大概念、大思路、大情境和大问题引领下的单元教学设计——以“圆周运动”教学为例

张晓琳 赵海艳

(1. 北京大学附属中学，北京 100080；2. 北京师范大学实验中学丰台学校，北京 100086)

1 引言

发展学生的核心素养是课程改革的价值追求，单元教学设计是发展学生的核心素养的重要途径。在教学中只有把大概念、大思路、大情境、大问题融入单元教学设计的各个环节，才能实现单元教学设计既统揽全局又有序开展的初衷，切实培养学生的核心素养。单元教学设计要让学生在真实的生活实践情境中找寻问题解决的思路，在探究的过程中完成知识的建构，通过问题解决促使原有的知识经验和新的知识相互作用，实现概念、规律的提炼和升华，形成少而精的大概念。更为重要的是，在不断探究中逐渐形成适用范围广泛、更容易在不同情境或者主题下迁移的一般化解决问题的大思路。

2 基于大概念的单元内容分析

2.1 整合单元知识，梳理围绕大概念的知识结构

“圆周运动”单元是人教版高中物理必修第二册第六章的内容，是运动与相互作用观的体现,是“机械运动”核心概念下面的次级概念之一，也是本单元运用动力学知识与方法(大思路)分析解决新问题的延续，知识结构关系如图1所示。

图1

在“解决问题”的大思路下，运用直线运动学习中分析问题的方法，完成圆周运动动力学方程的建构和问题的解决。此外，圆周运动模型的建构为万有引力定律的学习奠定了基础，因此本单元的知识结构如图2所示。

图2

2.2 剖析知识教学中隐含的思想方法

在“圆周运动”单元的教学内容中，蕴含了模型建构、科学探究、推理论证等丰富的科学方法。教师应充分发掘教学内容中的育人价值，剖析知识背后隐含的思想方法(表1)。

表1

3 大概念、大思路引领下的单元教学目标

在大概念、大思路引领下，以“力和运动的关系”为主线，结合课程标准的要求，确定本单元的教学目标如表2。

表2

4 大情境、大问题引领下的单元学习设计

核心概念的学习并不是一蹴而就，需要大量的具体概念作为支撑，逐步深化理解。科学概念层级是选择教学策略和教学具体方式的主要依据，为了实现上述学习目标，先要确定单元科学概念学习层级(表3),根据学习层级,设置“过山车”大情境，以“能否用直线运动的规律来研究曲线运动”为大问题，进行学习设计。

表3

续 表学习层级学习设计具体内容层级3向心加速度及其表达式推导、能根据问题情境选择合适的表达式进行简单运算问题情境创设牛顿第二定律告诉我们:物体的加速度方向总与它所受合外力的方向一致。这个关系不仅对直线运动成立,对曲线运动同样成立。提出问题:做匀速圆周运动物体的加速度方向是怎样的呢?大小呢?知识内容向心加速度表达式的推导及其简单应用。核心素养发展规划建立模型推导向心加速度的表达式,培养学生的建模能力;通过推导向心加速度表达式,培养学生的科学推理能力和养成严谨治学的态度;利用直线、曲线运动的对比,培养学生类比分析、归纳总结的能力,发展学生的科学思维。学习方式指导对做匀速圆周运动的实例进行分析,根据牛顿第二定律可知做匀速圆周运动的物体的加速度方向和大小;通过建模,推导出向心加速度表达式。学习难点突破本层级的重点和难点是向心加速度方向、大小的确定和向心加速度大小的推导。(1) 阅读教材,让学生对向心加速度有初步认识;(2) 由加速度的定义,引导学生建立模型,利用数形结合推导向心加速度表达式;(3) 提供必要的实验器材,以便学习小组做实验探究;同时制作必要的微课视频,辅助探究能力不强同学的学习,为他们提供可参考的范例。学习反馈检测要点及方式要点:(1) 向心加速度大小的不同表达式的应用;(2) 通过设计实验,进行验证性实验设计。方式:(1) 通过提问、讨论交流和课堂巩固练习等环节进行过程性检测和评价;(2) 根据学生实验方案设计来考查实验探究能力。时间安排1课时层级4能分析生活中的圆周运动,知道离心运动及其产生条件,了解离心运动的应用和防止问题情境创设让学生观看视频,其中包括火车拐弯、F1赛车比赛、汽车过拱桥、过山车游戏等生活中常见的圆周运动。提出问题:它们的运动有什么相同之处,又有什么不同之处呢?什么力提供了向心力呢?知识内容生活中的圆周运动。核心素养发展规划通过向心力在具体问题中的应用,培养学生将物理知识应用于生活和生产实践的意识;通过把真实问题情境与物理知识相结合,培养学生的科学思维习惯,提高其科学思维能力。学习方式指导借助实际运动情境,采用分类的方法,找到它们的共同特征。学习难点突破本层级的重点和难点是利用向心力公式解释现象,利用向心力公式解决生活中的实际问题。(1) 通过演示实验以及相关视频,让学生感受生活中的圆周运动、离心运动;(2) 通过构建模型,分析各种圆周运动、离心运动的受力情况。学习反馈检测要点及方式要点:(1) 利用向心力公式解释生活中的一些现象;(2) 建构模型,定量分析各种圆周运动、离心运动的受力情况。方式:(1) 通过提问、讨论交流和课堂巩固练习等环节进行检测;(2) 课下通过课后作业应用规律解决实际问题。时间安排2课时

5 主要教学活动设计

5.1 借助实验探究完成大概念构建

学生正处于由直观认识向逻辑推理过渡的阶段，虽然可以熟练使用基本的实验器材，但对于用实验探究影响向心力的因素，学生缺乏具体措施。同时，设计有效的科学探究活动，也是教师思考的焦点问题。如图3所示，通过理论探究与实验探究，实现概念、规律的提炼和升华。

5.2 依据实验事实或现象，逐步形成物理观念

虽然物理课程标准中以物理观念作为核心素养的一个方面，没有直接提物理概念和规律，但这并不意味着只要这些“提炼”和“升华”后的东西，而是要让学生在对物理知识有深刻理解的基础上，进一步上升到观念层次，教学中主要采取图4所示的策略。

图3

图4

6 单元学习效果评价

物理学科核心素养是构建学业质量水平体系的依据，是学科关键能力和必备品格的融合。而学科关键能力又是学科核心素养中更容易测量那部分，因此，学科能力是评价学业质量水平的核心。学生学业质量水平的测量主要看学生学科能力的表现，而不仅仅是知识掌握的熟练程度。学习者的知识获得结果其实是非稳定的心理结构，随着时间与环境的变化，这种以知识掌握为基础的认知结构就会变得不稳定；而通过知识的学习过程所获得的能力(或认知结构)具有稳定的心理特征。所以，需要让学生再次面对与本单元内容有关的情境问题。

(1) 设置典型问题，归纳问题解决的思路和方法。

(2) 实际生活中还有哪些圆周运动？针对这些现象，我们能否提出相关课题？以小组为单位递交设计报告。以此锻炼学生从实际情景中建构物理模型、解决物理问题的能力。

(3) 通过现象与已有认知的联系与矛盾，提出并表述可以进行探究的物理问题，将问题情境转

化为发散性情境问题。如在用向心力演示仪验证向心力的大小时，经过讨论分析发现此实验属于半定量实验，可对此实验进行改进并阐述其原理等。

7 结语

从整体上看，本单元教学设计是按照物理知识的内在逻辑并结合学生的学习实际情况划分单元。并试图打破知识界限，围绕大思路划分单元。并在此基础上进一步简化、概括，提出统领单元学习的大问题，使学生的学习不再只关注知识的形成，而不重视知识的结构化，不再只注重一题一法的小技巧，而无法形成问题解决的大思路。