指向“科学思维”培养的大单元教学设计

贺福　韩田华

摘   要：发展学生的科学思维是新课程改革的重要目标之一。科学思维应在科学知识的学习过程中引导、激发和孕育出来。“运动的合成与分解”是分析、处理复杂运动的重要方法，是把一个整体的事件分解为几个要素进行研究，以及把问题的几个要素合成一个整体进行综合认识的思维过程，是拆解问题、化繁为简的思想底蕴，是“分解和综合”的科学思维。在高三二轮复习课中，关于该科学思维的典型模型不应相互独立，而应以大单元教学理念为基础将其串联起来，以整体性、综合性、连贯性思考，对几个模型进行有逻辑性、结构化的整合，层层递进，相互补充，在与学生共同探究的过程中加深对“分解与综合”科学思维的理解和掌握。

关键词：科学思维；大单元教学；分解和综合；运动的合成与分解

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）6-0010-5

新课改提出落实立德树人根本任务的重要举措是发展学生的核心素养。物理学科核心素养是中学物理学科教育价值的凝练，主要由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任构成，引领着基础教育阶段物理课程的发展方向。

“科学思维”是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实构建物理模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用。“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素［１］。

大单元教学是以发展学生学科核心素养为追求，运用综合性和一体化思维对单元内容有逻辑地进行整合，设计任务情境，让学生在习得知识和技能的同时发展概念性理解，并借助概念的迁移和深度思考培养解决实际问题能力的一种课程组织和实施方式［２］。

１    确定教学目标

“运动的合成与分解”是把一个整体的事件分解为几个要素进行研究（总—分），以及把问题的几个要素合成一个整体进行综合认识（分—总）的思维过程，是“分解和综合”的科学思维，是拆解问题、化繁为简的思想底蕴。高三二轮复习是在第一轮复习的基础上，对高考知识点进行巩固和强化，侧重于“巩固基础、完善体系、综合应用、提高能力、形成思想”，是学生能力和学习成绩大幅度提高的黄金阶段，特别需要重视知识的网络化、系统化的建构，这与大单元教学的理念相互契合。

目标一：能自主归纳、整理高中阶段关于“运动的合成与分解”的知识点和题型，并将其形成有逻辑性、系统化、网络化的有机整体。

目标二：能在不同的情境中灵活地选择运动的合成或运动的分解；能根据不同的情境灵活地选择分解的方向；能根据不同的情境灵活地选择分解的运动形式。

目标三：凝练和发展“分解与综合”的科学思维，并能将其运用于解决实际问题。

在二轮复习中，小船渡河、关联速度、（类）平抛运动和（类）斜抛运动等典型模型，不应是相互独立的知识点，而应以大单元教学理念为基础将其串联起来，以整体性、系统性、连贯性的思考，对几个模型有逻辑、结构化地进行整合，层层递进，相互补充，在与学生共同探究的过程中，巩固和加深对运动的合成与分解的理解，凝练“分解与综合”的科学思维。

２    整合、设计教学内容

高中物理涉及运动的合成与分解的主要模型和知识有小船渡河（最短时间、最小位移）、关联速度（绳关联、杆关联、接触关联）、平抛运动（光滑斜面、恒定电场类平抛、斜面上平抛的最远距离问题）、斜抛运动（光滑斜面、电场中类斜抛）、其他模型（可分成匀速直线运动和匀速圆周运动的模型），具体归纳整理如图１所示。

３    具体实施步骤

３．１    课时安排

课时安排如表1所示。

３．２    第１课时教学实施部分环节

教师：为什么一个运动可以看成两个分运动，合运动和分运动有什么关系？

意义：引导学生深入体会等效替代的思想，体会“分解与综合”的本质是等效替代，等效替代法是科学研究中重要的思维方法，等效替代法的核心思想是将复杂的物理问题等效为简单的模型。通过将物体、系统或过程简化为等效模型，可以避免对细节的过多关注，从而更加专注于问题的本质。等效替代法可以应用于各种物理问题和研究领域，具有普遍的适用性。

教师：让学生自主整理、归纳高中物理中涉及运动的合成与分解的典型模型和知识，有利于学生对知识之间的联系作整体研究，按照逻辑结构将其整合起来，也就是以“运动的合成与分解”的线，将“小船渡河、关联速度、平抛运动、斜抛运动和其他模型等”以“以线串珠”的方式连接起来，形成整体，构建系统，为后面凝练“分解与综合”的科学思维打下基础。

意义：整理知识的过程，可以让学生加深印象，提升对知识把握的信心；同时，从局部来看，可以通过仔细分析知识点之间的联系和区别找到各个知识点的特点，提升知识运用的速度和准确度；从整体来看，可以找出每一个知识点在整体中的作用，比如小船渡河模型主要让学生体会运动合成的魅力，关联速度主要考查运动的分解能力，平抛运动、斜抛运动主要培养学生能够在不同的情境中，根据已知条件和问题选择合适的分解方向，从而简化问题。在这个过程中，反复体会“分解到综合，综合到分解”的过程，最后将“分解—综合”上升为一种科学的研究问题的思维方法。

3.2.1    小船渡河——运动的合成

例１ 如图２所示，某次解救溺水人员的行动中，消防员驾驶小船救人，假设江岸是平直的，江水的流速ｖ＝３ ｍ/ｓ，小船在静水中的航速ｖ＝５ ｍ/ｓ，消防员救人的地点Ａ离岸边最近点Ｏ的距离为１００ ｍ。

（１）若小船想通过最短的时间将人送上岸，求最短时间和上岸点与Ｏ点的距离；

（２）若消防员想通过最短的航程将人送上岸，求小船的船头朝向和上岸时间；

（３）如果ｖ＝５ ｍ/ｓ、ｖ＝３ ｍ/ｓ，那么第（２）问中的答案又是怎么样？

意义：小船渡河是运动的合成与分解的典型模型，小船的实际运动由船在静水中自身的运动和船被水流推动的运动合成得到，因此主要使用运动的合成来处理。

3.2.2    关联速度——运动的分解

两物体通过绳子、杆或者直接接触联系在一起，两个物体的运动是有联系的；以绳子为例，绳子的长度不变，一端沿绳伸长多少，另一端就会沿绳子缩短多少，也就是两端沿绳子方向分运动一样，分速度相同；因此，可以将两端物体的实际运动进行分解，一个为沿绳子方向的运动，一个为垂直于绳子方向的运动。杆同绳子一样，长度不能变化，因此也是两端沿杆方向分运动相同。最后，关于直接接触的两个物体，因为在运动过程中总在一起，没有分离，也就是在接触面垂直方向的运动是一致的，所以可以将两个物体的实际运动沿接触面垂直方向和平行方向进行分解。对这三种模型的分析和理解，可以让学生体会到朝不同方向分解的作用和意义，加深对运动合成与分解的理解。

（1）绳关联

例２ 如图３所示，Ａ、Ｂ两球分别套在两光滑无限长的水平直杆上，两球通过一轻绳绕过一定滑轮（轴心固定不动）相连，某时刻连接两球的轻绳与水平方向的夹角分别为α、β，Ａ球向左的速度为ｖ。下列说法正确的是（）

Ｃ．当β增大到等于９０°时，Ｂ球的速度达到最大

Ｄ．在β增大到９０°的过程中，绳对Ｂ球的拉力一直做正功

（2）杆关联

例３  如图４所示，斯特林发动机的机械装置可以将圆周运动转化为直线上的往复运动。连杆ＡＢ、ＯＢ可绕图中Ａ、Ｂ、Ｏ三处的转轴转动，连杆ＯＢ长为Ｒ，连杆ＡＢ长为Ｌ（L>R），当ＯＢ杆以角速度ω逆时针匀速转动时，滑块在水平横杆上左右滑动，连杆ＡＢ与水平方向夹角为α，ＡＢ杆与ＯＢ杆的夹角为β。在滑块向左滑动过程中（）

Ａ．滑块从右向左先做加速度减小的加速运动，后做加速度减小的减速运动

Ｂ．当ＯＢ杆与ＯＡ垂直时，滑块的速度大小为ωR

Ｃ．当ＯＢ杆与ＯＡ垂直时，滑块的速度大小为

Ｄ．当β=90°时，滑块的速度大小为

（3）接触关联

例４ 如图５所示，长为Ｌ的轻杆ＯＡ的Ｏ端用铰链固定，轻杆靠在半径为Ｒ的半圆柱体上，接触点为Ｂ，某时刻杆与水平方向的夹角为θ，半圆柱体向右运动的速度为ｖ，此时Ａ点的速度大小为（）

意义：通过三种模型的不同特点，理解沿特定方向分解的本质原因，也就是解决了“为什么要这样分解”的问题；知其然亦知其所以然，才能做到举一反三，以不变应万变，从而能处理新的问题。

３．３    第２课时教学实施部分环节

3.3.1    平抛运动

例１  近年来，国家大力开展冰雪运动进校园活动，目前已有多所冰雪特色学校，蹬冰、踏雪深受学生喜爱。如图６所示，现有两名滑雪运动员（均视为质点）从跳台ａ处先后沿水平方向向左飞出，其速度大小之比为ｖ１∶ｖ２＝２∶１，不计空气阻力，则两名运动员从飞出至落到斜坡（可视为斜面）上的过程中，求：

（１）他们飞行的时间之比；

（２）他们飞行的水平位移之比；

（３）他们在空中离坡面的最大距离之比。

意义：该题目中要引导学生根据不同的问题情境，恰当地选择分解的方向，简化问题；第（１）（２）问中“飞行时间”和“水平位移”分别指竖直方向和水平方向，此时应将平抛运动分解为水平和竖直两个方向的运动。第（３）问中“离坡面的最大距离”指垂直斜面的距离和方向，因此要调整为沿斜面和垂直斜面两个方向。

3.3.2    光滑斜面上类平抛

例２  如图７所示的光滑斜面ＡＢＣＤ是边长为ｌ的正方形，倾角为３０°，一物块（视为质点）沿斜面左上方顶点Ａ以平行于ＡＢ边的初速度v0水平射入，到达底边ＣＤ中点Ｅ，则（）

意义：类平抛和下面的类斜抛都是可以用“等效替代”的思想作简化处理，在这里可以再一次加强和延展。

3.3.3    电场中类平抛

例３  如图８所示，匀强电场中有一个与电场平行的长方形区域ＡＢＣＤ，已知ＡＣ＝２ＡＢ＝４ ｃｍ，Ａ、Ｂ、Ｃ三点的电势分别为１２ Ｖ、８ Ｖ、４ Ｖ。某带电粒子从Ａ点以初速度ｖ０＝２ ｍ/ｓ，与ＡＤ成３０°夹角射入电场，粒子在ＡＢＣＤ所在平面运动，恰好经过Ｃ点，不计粒子的重力，求：

（１）电场强度大小为多少？

（２）粒子经过Ｃ点的速度为多大？

3.3.4    斜抛运动

例４  Ｕ型池单板滑雪比赛极具观赏性，是最受欢迎的比赛项目之一，其滑道由两个四分之一圆柱面轨道和一个处于水平平面的平直轨道平滑连接而成，简图如图９甲所示，其中圆柱面半径相同，轨道倾角为１７．２°。比赛中，选手从轨道边缘上的Ｍ点以ｖＭ＝１０ ｍ/ｓ的速度沿轨道的竖直切面ＡＢＣＤ滑出轨道，ｖＭ方向与轨道边线ＡＤ的夹角为α＝７２．８°，跃起后沿Ｎ点进入轨道。图９乙为跃起过程的左视图。视选手为质点，且不计空气阻力，取重力加速度为ｇ＝１０ ｍ/ｓ２，ｓｉｎ７２．８°＝０．９６，ｃｏｓ７２．８°＝０．３０。求：

（１）选手跃起过程中离开ＡＤ的最大距离ｄ；

４    结   论

（1）教学评价是教学的重要环节，教学评价要以核心素养为基本理念，要以教学目标的实现为基本落脚点；教学评价应体现从对“教”的评价转向对“学”的关注，从注重考查知识记忆和理解转向注重对思维、探究和问题解决能力的评价，即教学评价标准应立足学生核心素养的具体表现。基于大单元理念设计运动与合成的二轮复习课，本节课的重要目标是培养学生“分解与综合”的科学思维素养。因此，从评价方式来看，既要重视知识的掌握，也要重视素养的形成；既要有总结性评价，也要重视形成性评价。

（2）形成性评价是指教学过程中对学生学习情况、目标完成情况进行评价，并基于学情及时进行教学调整。例如，在本教学设计的教学过程中，教师可以充分利用课堂中的提问进行评价，课前进行复习提问，联结旧知；课中进行设置情境提问，激发思考，深入探究，了解学情，及时调整教学进度和策略。过程性评价需要重视教学过程中的生成性知识，及时把握学生互动中的疑问、反思、问题、总结。

（3）总结性评价是指在教学结束后通过测试、提问、解决实际问题等形式对核心素养的达成情况进行检验，总结性评价重视知识的迁移和运用，侧重于知识的灵活性和本源性。总结性评价也可以通过提问进行，例如，课堂临近结束时的总结性提问，或者课后作业的检验，或者课后与学生交流。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（２０１７年版）［S］．北京：人民教育出版社，２０１８．

［２］王新梅．高中物理大单元课堂教学的探索与反思［Ｊ］．考试周刊，２０２３（44）：131-134.

（栏目编辑    赵保钢）

收稿日期：2024-02-10

作者简介：贺福（1988-），男，中学一级教师，研究方向为中学物理教育。

*通信作者：韩田华（1987-），女，中学一级教师，研究方向为中学物理教育。