大单元教学中落实物理学科 核心素养的实践研究

【摘要】本文以人教版必修第一册第一章第2节《时间 位移》中的“练习使用打点计时器”实验教学为例，论述在大单元教学中培养学生物理学科核心素养的途径，提出采用问题教学法及解决任务的模式逐步突破重难点，综合运用讲授法、示范教学法、问题探究法、实验探究法以及讨论分析法等做法。

【关键词】大单元教学 核心素养 打点计时器

高中物理

【中图分类号】G63 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）11-0121-04

运动是非常常见的现象，大到天体，小到原子、电子，均有自己的运动规律。而物体间的相互作用会影响物体的运动。那么“运动”及“相互作用”各自有什么样的规律，又有什么联系？高中物理的学习，正是从“运动与相互作用”开始的，并且贯穿整个高中学习过程。高中阶段，大单元教学将从以下4个方面建立“运动与相互作用观”（如图1所示）。

在高中物理教材中，不同的章节有不同的侧重点，彼此又相互支持。教师要引导学生一步一步深入研究，让学生逐渐建立对运动的基本认识，培养学生解决真实（或准真实）运动问题的意识或习惯。高中物理的学习从运动观的建立开始，而“练习使用打点计时器”是高中物理第一个学生分组实验，是学生建立运动观，从而进一步建立起运动与相互作用觀的开始。好的开始是成功的一半，所以该实验至关重要。

本文笔者以人教版必修第一册第一章第2节《时间 位移》中的“练习使用打点计时器”实验教学为例，阐述在大单元教学中培养学生物理学科核心素养的途径。

一、教材分析

“练习使用打点计时器”是人教版教材必修第一册第一章《运动的描述》第2节《时间 位移》中的内容。教材将该实验放在“时间和位移”的学习之后，让学生经历用打点计时器记录物体运动的位移和时间的过程，促进学生形成物理概念，并增强他们对研究物体运动方法的体验。“练习使用打点计时器”是学生建立物理学科核心素养中物理观念的“运动与相互作用观”经历的第一个实验。学生在实验中初步感知描述物体运动的第一个物理量，即物体位置的变化——位移，初步建立运动观。同时，该实验是学生进入高中第一次用打点计时器进行的定量实验，侧重训练学生操作技能及培养良好的实验习惯。

二、学情与教学重难点分析

学生在本节学习中首次接触打点计时器，它的实验原理、使用方法和数据测量与处理分析也是本节的重点和难点之一。在直角坐标系中表示位置、位移等物理量是学生初次针对矢量进行数形结合学习，而描绘“位移—时间”图象则是学生第一次用数学图象描绘物理过程和规律，因而难点表现在数学和物理的结合，即对数学表现形式的物理意义的理解上。

三、教学目标

（一）学生了解打点计时器的基本结构和工作原理，学会使用打点计时器记录物体运动的位移和时间。

（二）学会设计实验数据记录表格。

（三）学会建立“位移—时间”坐标系并选择合适的分度值进行描点作图，理解图象的物理意义，能根据图象分析物体在一段时间内的位移。

四、策略分析

解决问题学习是探究式教学活动中重要的学习方式之一，它在培养学生分析问题和解决问题等能力方面发挥着十分重要的作用。本节课采用问题教学法及解决任务的模式逐步突破重难点，化整为零，激发学生自主探究的兴趣，培养学生的创新能力，提升学生的科学素养。启发性合作探究模式的教学，综合运用讲授法、示范教学法、问题探究法、实验探究法、讨论分析法，引导学生设计实验与制订方案、获取和处理信息、在实验过程中发现问题进而解决问题，最终实现学习目标。

五、教学过程

（一）问题导入，揭示课题

师：描述机械运动就是要描述物体的空间位置随时间的变化情况。请问生活中有哪些方法或工具能记录位置（留迹）和时间呢？

（学生逐一回答：照相、钟表、频闪照相、打点计时器，等等）

（教师板书：实验一 练习使用打点计时器）

设计意图：课本介绍了生活中能够记录位置和时间的方法及工具，学生只要提前预习就能回答出教师的提问，而教师也能通过这个问题进一步了解学情，检查学生的预习情况;同时，这一提问也引出了本节课的课题，达到揭示课题的目的。

（二）介绍实验内容，初步渗透学科核心素养

教师通过板书呈现实验目的：一是练习使用打点计时器，二是学会用x-t图象表示物体的位置随时间变化的情况。接着，教师向学生介绍电磁打点计时器和电火花打点计时器（如图2、图3所示）。

师：电磁打点计时器工作电压为交流4—6 V，通过振针和复写纸打点;电火花打点计时器工作电压为交流220 V，脉冲电流经放电针、墨粉纸盘放电实现打点。

设计意图：介绍两种打点计时器的构造及打点原理，引导学生观察其异同，重点对比其区别，加深印象，培养学生的物质观念;让学生现场观察实验桌上摆放的是哪一种计时器，学以致用，增强物理学习的成就感;温馨提示学生用电安全，培养学生的科学态度与社会责任。

教师向学生讲解打点计时器的作用：一是测时间。当电源频率为50 Hz时，打点计时器每隔0.02 s秒打一个点。二是测位移。打点计时器能够按照相同的时间间隔在纸带上连续打点。如果把纸带和运动的物体连在一起，纸带上各点之间的距离就表示相应时间间隔中物体的位移大小。三是可以通过纸带研究物体的运动情况。纸带上的点反映了物体的运动情况，要想研究物体的运动情况，研究纸带上的点即可。

设计意图：教师介绍打点计时器的功能与作用，重点介绍打点计时器记录位置（留迹）和时间的原理，为本次实验得以顺利进行提供可靠的理论依据，培养学生科学论证的核心素养。

师：实验室给同学们提供的实验器材已经摆放在实验桌上了，有电火花打点计时器、小车、导轨、纸带、刻度尺、坐标纸、铅笔，请同学们逐一确认并说出每样器材的实验用途。

（学生逐一说出每样器材的实验用途）

设计意图：在实验室条件相对有限的情况下，启发学生思考实验室所提供的每样实验器材的用途，为实验操作的顺利进行铺垫。学生领会到在现实条件相对有限的情况下如何充分利用可获得的器材进行科学探究实验，体会科研的艰辛与不易，发展严谨认真、吃苦耐劳的科学态度。

师：为了实现实验目标，我们应遵循怎样的实验步骤？

（学生思考片刻后，教师开始演示实验：先固定计时器、安装纸带，随后启动电源，等打点稳定后，再用手水平拉动纸带，打完点后立即关闭电源）

设计意图：教师强调实验操作要考虑实验的效果与实验的便捷性，要保护好实验器材，为学生做好示范，培养学生的科学态度与社会责任。

（三）分组实验，在动手中领悟学科核心素养

在实验探究环节，教师给学生设置了两个任务。

【任务一】请每个小组在3分钟内组装器材并进行第一次实验，相互协作配合，并及时发现问题，提出解决方案，总结实验注意事项。

师：时间到，请同学们停止实验。在同学们实验时，老师发现了以下典型的问题。第一，打出的点非常密集（利用投影仪展示纸带），这样方便测量吗？

生1：不方便测量点与点之间的距离，相对误差太大。

师：怎样操作可以让打出的点间距更大呢？

生2：拉纸带要更快一点。

师：第二，打出的点不在同一条直线上，而我们研究的是直线运动，要怎样拉才会让打出的点在同一条直线上？

生3：要平直地拉动纸带。

（教师板书：注意事项 1.拉动纸带要适当快一点;2.要平直地拉动纸带）

设计意图：教师给予学生试错的机会，及时发现问题、讨论交流，及时解决问题，为后续的实验成功开展提供保证。学生进行实验的同时，教师在教室内巡视，一方面指导学生进行实验，另一方面记录学生在实验过程中存在的问题，搜集典型案例，并引导学生就发现的问题进行讨论，找出原因及改进措施。该任务培养学生的规划意识，增强其时间观念;启发学生思考，培养学生科学探究的能力，使学生能在他人帮助下制订科学探究方案，使用实验器材获得数据。

【任务二】请每个小组在3分钟内进行另外三次实验，并选出打点清晰、间距合适的纸带。

师：时间到，请同学们停止实验。获得合适的纸带之后，接下来我们需要根据纸带打点的情况去研究小车的运动情况。为了方便进行定量研究，我们需要确定具体的研究范围并建立坐标系。

师：（问题1）需要建立几维坐标系？如何确定坐标系原点及正方向？给大家2分钟时间进行交流讨论，2分钟后，老师要请同学来回答。

（学生代表回答后，教师引导学生进行交流讨论，然后进行总结）

师：把能够看清的第一个点作为原点O，纸带运动的反方向为正方向，建立O-x一维坐标系（如图4所示）。

师：（问题2）需要记录什么信息？怎么测量？

（学生逐一回答，教师复述并適时追问引导）

师：给纸带上的点依次编上1、2、3、4……的编号，把原点作为计时起点，用刻度尺测量出这些点到原点的距离x，则位移大小Δx=x。纸带从原点到第n个点的运动时间为tn=0.02n s（如图5所示）。

设计意图：在经过第一次尝试之后，学生更规范、更有针对性地进行实验。学生对科学探究产生敬畏之心，增强学生学习物理的兴趣，培养学生的科学态度。学生汇报，教师复述并适时追问引导，一方面让其他学生跟上思路参与进来，另一方面给学生思维设计关卡，引导其反复推敲，加深理解，举一反三，最终归纳出具体的测量方法，从而突破本实验的难点。

师：（问题3）实验过程中要及时记录信息数据，那么要把信息数据记录在哪里？

生：实验数据记录表格。

师：所以我们要先设计实验数据记录表格。在实验报告的预习部分，同学们已经初步设计了实验数据记录表格，老师选取了部分典型代表（如表1、表2、表3、表4所示），请大家一起来评价，指出优点和不足。

（学生代表发言。教师引导学生讨论交流后，总结各表格的优缺点。表1编号点个数太少，不足以反映运动情况;表2“实验次数”“打点数”表意不明;表3设计意图不清，无法用于实验数据记录;表4表达意思明确，相对较好）

师：请同学们根据老师给出的指导意见完善自己的表格。

设计意图：学生观察对比多个典型表格，强烈的视觉冲击让学生迅速抓住设计数据表格的要点，从而学会设计实验数据记录表格，这是科学探究的重要技能之一，也是科学探究过程中获得证据的必要条件。

师：单纯的数据表格还不能形象地反映物体的运动情况。接下来给大家5分钟时间，请同学们进行测量采集数据，并在坐标纸上建立平面直角坐标系，以t为横轴，以x为纵轴，描点作图（如图6所示）。

（学生作图。教师在教室巡视，邀请学生代表上台展示）

师：时间到，请大家停止作图。下面请小组代表上台给大家展示他们的作图，请大家指出各图的优缺点。

（学生代表发言后，教师总结作图注意事项：作图时要选择合适的分度，分度太小图太大，分度太大图太小;应尽量充分利用坐标空间）

设计意图：借助图象等数学方法去表征物体运动，锻炼学生变换物理量的表征方式的能力;学生在评价别人作图的同时也能发现自身的不足，从而学习他人的优点，学会反思;学生分析数据，发现特点，形成结论，尝试用已有的物理知识进行解释，培养学生数据及交流的科学探究的素养。

（四）课堂总结

师：让我们总结一下，这节课我们学到了什么？

（学生逐一回答，教师复述并运用PPT展示：1.了解了打点计时器原理、作用;2.学会了使用打点计时器;3.学会了用x-t图象表示物体的位置随时间变化的情况;4.总结了实验注意事项）

设计意图：总结本节课所学到的知识，增强学生的成就感，提升学生对学习物理的兴趣，培养学生的科学态度。

大单元教学主张站在更高的层面，整体考虑某个学段，打破教材的编排顺序，在教学内容上进行增、删、补，按照教学的实际需要把学科知识重新规划整合，综合设计，有序实施，构建新的教学系统，使其更合理、高效。贯彻新课程理念，提高学生的综合素质，在教学中培养学生物理学科核心素养，为学生终身学习打基础，是大单元教学的宗旨。“练习使用打点计时器”这一节课，教师综合考虑本节内容在高中物理知识体系中的地位和特点、本节内容的知识目标、高一年级学生的认知水平、物理学科核心素养要求等因素，在教学内容上进行了调整，根据实际需要对学科知识进行规划整合，设计了逐步进阶的问题，以贴合不同层次学生物理思维能力的发展需求。本节内容是大单元教学中培养学生物理观念的第一步，也是至关重要的开始，为学生后续的学习打下牢固的基础，为培养物理学科核心素养创造可能。大单元教学非一朝一夕之易事，需要一个较长的过程。教学相长，教师需敢为人先，敢于尝试，不断从试错中总结经验，在实践中培养学生的物理学科核心素养。

作者简介：周冬林（1982— ），湖南衡阳人，硕士研究生学历，高级教师，研究方向为理论物理。

（责编 刘小瑗）