指向核心素养的“圆周运动”单元教学设计

高永生 李 静

（天津外国语大学附属外国语学校 天津 300230）

在全面深化课程改革落实立德树人根本任务的指导下，教育部从更高的文化层面提出了物理学科核心素养，包括物理观念、科学思维、科学探究以及科学态度与责任四个方面，这四个方面是有机融合的整体，是相互贯通，共同发展的。现阶段，教师在实际授课过程中往往存在更加关注学科知识的掌握，进行教学设计时通常立足于单一课时，而忽视了知识内容在整体框架中的地位和作用。核心素养的形成并不能依靠零散知识的简单叠加，而应该是知识的有机融合，具备物理学科核心素养的学生应能够运用整合的物理观念、科学的思维方法理解自然现象和解决实际问题。因此，跳出课时的束缚，从单元整体视角开展教学有利于帮助学生建立完整的知识结构和方法体系，促进核心素养的形成。本文以新教材人教版必修第二册第六章“圆周运动”为例，分析整合单元内容，提炼核心素养要素，在此基础上开展单元教学设计。

1 分析单元要素

单元要素的分析与重构是确定教学目标、设计教学活动的基础，包括课标和教材分析、学生分析、单元结构分析与核心素养要素分析。

对比新旧教材不难发现，旧教材中“曲线运动”一章在新教材中拆分成了两章：第五章抛体运动和第六章圆周运动。并且向心力和向心加速度两节内容的先后顺序发生了变化，这意味着对这一部分内容所承载的核心素养的培养目标发生了变化。新课标中明确指出“通过实验，探究并了解匀速圆周运动向心力大小与半径、角速度、质量的关系”，降低了演绎推导能力的要求，而突出了科学探究过程，因而教师的教学方法也应进行调整和优化。

学习圆周运动之前，学生完成了直线运动规律以及牛顿运动定律等内容的学习，具备了运用运动与相互作用的观念解决直线运动中动力学问题的思维与能力。此外，学生完成了曲线运动、抛体运动的学习，对于曲线运动的方向和物体做曲线运动的条件有一定的理解。根据维果斯基的最近发展区理论，通过圆周运动的学习，学生将知道如何对圆周运动进行描述，并能够利用运动与相互作用的思维与观念解决曲线运动中动力学问题。

立足于对教材和学情的分析，整合本单元教学内容，梳理出本单元结构层次，先是观察生活中的圆周运动，激发学生的思考；进一步引导学生联系生活实际，通过感受、猜想和实验探究巩固物理概念和运动规律；结合学生已具备的运动与相互作用观分析日常生活中的圆周运动，强化科学思维，实现知识的迁移与应用，推动核心素养的发展。

本单元蕴含了类比分析、模型构建、控制变量等学科核心素养要素，表1对本单元核心素养要素分布进行了归类，指引教学。

表1：“圆周运动”单元核心要素分布与归类

2 确定教学目标

基于对上述单元要素的分析，确定本单元教学目标为：物理观念：了解曲线运动，能用线速度、角速度、周期和频率等概念对圆周运动进行描述；结合生活中的圆周运动以及离心现象，能够利用牛顿第二定律分析匀速圆周运动，提升运动与相互作用观。科学探究：鼓励学生自制教具，利用控制变量的方法开展实验，探究匀速圆周运动向心力的影响因素；掌握数据处理的方法，如常用的一次函数法。科学思维：从实际情景出发，通过实验探究、逻辑推理、归纳演绎、模型构建等学习过程，掌握探究未知的方法。科学态度与责任：在实践过程中培养严谨的科学态度与合作学习的能力，并能将所学知识应用到生活实践中。

3 单元学习过程设计

结合教学目标，确定本单元的三个主题为：（1）圆周运动的描述；（2）向心力大小的实验探究；（3）运动与相互作用观的运用。

3.1 主题1：圆周运动的描述

（1）通过观察生活中圆周运动的实例，如教材中提供的比较自行车大、小车轮边缘的点，以及同一齿轮上到转轴距离不同的点的运动快慢，引导学生体会建立线速度、和角速度等物理量描述圆周运动的必要性；（2）通过类比直线运动，体会用比值定义法的特点，明确线速度、角速度等概念的物理意义、内涵、外延关联和发展，引导学生形成良好的概念体系；（3）通过极限法理解线速度的瞬时性，体会物理学中的抽象思维；（4）知道可以使用周期和频率描述做周期性运动的物体，丰富学生头脑中原有的机械运动的类型。（5）采用生活中“地球仪”“蘑菇钉”等玩具，搭建传动装置，帮助学生理解同轴传动和皮带传动的特点。

3.2 主题2：向心力大小的实验探究学习过程设计

（1）联系生活实际，体会做圆周运动的物体的受力情况，在此基础上动手开展定性分析实验，体会向心力的影响因素；（2）演示半定量实验，激发学生进一步探究的愿望；（3）课前提供素材，引导学生动手设计实验，自制教具，定量研究向心力大小与物体质量、运动半径、线速度、角速度等物理量间的关系；（4）引导学生经历实验前的猜想假设、自制教具实验探究、实验后的推力论证、科学解释与误差分析等思维过程，撰写完整的实验报告。

3.3 主题3：运动与相互作用观的运用学习过程设计

（1）应用“运动—>力—>运动与力关系”的大思路分析生活中的圆周运动，引导学生构建物理模型，寻找向心力的来源，体会加速度是联系运动和力的纽带；（2）通过亲身体验、视频拍摄等途径，思考汽车转弯和火车转弯时，哪一种力充当了向心力，引导学生分析向心力的来源，并运用相互作用观念分析水平面上的匀速圆周运动；（3）结合生活实例，引导学生动手制作实物模型，通过实验探究比较汽车通过拱形桥时对桥的压力与汽车自身的重力，分析桥最高点处的向心力，进而引导学生思考汽车在桥的其他位置时的向心力，运用相互作用观念分析竖直面上的非匀速圆周运动；在此基础上进行拓展，通过“过山车”“水流星”等实例，分析竖直平面上圆周运动的临界条件；（4）通过教材“思考与讨论”栏目，引导学生利用圆周运动的研究方法分析航天器中的失重现象。（5）通过科技馆中的离心机工作视频，引导学生思考物体做匀速圆周运动、近心运动和离心运动的条件，加深对离心现象的本质的理解。

4 单元学习活动设计

下面以主题2向心力大小的实验探究为例，说明主要教学活动设计。本主题的重点是让学生经历定性感受，半定量演示，再到参与制作定量研究实验装置进而开展定量研究，验证猜想，得出结论的过程。定性实验中，利用教材中提供的“手拿细绳拉着小物体做圆周运动”，使学生获得直观感受，从而对向心力大小的影响因素形成猜想；半定量实验，初步验证实验猜想，激发同学探究欲望，为自制教具的科学探究做好铺垫；自制学具开展定量探究实验，引导学生制定实验方案、灵活选用合适的器材开展实验，获得数据，通过动手实践，让学生带着问题去科学探究、论证，通过交流协作做出合理解释，进而得到向心力大小与各物理量之间的定量关系。

教师可通过设计“问题串”引发学生思考并开展实验探究，具体问题如下：（1）通过感受，绳子拉力的大小与哪些因素有关呢？（2）如何测量绳子上拉力大小？（3）如何测量物体的质量？（4）转动快慢用学过的哪个物理量来表示？如何测量？（5）如何测量物体转动半径？（6）图像为曲线时，如何确定向心力大小和角速度的定量关系？（7）得到了向心力大小与质量、半径和角速度平方成正比的关系，能否根据定量实验确定比例系数？学生在探究的过程中形成清晰、系统的物理观念，不断学习、分析、研究问题的科学方法，提高科学探究的能力。重现知识的发现过程，达到培养学生更严谨的科学态度、深入认知物理情境中的科学本质的能力。

5 学习效果评价

单元教学评价不仅关注结果，还要关注过程，强调从“对学习的评价”转为“为学习的评价”，强调在真实过程中的评价，尝试基于学生表现的评价，以及不同主体共同参与的评价，让评价更好地促进学生的学习过程。

5.1 评价内容多元化促进学科素养全面发展

采用过程性评价，使得评价更加全面、真实和有效。如主题2的实验教学中，可以从课堂问答、实验方案设计、实验操作过程、实验数据与结果分析、实验报告呈现以及课后作业等多方面出发，依据《普通高中物理课程标准(2017年版)》中学业质量水平的划分，设计评价表格。

5.2 多主体评价相结合促进学习的发生

在设计评价表格时，应采用教师评价、自我评价和同伴评价相结合的多主体评价方式，检查回顾学习的起点、过程、成果和困难。在学习过程中，通过收获来自同学的评价和自我反思，对自己的学习有更清醒的认识，这不仅对当前学习有助益，对学生形成终身学习能力也十分重要。

6 单元教学设计反思

“圆周运动”单元以概念和模型构建为起点，以运动与相互作用观为核心，通过情境问题创设和实验探究，发展学生物理观念与科学思维。针对概念教学，密切联系实际，以真实情境为载体，帮助学生理解概念的意义、内涵、外延、关联和发展。针对探究实验，让学生经历定性感受形成猜想，半定量演示激发兴趣，定量探究挖掘规律的研究过程，促进科学思维的形成。针对运动与相互作用观念，重在模型构建，在此基础上引导学生利用物理观念解释自然现象，发展学生解决问题的大思路。