基于学科大概念高中物理单元设计与实施——以“机械能守恒定律”单元为例

任虎虎

（江苏省太仓高级中学，江苏 太仓 215411）

1 学科大概念的内涵

学科大概念是在事实基础上抽象出来的深层次、网络状、有意义和可迁移的聚合概念，是一个学科领域中最精华、最有价值的内容，居于学科结构的中心，能反映学科的本质，具有广泛的概括性、适用性和解释力.发挥着小概念“文件夹”和“透镜”的作用，学科大概念通常表现为一个有用的原理、思想或问题等.

1.1 学科大概念是知识组织的核心

从知识层面看，学科大概念能将零散的事实、概念、经验和问题等有机整合在一起，并整合建立联系，是知识组织的核心，而有机组织的知识是知识结构化和认知结构形成的基础.学科大概念的进阶过程先是基于事实抽象出一些零散小概念，然后对这些小概念进行概括总结上升为学科大概念，如图1所示，对学科大概念的理解过程就是对一类知识的内化过程.学科大概念是学科结构的中心，对其的揭示也就是对学科本质的理解，对学科大概念的内化获得就是深度学习的过程.

图1 学科大概念的结构层次

1.2 学科大概念是思维发展的载体

从思维层面看，概念是思维发展的载体，一方面概念本身的获得过程就要经历分析、归纳和综合等思维过程，另一方面概念是学生进行思维的基本单位，思维发展就是不同概念之间建立联系和相互影响的过程.由于学科大概念是在众多小概念相互关联整合基础上形成的，必然要应用到抽象、评价和批判性反思等高阶思维，这也是专家思维的具体体现.所以学科大概念是高阶思维发展和思维品质提升的载体与保障.

1.3 学科大概念是灵活迁移的基础

从实践迁移层面看，促进学科大概念理解的教学首先从包容性的学科事实等情境出发；其次通过体验、持续的探究与整合形成内化的抽象原理（学科大概念）；最后迁移其到陌生情境解决新问题，所以学科大概念是实现高通路灵活迁移（远迁移）的基础.

2 基于学科大概念的单元教学设计

由于大概念的抽象性、网络状等特征，单元整体教学是促进学科大概念理解的基本教学样态，克服课时主义的弊端，进行单元整体建构，解决思维发展低阶性、课时之间零散性和单元之间割裂性等现实问题.在平时教学实践中，一线教师较多关注课时层面的设计与实施，较少从整体出发关注单元层面的设计与实施，即关注局部忽视整体，这样很难深度理解学科大概念和培育学科核心素养.

对于单元教学设计本文引荐逆向设计，单元逆向设计是“以终为始”的教学设计，即从单元最终输出倒推输入内容和方式，寻求达成单元目标的最佳学习路径与实施方案.共分为3个阶段：首先确定科学的单元学习目标，其次设计合适的单元评估证据，最后开发有效的单元学习活动，将目标及对目标的评估同时先于活动而设计，真正发挥评估对学习的反馈和促进作用.下面对人教版高中物理新教材必修第2册第8章“机械能守恒定律”进行单元逆向教学设计，如表1所示.

表1 “机械能守恒定律”单元逆向设计

续表

3 基于学科大概念的单元教学实施

基于学科大概念的单元教学实施包括大情境链接、大问题指引、大任务驱动、概念性理解和反思性迁移5个基本环节，在每个环节设计相应的教师活动和学生活动，促进对学科大概念的理解，如图2所示.

图2 基于学科大概念的单元教学实施

3.1 大情境链接

大情境是在简化、剪辑与凝练学生生活体验的基础上，设置适合学生文化背景、具有较大程度综合性、较强程度包容性的情境，通过大情境，将学生已有的知识、经验、学科现象等与单元学习内容有机链接，需要学生回顾与联想，教师创设的大情境从不同角度思考会获得不同的问题和知识.大情境在单元教学过程中可以反复出现，整合单元知识，促进对学科大概念的深度理解.

在机械能守恒定律教学中，铁球碰鼻尖实验：用一个结实的细绳一端连接一大质量的铁球，另一端固定在天花板上.一同学紧靠墙角站立，将铁球拉到靠近鼻尖处放手，观察铁球接下来运动过程中是否能碰到鼻尖.这个情境中发现铁球前几个来回刚好能运动到鼻尖处，说明这个过程中有某个物理量是守恒的；这个情境涉及重力做功与重力势能变化；若已知最大摆角和绳长，基于动能定理可以求最大速度；还可以和圆周运动知识链接，求绳子的最大张力，这就是一个大情境.

3.2 大问题指引

大问题是指向学科大概念并对大任务的进一步聚焦.大问题是超越知识本身、阐明知识本质、能够指引对某一特定主题内容的理解、激发知识间联系和迁移的综合性问题.大问题可以分解为若干小问题，通过对一个个小问题的分析，实现对大问题的理解，在这个过程中需要教师的互动引导和学生的协作讨论.

在本单元教学中，可以设置大问题：为什么说功是能量转化的量度？对这个问题的理解建立在3个具体问题的研究基础之上：（1）重力做功是重力势能转化的量度，重力做了多少功重力势能就改变多少（包含符号，下同）；（2）合外力做功是动能转化的量度，合外力做了多少功动能就改变多少；（3）除重力或弹簧弹力以外的其他力做功是机械能转化的量度，其他力做了多少功机械能就改变多少，如果除重力或弹簧弹力以外的其他力不做功，则机械能守恒，即为机械能守恒的条件.

3.3 大任务驱动

大任务是单元教学的核心任务，其指向单元核心知识.对大任务的探究将帮助学生实现对学科大概念的理解，在单元教学中起着定位与导航的作用.在这个环节中教师提供有限的指导和学习支架，学生则在深度思考的基础上体验探究，团队合作探寻完成任务的方案，大任务可以分解为几个小任务.

在本单元教学中，设置大任务：寻找铁球碰鼻尖实验中的守恒量.这个大任务可以分解为4个子任务，并贯穿在单元学习整个过程中.子任务1：建立物理模型进行分析；子任务2：这个过程中重力势能和动能相互转化，厘清重力势能和动能的概念建立过程；子任务3：用动能定理进行理论探究，得到机械能守恒定律；子任务4：设计实验方案进行探究.

3.4 概念性理解

概念性理解是超越概念层面的理解，是对概念进行纵横联系、深度理解形成持久性的认知网络的过程.概念性理解是学习能够转移到新情境的前提条件，是通往深度学习的必由之路.在单元知识本质理解的基础上，通过对小概念进行抽象概括形成基本原理、建立物理观念和发展高阶思维.它是单元教学的核心，发挥着承上启下的作用，大情境链接、大问题指引和大任务驱动就是为了促进概念性理解，而概念性理解是实现高通路迁移（远迁移）的基础和保障，在这个环节中需要教师的点拨升华和学生的收敛内化.

在本单元教学中，首先通过对动能定理、机械能守恒定律和功能关系的理解，帮助学生建立能量的转化与守恒观；其次通过对从能量角度与动力学角度解决问题的思路、过程和结果进行比较与评价，领悟从能量的角度分析和解决机械运动问题的方法.

3.5 反思性迁移

在单元教学的过程中或结束后，引导对学生对自己学习的内容、方式和结果等进行反思与评价，促进学生理清知识内在的逻辑结构，理解知识背后蕴藏的意义和价值，实现对学科大概念的进一步理解，然后迁移其到新情境解决实际问题，在这个环节教师要做好反馈评价.

本单元教学中，对于机械能守恒定律的“系统内”该如何理解？是一个教学难点，可以引导学生进行反思论证.根据万有引力定律知识：g=GM地／R2，重力势能是物体和地球这个系统共有的；当弹簧发生明显形变时，与之接触的滑块有一个微小形变，但由于滑块形变量太小，弹性势能可忽略不计，这两个弹性形变同时产生、同时消失，所以弹性势能也具有系统性.另外对于弹簧的动能：由于是理想化的“轻弹簧”，质量忽略不计，所以动能为0.在这个反思的基础上进行实践迁移解决实际问题：生活中很多学生会利用后端带弹簧的圆珠笔玩一个小游戏：将其后端放在桌子上竖直向下按压，突然放手后会弹起一定高度.若已知圆珠笔的质量，请只利用手头的刻度尺得出圆珠笔离开桌面时的速度大小以及弹簧的最大弹性势能.