歷質(zhì)疑—建構(gòu)—探究—重構(gòu)的科學(xué)思維，認(rèn)識(shí)到交流與合作的重要性，有主動(dòng)與他人合作的精神。

活動(dòng)四：水平發(fā)射飲料瓶，分析飲料瓶在地面上滑行情況。

學(xué)生體驗(yàn)：將飲料瓶在地面滑行過(guò)程建構(gòu)成物理模型。由此感受滑行過(guò)程中力的示意圖。

4. 活動(dòng)評(píng)估

學(xué)生是否能夠應(yīng)用力的初步概念來(lái)說(shuō)出比較發(fā)射瓶氣密性活動(dòng)的物理問(wèn)題？學(xué)生能否應(yīng)用力的示意圖來(lái)表示飲料瓶在滑行過(guò)程的受力情況？學(xué)生是否熟練掌握控制變量法、轉(zhuǎn)換法等科學(xué)方法？

(二)學(xué)習(xí)活動(dòng)2：比一比，誰(shuí)的箭體做得更美？

1. 活動(dòng)目標(biāo)

通過(guò)比較箭體制作美感的方式，學(xué)會(huì)感受物理視角下的美感；通過(guò)水火箭的箭體分析，加深對(duì)重力、彈力和摩擦力的理解。

2. 活動(dòng)資源

兩個(gè)同型號(hào)飲料瓶、電工膠、泡沫膠、硬紙板、塑料PVC板等。

3. 活動(dòng)情境

活動(dòng)：制作水火箭箭體。

問(wèn)題1：箭頭瓶底從哪里裁剪才能順利套進(jìn)充氣瓶？箭體充氣充水瓶子是哪部分？

學(xué)生體驗(yàn)：裁剪商標(biāo)下邊沿0.5～1cm處，裁剪后瓶身比較鋒利，小心劃傷(如圖4)。由此感受科學(xué)實(shí)踐的安全性以及探究過(guò)程的科學(xué)性。將箭頭瓶子作為充氣瓶，觀(guān)察打氣后瓶子情況(如圖5)。由此感受彈性形變、彈力產(chǎn)生條件以及大氣壓力。

圖4

圖5

圖6

問(wèn)題2：尾翼的粘貼是否均勻？尾翼材料如何選擇？尾翼的粘貼是否牢固？

學(xué)生體驗(yàn)：尾翼均勻?qū)ΨQ(chēng)分布(如圖8)，有利于箭體直線(xiàn)飛行；選用硬度較高且不易變形材料，不宜選擇紙張、泡沫等材質(zhì)；雙面膠先在瓶身固定尾翼，電工膠進(jìn)行多層加固。由此感受物理視角下對(duì)稱(chēng)美，知道重力大小和重心位置影響因素。

圖7

圖8

問(wèn)題3：為何保證箭體是直線(xiàn)？如何保證？火箭頭做成什么形狀有利于減小阻力？

學(xué)生體驗(yàn)：將箭體豎直放置在桌面，觀(guān)察箭體狀態(tài)(如圖6)。由此感受重力的三要素，分析箭體受力情況，得出箭體平衡狀態(tài)的受力情況(重力和支持力)。將火箭頭做成圓錐形，旋轉(zhuǎn)飛行有利于減小阻力。由此感受空氣阻力及減少空氣阻力的方法。

4. 活動(dòng)評(píng)估

學(xué)生是否能夠應(yīng)用重力、彈力、摩擦力的相關(guān)知識(shí)制作更有美感的箭體？學(xué)生是否能夠應(yīng)用重心與穩(wěn)定判斷箭體是否直線(xiàn)型？學(xué)生是否考慮減小箭體重力和空氣阻力提高箭體性能？學(xué)生能否解釋箭體的物理對(duì)稱(chēng)美？

(三)學(xué)習(xí)活動(dòng)3：比一比，誰(shuí)制作水火箭發(fā)射架更穩(wěn)定？

1. 活動(dòng)目標(biāo)

經(jīng)歷發(fā)射架的制作活動(dòng)，知道慣性，學(xué)會(huì)應(yīng)用慣性解釋水火箭的升空問(wèn)題；通過(guò)箭體在發(fā)射架的滑行實(shí)踐，理解摩擦力，學(xué)會(huì)通過(guò)改變摩擦力提升發(fā)射性能。

2. 活動(dòng)資源

鐵架臺(tái)、電工膠、PVC管、鋸子、小刀等。

3. 活動(dòng)情境

活動(dòng)：制作水火箭發(fā)射架。

問(wèn)題1：為何選用鐵架臺(tái)作為發(fā)射底座？

學(xué)生體驗(yàn)：對(duì)比塑料底座與鐵架底座發(fā)射水火箭的區(qū)別。由此感受慣性大小與質(zhì)量有關(guān)。

問(wèn)題2：如何控制箭體在發(fā)射臺(tái)的滑行距離？如何減小箭體摩擦力？

學(xué)生體驗(yàn)：利用10mm口徑的PV管在鐵架臺(tái)(圖9)滑行，控制箭體的直線(xiàn)滑行。由此感受直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的條件，學(xué)會(huì)選擇套管的口徑與材料，感受減少摩擦力的方法(圖10)。

圖9

圖10

4. 活動(dòng)評(píng)估

學(xué)生是否能夠應(yīng)用慣性解釋發(fā)射架底座的物理問(wèn)題？學(xué)生是否熟練操作改變滑動(dòng)摩擦力提升發(fā)射性能？學(xué)生能否應(yīng)用摩擦力知識(shí)改造發(fā)射架的滑行軌道？

(四)學(xué)習(xí)活動(dòng)4：比一比，誰(shuí)的水火箭發(fā)射得更高？

1. 活動(dòng)目標(biāo)

經(jīng)歷水火箭的發(fā)射活動(dòng)，知道平衡狀態(tài)和非平衡狀態(tài)，認(rèn)識(shí)非平衡狀態(tài)運(yùn)動(dòng)情況；通過(guò)交流討論在地球、太空發(fā)射水火箭區(qū)別，理解理想實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)，學(xué)會(huì)表述牛頓第一定律；養(yǎng)成樂(lè)于觀(guān)察、實(shí)踐、改進(jìn)的科學(xué)態(tài)度和實(shí)事求是、敢于發(fā)表個(gè)人見(jiàn)解的科學(xué)精神。

2. 活動(dòng)資源

發(fā)射架、火箭箭體、打氣筒、水桶等。

3. 活動(dòng)情境

活動(dòng)一：發(fā)射水火箭，觀(guān)察水火箭運(yùn)動(dòng)軌跡。

問(wèn)題1：水火箭上升過(guò)程運(yùn)動(dòng)情況？受力情況？

學(xué)生體驗(yàn)：發(fā)射水火箭，拍攝水火箭運(yùn)動(dòng)軌跡。由此感受直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)區(qū)別(圖11、圖12、圖13)。上升階段分為兩個(gè)過(guò)程：加速上升和減速上升，合力方向與速度方向同向做加速上升，合力方向與速度方向反向做減速上升。

圖11

圖12

圖13

問(wèn)題2：如何提升水火箭的上升高度？

學(xué)生體驗(yàn)：調(diào)整充氣瓶的氣壓、水量，觀(guān)察水火箭發(fā)射高度。由此感受控制變量法在科學(xué)探究中的應(yīng)用，并學(xué)會(huì)解決實(shí)驗(yàn)中的物理問(wèn)題。

問(wèn)題3：水火箭下降過(guò)程運(yùn)動(dòng)情況？受力情況？如何通過(guò)減速來(lái)降低安全風(fēng)險(xiǎn)？

學(xué)生體驗(yàn)：安裝降落傘，觀(guān)察水火箭下落軌跡。下降過(guò)程，合力方向與速度方向同向做加速下降(圖14)。通過(guò)設(shè)計(jì)降落傘(圖15)，水火箭下落受到的空氣阻力增大，當(dāng)受到合力為零時(shí)，勻速下降(圖16)。

圖14

圖15

圖16

問(wèn)題4：分析水火箭上升和下降情況。

學(xué)生體驗(yàn)：將水火箭在空中運(yùn)動(dòng)過(guò)程建構(gòu)成物理模型。由此感受同一直線(xiàn)上二力合成，并感知力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。觀(guān)察和歸納平衡狀態(tài)和非平衡狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)情況，推導(dǎo)不同狀態(tài)的受力特點(diǎn)。

活動(dòng)二：交流討論水火箭在地球與太空發(fā)射區(qū)別。

問(wèn)題5：水火箭在太空發(fā)射能否成功？如果可以，在太空中做什么運(yùn)動(dòng)？在太空中發(fā)射會(huì)遇到什么困難？怎么解決這些困難？

學(xué)生體驗(yàn)：學(xué)生分析太空與地球的環(huán)境區(qū)別，并提出自己對(duì)太空發(fā)射水火箭的見(jiàn)解。由此學(xué)生感受理想實(shí)驗(yàn)的實(shí)質(zhì)，并學(xué)會(huì)應(yīng)用牛頓第一定律表述水火箭在太空中的運(yùn)動(dòng)情況。

4. 活動(dòng)評(píng)估

學(xué)生是否能夠通過(guò)對(duì)水火箭的受力分析和運(yùn)動(dòng)分析歸納出力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系？學(xué)生是否能夠應(yīng)用牛頓第一定律和慣性解釋水火箭在外太空的發(fā)射問(wèn)題？學(xué)生能否判斷平衡狀態(tài)與非平衡狀態(tài)運(yùn)動(dòng)的區(qū)別？

三、 結(jié)語(yǔ)

總之，在設(shè)計(jì)單元學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)要理清整個(gè)單元的知識(shí)體系，明確本單元的核心概念、核心規(guī)律，創(chuàng)設(shè)與單元目標(biāo)一致的真實(shí)問(wèn)題情境。基于真實(shí)問(wèn)題情境的單元學(xué)習(xí)活動(dòng)才有助于學(xué)生形成物理建模等科學(xué)思維，有利于培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力。在單元學(xué)習(xí)活動(dòng)的進(jìn)程中，學(xué)生能夠習(xí)得物理概念、物理規(guī)律等知識(shí)，形成物理觀(guān)念，經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程，掌握科學(xué)方法，提升科學(xué)思維，體驗(yàn)用科學(xué)方法解決問(wèn)題的過(guò)程及其中蘊(yùn)含的科學(xué)態(tài)度與精神。