大单元视域下物理模型学习进阶的教学实践与思考——以“绳球模型”为例

刘杭州，宋书婷

1.乌鲁木齐市实验学校，乌鲁木齐 830026

2.乌鲁木齐市第十五中学，乌鲁木齐 830026

践行大单元教学理念，师生必须基于广阔的视角，站在学科核心素养得以发展的高位，对学科内容进行深层次的整合加工，从而设计良好的教学路径，以实现学生对物理问题的深层思考和深层理解［1］。践行大单元教学理念必须理解“大”的含义，大单元之“大”强调的是在大概念的统领下，打破章节的壁垒，整合课程内容，使学生的知识结构化、系统化、网络化［2］。学习进阶是在一个时间跨度内学习和探究某一主题时，依次进阶、逐级深化的思维方式［3］。在进行大单元教学设计的过程中，学习进阶理论与大单元教学理论不谋而合，相互支撑。物理知识学习的主要载体为物理模型的建构和应用，故探索大单元视域下的物理模型学习进阶方法对物理教学有现实意义。以“绳球模型”为例，探讨大单元视域下的物理模型学习进阶路径设计。

1 梳理模型应用分布情况，建构模型进阶框架

大量物理知识之间具有明显的阶梯性和层级性，所以建构完善的物理模型是一个复杂的过程。学生高中物理学习的过程中，包含了多个模型。梳理出物理模型在各个时间段的研究内容及进阶情况，建构模型进阶框架，对教师有意识地按照时间线、知识线设计教学内容，辅助学生建构完善的物理模型有重要作用。

“绳球模型”是高中物理的常用模型，在不同的学习阶段，其“称谓”及主要研究的问题是不同的，而且存在明显的学习进阶特点。站在大单元视角，“绳球模型”有效地串联了动力学、能量、动量等高中物理核心内容。以“绳球模型”的建构为主题，建构基于大单元的进阶框架，对教师高效开展教学活动有很好的辅助作用。“绳球模型”在高中阶段可以分为五个小类型，分别为“绳球平衡模型”“绳球连接体动力学模型”“绳球圆锥摆模型”“绳球竖直圆周运动模型”“绳球单摆模型”。五类模型按照学习时间线及知识序，存在纵向及横向交叉的学习进阶体系，如表1所示。

表1 “绳球模型”进阶框架图

2 分析模型具体建构过程，形成模型进阶体系

基于大单元的物理模型学习进阶体系是以物理模型为载体，逐步深入学习物理概念及规律的过程。教师需基于进阶框架有意识地辅助学生逐步进阶学习，最终建构完善的物理模型，并对模型建构过程中的具体情境及应用进行分析，提出需要解决的核心问题，致力于让过程具备系统性，从而帮助教师高效开展教学活动。

“绳球模型”的建构经历了共点力平衡问题、连接体动力学问题、圆周运动动力学定量分析问题；用能量的观点分析问题；用动量、动量守恒的观点解释问题；简谐运动中的单摆。该进阶过程可以窥得高中阶段“绳球模型”的全貌，具体的进阶路径如图1所示。根据“绳球模型”的进阶框架，设计进阶核心问题，为站在大单元的视角上系统地建构模型指明方向。

图1 “绳球模型”进阶路径

2.1 “绳球平衡模型”具体建构过程

“绳球平衡模型”（图2）的建构集中在共点力平衡问题中，按照进阶框架主要解决的问题为：（1）小球在重力、绳子的拉力及第三个力的作用下偏离竖直位置后的平衡条件是什么？（2）如何在确定的位置计算拉力及第三个力的大小？（3）如何确定第三个力的大致方向及其最小值的大小及方向？（4）在确定方向的第三个力作用下的动态平衡问题中各个力如何变化？（5）拉力及第三个力大小和方向都变化的动态平衡问题中各个力如何变化？

图2 绳球平衡模型

2.2 “绳球连接体动力学模型”具体建构过程

“绳球连接体动力学模型”（图3）的建构主要集中在牛顿运动定律的应用问题中，按照进阶框架主要解决的问题为：（1）小球在重力、绳子拉力的作用下偏离竖直位置时，小球做什么运动？（2）小球所受弹力、合外力及小球的加速度有多大？（3）小球的运动和小车之间是什么关系？（4）在不同的情境中（如斜面上），如何分析小球的受力及运动状态？

图3 绳球连接体动力学模型

2.3 “绳球圆锥摆模型”具体建构过程

“绳球圆锥摆模型”（图4）的建构主要集中在圆周运动中，按照进阶框架主要解决的问题为：（1）小球在重力、绳子拉力的作用下偏离竖直位置时，为什么可以做圆周运动？（2）什么力提供向心力？（3）如何求解运动中的线速度、角速度、周期等物理量？（4）在不同的情境中（如火车转弯），如何分析小球（物体）的受力及运动状态？

图4 绳球圆锥摆模型

2.4 “绳球竖直圆周运动模型”具体建构过程

“绳球竖直圆周运动模型”（图5）的建构分为两个阶段，分别为学习了圆周运动知识后的动力学阶段和学习了能量知识后的整体阶段。按照进阶框架主要解决的问题为：（1）小球在重力、绳子拉力的作用下在竖直面内为什么可以做圆周运动？（2）在最高点及最低点，什么力提供向心力？（3）小球能在竖直面内做圆周运动的临界条件是什么？（4）小球在最高点、最低点的速度、向心力、受到绳子的拉力等物理量间有什么关系？（5）在电场力及重力作用下的圆周运动如何分析？

图5 绳球竖直圆周运动模型

2.5 “绳球单摆模型”具体建构过程

“绳球单摆模型”（图6）的建构分为三个阶段，分别为学习了圆周运动知识后的动力学分析、学习了能量知识后的能量观点分析以及学习了简谐运动后的小角度单摆运动特征分析。按照进阶框架主要解决的问题为：（1）小球在重力、绳子拉力的作用下做单摆运动时的运动特征是什么？（2）什么力提供向心力？（3）单摆运动中小球受到重力的功率如何变化？（4）单摆运动中的能量如何变化？（5）做小角度单摆运动时，什么力提供回复力？（6）做小角度单摆运动时，小球的位移、速度、加速度、动能、势能等物理量如何变化？（7）做小角度单摆运动时，振动的周期、频率、振幅等物理量如何计算？

图6 绳球单摆模型

上述“绳球模型”建构中所提出的问题是建构模型的核心问题，也是评价学生学习的量化问题。要解决这些问题，势必采取合理的课堂活动设计。而要让学生在头脑中真正形成对“绳球模型”的成熟认识，必须在高三阶段设计微专题，在丰富的情境中，让学生应用综合性的知识分析、解决“绳球”模型相关问题，以实现知识的内化与升华。

3 提炼模型建构进阶方法，提升学生核心素养

大单元视角下的模型建构进阶设计一定是基于整个高中阶段的学习内容，根据模型具有的共同或相似特征进行有效整合的过程。首先，教师必须辅助学生建立描述模型的基本概念及相关规律。建构模型的过程是学生所学物理概念、规律的应用、内化、升华的过程，也正是提炼物理观念的重要过程。其次，设计进阶框架并基于进阶框架安排课堂教学内容、设计教学方案建构阶段性物理模型，体现学生科学思维发展的不同程度。最后，教学中有意识地引导学生寻找不同模型间的关联，进而让学生对所学物理模型进行有效整合，形成结构化、系统化的模型集。

4 结语

大单元视角下的模型建构学习进阶设计由课程标准和教学实践所决定。开发大单元视角下的模型建构学习进阶方法可以帮助教师设计良好的教学路径，同时对学生学习进行有效评价，及时发现学生存在的问题和障碍，从而调整教学策略。一线教师必须努力学习，提升个人的专业素养，站在学生核心素养发展的视角建构物理模型的教学方法。