基于核心素养的物理教学单元设计——以“匀变速直线运动的研究”为例

(1. 江苏省无锡市辅仁高级中学，江苏 无锡 214123;2. 南京师范大学，江苏 南京 210023)

物理核心素养指的是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，主要由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面构成。

核心素养理念的提出，要求物理教学要从知识的学习走向能力的培养，要从微观的课时学习走向中观的单元设计，指向宏观的核心素养的培养目标。笔者针对人教版高中物理必修一第二章“匀变速直线运动的研究”，进行了有别于教材的单元设计，并付诸教学实践。

1 关于本章教材的思考

人们对事物的认知有两种基本的途径，一种是从一般到特殊，另一种是从特殊到一般。人教版教材中“匀变速直线运动的研究”这部分内容编写是从一般到特殊、按照从概念→规律→应用的顺序展开的。笔者通过对课标的学习，结合自己的教学经验和问卷调查，认为传统的由一般到特殊的教学模式存在以下不足：

(1) 平铺直叙，缺乏生动的情境，不容易激发学生的兴趣；

(2) 从概念出发，缺少与生活的联系，学生会感到不够亲切；

(3) 学生缺少对认知过程的体验，学生难以体会到物理学的研究方法。

2 本章单元教学整体设计及思考

为了让学生经历伽利略探究自由落体运动、研究匀变速直线运动的过程，学习科学探究和科学思维的方法，发展科学探究能力，笔者决定改变一下学生的学习路径，按照从特殊到一般的方式组织教学，具体顺序调整为：自由落体运动(v0=0，a=g)→初速度为零的匀加速直线运动(v0=0，a为定值)→初速度不为零的匀加速直线运动(v0≠0，a为定值)→匀变速直线运动规律的应用。

这个单元设计采用从“自由落体”开始的顺序，基于以下考虑：

(1) 突出物理核心素养的培养。伽利略对落体运动的研究较全面地体现了科学探究的过程，通过这个过程的展示，使学生有身临其境的体验：伽利略遇到了哪些困难？他是怎样克服困难的？运用了哪些方法？

(2) 在物理学发展史中，对自由落体运动的研究有着极其重要的地位，蕴含着丰富的科学思维和科学探究的教育素材。遗憾的是，在过去很长一段时间里，对伽利略的研究不够重视，后来稍有改善，也只是作为阅读材料点缀在正文后面，给学生的感觉似乎可有可无，这不能不说是一种严重的缺憾。再后来把“伽利略对自由落体运动的研究”作为正文了，但放在全章最后一节，实际教学中教师往往还是当作“阅读材料”处理的，属于“可讲可不讲”的内容。与其如此，不妨把这一节内容放在本章开篇来讲，可能会取得更好的教学效果。

(3) 人们对运动的认识通常是从认识具体运动开始的，自由落体运动是一种很典型、很理想的匀变速直线运动。可以这么说，在现实生活中恐怕很难找到比自由落体更直观、更理想的匀变速直线运动的例子了！而本章开篇通过实验“在重物牵引下小车的运动”引入匀变速直线运动，是“人工制造”的，显得有点“刻意”为之。

(4) 本章教学从“自由落体”开始、改变原来教材的呈现顺序，使学生能够更好地学会思考、学会探究、学会学习。跟随伽利略的脚步，得出自由落体的运动规律后，接下去就是知识上的推广、扩展，水到渠成、顺理成章。同时，从“轻重物体谁下落得快”这个耳熟能详的问题开始新的一章的学习，也会让学生感到有趣而亲切！

3 本章教学示例

3.1 伽利略对自由落体运动的研究

(1) 伽利略采用悖论的方式，用石头的运动诘难亚里士多德：把一块大石头跟一块小石头捆在一起落下，会有什么结果？

(2) 通过实验探究，拨开阻力的迷雾：① 通过轻重不同的小石头、硬板纸片、餐巾纸等素材，两两同时从等高处下落，观察其运动快慢，探究影响物体下落快慢的因素；② 用“钱毛管”实验进一步探究，明确在排除空气阻力的影响后落体的运动情况。

(3) 伽利略通过研究认识到：如果能排除空气阻力的影响，轻重不同的物体下落快慢完全一样，进而建构了自由落体运动模型。

(4) 重走伽利略的探究之路：伽利略因实验条件的限制，不能直接检验关于自由落体运动的猜想，他利用斜面(木槽)来“冲淡重力”，研究小球从静止开始在斜面上的运动规律，进而推论自由落体运动的规律。

在课堂上可引导学生重走伽利略的探究之路，实验器材和过程如下：取长约2米的PVC管，从中间切开，两端垫不同厚度的木块做成凹槽长斜面，贴上以厘米为单位的刻度。让小钢球从顶端滚下，利用电子节拍器，在发出2、3、4、5个声响时用细木棒拦住小球，读取此时的位移，并输入Excel表格，处理数据可知：在同一倾角下x/t2为一个定值，即x∝t2。保持倾角不变，换质量不同的小球再做实验，可得到同样结论，且两小球运动情况几乎相同。增大倾角，实验得到的x/t2仍然是一个定值，且随倾角的增大而增大。再请学生思考：当斜面倾角为90°时，情况如何？此时小球做什么运动？

(5) 超越伽利略：伽利略在17世纪用实验验证x∝t2时，计时和定位都是很困难的。现在，我们完全不必再用斜面来“冲淡重力”，采用实验室仪器设备可以对落体运动精确地计时、定位，直接研究落体运动的性质。通过上一章的学习，学生能够说出用“打点计时器”来研究自由落体运动的方法，“超越”了伽利略，是不是感到很激动？除此以外，教师还可以补充介绍频闪照相等方法，并启发学生运用手机、数码相机来研究自由落体运动。

(6) 课后作业：① 收集人类对自由落体运动认识的历史资料；② 通过学习，简述伽利略是如何发现问题、克服一个又一个困难的？写一篇短文，谈谈自己的认识、体会；③ 利用生活中的素材，设计一个研究自由落体运动规律的实验。

3.2 自由落体运动的规律

这一节包含两部分内容：自由落体公式的推导、重力加速度的测定，渗透了科学思维方法的教育，包括图像法的应用、极限与微元的思想等。

图像可以直观地反映物理量之间的关系，通过分析可得到两者之间的函数关系。把自由落体的位移与其v-t图线下的“面积”相联系(如图1、图2)，从数学上看就是微积分，在这里，我们是把一个在物理学发展中极为重要而有效的思维方法，以简约化的方式呈现出来了。

图1

图2

在推导位移公式时，可以先举一个匀速直线运动的例子，引出求“面积”这个思路，再运用极限与微元的方法进行分析。

(1) 请同学们研究上节实验课得到的重物下落的v-t图像，引出“匀变速直线运动”的概念。

(2) 利用v-t图像推导自由落体速度与时间的关系、位移与时间的关系。

(3) 测定v-t图像的斜率，研究重力加速度。

(4) 测定反应时间。请一位同学用两个手指捏住直尺的顶端，你用一只手在直尺下方做捏住直尺的准备，但手不能碰到直尺，记下这时手指在直尺上的位置(如图3)。当看到那位同学放开直尺时，你立即捏住直尺。测出直尺降落的高度，根据自由落体运动的知识，可以算出反应时间。

图3

图4

3.3 匀变速直线运动的规律

对于匀加速直线运动，利用加速度的定义式，速度公式显然易得。结合图4，将“矩形”面积与“三角形面积”相加，就得到位移公式。

图5

设计思路：(1) 基本公式涉及5个物理量：v0、a、t、v、x，对匀变速直线运动来说，v0和a是常量，t、v、x是变量。本节通过“图像”将3个基本公式的推导“串联”在一起，有利于学生形成“常量”与“变量”的概念，加深对公式的理解、形成系统认知。原教材将3个基本公式分3小节内容介绍，就淡化了它们之间的联系，不利于学生应用时灵活选择。(2) 学生通过图像自主推导公式，记得牢，就算一时忘记，画个图马上就可以推导出来，有利于提高自主学习和理论探究能力。

4 学习评价设计

4.1 科学短文汇报交流和自由落体实验设计展示

这个为期两周的长作业在本章第1节课时已经布置下去，全章内容结束时请学生在课堂上进行汇报展示。

具体做法为：(1) 关于伽利略的科学短文两周后收上来，教师先进行批阅，挑选优秀文章备用；(2) 自由落体实验设计的任务分小组完成，全班分成5个小组，组员分配好各自的工作，两周后以小组为单位将方案提交给老师，教师进行指导，在汇报课上请各小组进行演示。对学生本次作业进行打分并记录在学习档案袋，作为本学期平时成绩的一部分。

4.2 单元试卷的命制

单元试卷命制也是从整体设计的思想出发的，从知识、模型、方法三个方面进行选题，体现能力立意，注重题目情境与生活紧密联系。