大概念视角下高中物理单元教学设计与实施

罗钥莲

摘 要：大概念视角下的单元教学是推动普通高中新课程实施落地，落实核心素养的重要途径。单元教学是依据课程标准和统编教材，确立单元教学目标并提炼学科大概念建构知识体系、创设情境与问题、设计学习活动与任务和基于素养进行评价的一种教学模式。本文以“功和机械能”教学为例，介绍大概念视角下的单元教学实践与思考。

关键词：大概念;单元教学;真实情境;问题设计;学习活动;单元评价

《普通高中物理课程标准》（2017年版）（以下简称《课程标准》）在教学内容上以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实[1]。现在我国基础教育改革更加强调学生在真实情境下丰富的学习经历、核心素养的培养，变关注“零散知识点设计”为关注“单元教学设计”，更加强调大概念下更具整合性的单元教学。单元教学从整体进行教学设计，重视知识间的联系，减少知识碎片化现象，建立以学科大概念为中心的结构化知识，有利于学生建立物理基本观念。核心素养的发展是以情境为载体，知识包裹在情境中，单元教学设计需要创设联系实际、与学生有关的问题情境，学生通过不断的学习探究，完成一个个具体的任务从而解决问题，促进知识技能的发展，让学生建构体系更加完整、结构更加清晰的知识结构，促进核心概念与学科观念的发展。本文以鲁科版高中物理必修第二册第1章“功和机械能”单元为例浅谈大概念视角下单元教学设计流程，先基于《课程标准》和统编教材，整体审视教学内容，确定单元教学目标并提炼单元大概念，厘清单元知识脉络，建立单元知识结构图，再创设单元教学大情境，提出单元大问题和基本问题，进而设计单元学习活动，最后建立概念规律并解决问题，整个活动过程贯穿教学评价。即以情境引问题、以问题导活动、以活动学新知、以知识析问题、以应用提素养。

一、大概念的内涵和意义

大概念，是学科知识背后隐藏的更本质、更核心的概念或思想，它反映学科基本知识结构和思维结构，能对零散概念进行统一，是学习本学科的基本出发点和最后归宿。大概念是在大量事实基础上抽象出来的深层次、结构化、可迁移的概念，它能夠横向联结学科间知识，纵向统领学科内核心知识，具有高度的概括性、广泛的适用性和强有力的解释力，有助于使新的、陌生的概念看起来更熟悉，在学科中发挥着概念“文件夹”作用[2]。

以“功和机械能”单元为例，本单元承载能量这一大概念。能量大概念是从大量有关能量的自然现象中高度抽象出来，在物理学科中居于重要位置。它包含做功、能量种类及概念、能量转化与守恒多个模块的物理概念和规律，强调知识系统性和关联性，要求学生从能量角度分析自然现象、处理真实问题的能力。

二、构建单元知识结构图，整合知识逻辑链

大概念引领下的知识结构有严格的逻辑框架，它能串联相关内容，使之成为一个整体，学生更容易内化整合所学知识。因此在单元教学的设计过程中，教师要依托学科大概念，依据《课程标准》要求进行单元教学内容分析，对体系内的知识进行分级整合，帮助学生建立知识逻辑框架，最终完成单元知识的建构过程，逐步建立围绕核心概念的知识体系。

（一）课标要求

“功和机械能”单元在《课程标准》中属于“机械能及其守恒定律”这一主题。依据《课程标准》确定本单元教学目标是：1.物理观念层面，能理解功、功率、动能、重力势能，以及动能定理和机械能守恒定律的内涵，定性了解弹性势能;体会守恒观念;具有初步的能量观念。2.科学思维层面，能在问题情境中建构物理模型，运用能量观点解决问题;能从不同视角解决动力学问题。3.科学探究层面，能完成验证机械能守恒定律等实验，设计方案，获取数据，得出结论。4.科学态度与责任层面，能认识科学规律的建立需要用实验证据的检验，能认识到功、能关系对日常生活的影响。

（二）教学内容分析

本单元讲述功和能概念，以及动能定理和机械能守恒定律。这一单元是牛顿力学的进一步拓展和延伸，在牛顿运动定律基础上，引入功和能概念，建立功、能关系，为解决力学问题开辟新路径，也使学生对自然界的认识更加深入。通过学习高中物理第一册运动学和动力学知识，理解力是改变物体运动状态的原因;本单元通过研究力在空间上的积累，即做功，体会功是能量转化的量度，使学生对运动观念和相互作用观念逐步深入，从而建立能量观念的过程。在能量大概念中，笔者以运动学和力学为基础，分析力在空间上的积累，建立功的概念，在能量种类与概念、能量转化与守恒的学习中，依据功是能量转化的量度定量建立动能、势能概念，动能定理和机械能守恒定律，聚焦并整合功、能关系，让学生逐步理解能量大概念，形成能量观念。

三、创设单元教学情境，以情境引问题

单元教学设计不是单纯知识点的传授与技能训练的安排，而是基于《课程标准》要求创设真实的、富有挑战性的教学情境，再从情境中提出问题，接着再问题解决建构新知识并培育学生的核心素养。创设单元教学情境，就是要关联教学内容与真实问题，让学生深入情境中，激发学生参与学习的动力。设计单元问题就是要围绕大概念，将问题融入生活情境，引导学生对这些真实问题进行思考和探究，将学生的学习引向深入，做到学以致用;学生的学要在解决问题过程中建构知识、发展素养，达到用以致学的目的[3]。在“功和机械能”单元教学设计中，以自制的动力小车大情境为链接，以怎样改进装置提高小车速度问题为指引，再围绕大问题将它分解为若干个子问题而展开。具体内容如下：单元大情境——学生自制动力小车，有皮筋动力小车，有重力驱动小车……学生充分利用废旧的生活材料，如矿泉水瓶盖、雪糕棒、橡皮筋、玩具轮子等自制而成（注意：不能使用电机等电能作为动力）。单元大问题——怎样改进装置让动力小车获得更大的速度，行驶得更快更远？再设置五个情境问题与五个和教学内容相对应的基本问题。问题1：小车为什么能运动起来？请从动力学角度定性分析它获得的速度与哪些因素有关。力的瞬时效应产生了加速度，那么力在空间上的积累产生了什么效果？——这对应第1节“机械功”的学习。问题2：观察实验比较两车运动快慢，思考两车运动快慢与动力做功快慢有什么关系？如何比较做功的快慢？——这对应第2节“功率”的学习。问题3：动力小车运动过程，有力对它做功。那么怎样改变动力做功来提高动力小车的速度？动力小车获得的速度与拉力做功有什么关系？——这对应第3节“动能定理”的学习。问题4：皮筋动力小车、重力驱动小车获得的动能分别是什么能转化而来的？重力驱动小车中还涉及什么能？皮筋动力小车中还涉及什么能？——这对应第4节“势能及其改变”的学习。问题5：请从能量转化角度分析怎么提高动力小车获得的动能。动力小车的动能和其他能量转化过程有什么关系？——这对应第5节“机械能守恒定律”的学习。

四、设计单元学习活动与任务，以活动学新知

真实情境创设后，教师还要基于《课程标准》要求，将基本问题和教学内容转化为学习活动与任务，在活动与任务的驱动下学生进行自主探究。通过活动与体验让学生动起来，全身心投入学习过程，突出学生主体地位，引发深度思考。在“功和机械能”单元教学设计中，笔者将设计如下单元学习活动与任务，引导学生逐层深入探究问题，完成知识的系统掌握。

活动1——探究：人斜拉行李箱前行，拉力方向与物体运动方向不共线，如何计算拉力做功？

活动2——探讨：如何理解正功、负功？将“功”类比“功劳”。

活动1和活动2对应第1节“机械功”，安排2个课时。人拉行李箱是生活中常见的一个情境，引导学生建立物理模型，运用矢量分解思想，分解力或位移，再利用等效思想，推导得出机械功的一般计算式，发展学生科学思维能力。继续用该情境，大人前面拉箱子，小孩后面拖住箱子，帮助学生理解正功、负功的含义。

活动3——探究：建筑工地上有三台起重机A、B、C将重物吊起，它们的工作情况记录是：被吊物体重量分别为2.0×103N、4.0×103N、1.6×103N，匀速上升速度分别为4m/s、3m/s、2m/s，上升的高度分别为16m、6m、20m，所用时间分别为4s、2s、10s，请分析下面的问题：

（1）三台起重机哪台做功最多？

（2）哪台做功最快？怎样比较做功的快慢？

活动4——分析实例：上一节人斜拉行李箱前进情境中，若箱子经过t时间通过的位移为s，求这段时间拉力F做功的功率。

活动5——探讨：汽车上坡，为什么要换低速挡？

活动3、活动4和活动5对应第2节“功率”，安排2个课时。用表格呈现工地上三台起重机吊起重物的数据，引导学生运用比值定义法建立功率概念，再学以致用，用分析人斜拉行李箱问题，推理分析得出功率与力、速度之间的关系，加深学生对功率的理解，实现学习进阶。汽车上坡换低速挡是生活中常见的情境，学生通过讨论这个问题，很好地进入机车启动问题的学习。

活动6——体验：展示图片，感受动能大小与哪些因素有关第一组图片：飞针、子弹分别击穿玻璃;第二组图片：铅球、粉笔分别朝我们飞来。

活动7——探究：分析下面四个情境，推导功与速度之间的关系。

（1）质量为m的物体初速度为v1，在与运动方向相同的恒定外力F作用下，沿光滑水平面运动了一段位移s，速度变为v2[4]，推导外力做功与v1、v2的关系式。

（2）一个初速度为v1，质量为m的物体，在水平粗糙面上受到摩擦力f的作用下，发生一段位移s，速度减小到v2。

（3）一个初速度为v1、质量为m的物体，沿光滑斜面运动一段位移L，速度变为v2。

（4）一个初速度为v1、质量为m的物体，在与运动方向相同的恒定外力F作用下，沿粗糙水平面运动了一段位移s，速度变为v2，其过程中受到的摩擦力为f。

活动6和活动7对应第3节“动能和动能定理”，安排3个课时。先展示两组有很强视觉冲击力的图片，增强学生的感性认识，认识动能大小影响因素。再对四个情境进行分析推导，分别得到力做功和某种能变化的关系式，进而引导学生建构动能的表达式，发展学生科学思维能力，建立动能概念和动能定理。

活动8——探究：分别计算以下三种情况小球从A点运动到B点过程重力所做的功。

活动9——探究：展示撑竿跳高、射箭等图片。

活动8和活动9对应第4节“势能及其改变”，安排2个课时。活动8中选取竖直、斜向、曲线三个典型的运动情形，分析重力做功，不仅得出重力做功的特点，还建立重力势能表达式和重力做功与重力势能变化的关系。活动9用学生感兴趣的撑竿跳高的图片等带领学生建立弹性势能概念以及弹力做功与弹性势能变化的关系。

活动10——体验：学生体验重锤碰鼻实验，并展示机械能转化的生活实例图片。

活动11——探究：分析下面三个情境中两位置机械能的关系。

情境1：一质量为m的小球自由下落、水平抛出或竖直上抛，经过高度为h1的A点时速度为v1，经过高度为h2的B点时速度为v2，试写出小球在A、B两点的机械能EA和EB，并找出EA和EB之间的数量关系。

情境2：质量为m的小球，沿光滑的斜面从A点滑到B点，A、B点机械能还守恒吗？如果斜面粗糙呢？

情境3：证明小球在压缩弹簧的过程中机械能守恒，小球与杆之间的摩擦忽略不计。

活动12——分析实例：分析皮筋动力小车和重力驱动小车的机械能是否守恒，在什么条件下守恒。

活动13——分析探讨：将重力驱动小车情境简化，一根轻绳跨过一个光滑的定滑轮，绳两端连接质量分别为mA、mB的两物体，不计空气阻力，A加速竖直下降，B加速竖直上升h的过程中，A的机械能守恒吗？B的机械能守恒吗？A、B系统的机械能守恒吗？

活动14——拓展探究：得出机械能守恒定律的转化表达式和转移表达式。

（1）活动13情境中，A的机械能怎么变化？B的机械能怎么变化？满足什么关系，试着列出关系式。（2）系统的动能怎么变化？系统的重力势能又怎么变化？满足什么关系，试着列出关系式。

活动15——挑战试试：某班级教室里总人数保持不变，现在人员变动如下：教室外有A个男生进入教室到一组后该组人员不动，其他组男生出去B个;女生出去C个后再进入D个。试试你能又快又准列出几个关系式，并说明式子含义。

活动10到15对应第5节“机械能守恒定律”，安排3个课时。活动10中重锤碰鼻实验惊险刺激，学生亲身体验，感受到守恒量，建立机械能概念。活动11中情境1只受重力，情境2除受重力还有支持力，如果斜面粗糙还有摩擦力作用，情境2只有彈簧弹力做功，对三个情境进行分析得出机械能守恒的条件和机械能守恒定律的内容。活动13和14帮助学生建立机械能守恒定律守恒、转化、转移三种视角下的表达式。活动15通过生活数学题类比，帮助学生深度理解三种表达式内涵。

活动16——拓展提升：活动13情境中，A的机械能不守恒，分析A的机械能的变化量与绳拉力对A做功的关系。

活动17——整合深化：梳理整合本单元所学习的功、能关系。

活动18——分组实验：验证机械能守恒定律。

活动19——动手操作：充分运用本单元所学知识改进自制动力小车，使它获得更大的速度，并做一份详细的说明报告。

活动16可引导学生建立机械能变化量与除重力外其他力做功的关系。活动17是本单元进阶式学习的最高点，建立功、能关系，建构核心概念，形成能量观念。活动19是一个实践性活动，解决开始的单元大问题，充分运用本单元所学知识改进自制动力小车，使它获得更大的速度，并做一份详细的说明报告。整个单元学习活动有序有层次地推进，逐层深入学习知识，解决单元大问题，实现能力提升，发展素养。

五、基于学科大概念和核心素养，开展单元持续性评价

在教学活动过程中，教师还要重视开展单元教学评价。单元教学评价，除了评价学生要掌握的知识外，还要评价学生对大概念的理解，以及在真实情境中学生解决问题的能力和核心素养发展情况。单元持续性评价方式，一般包含过程性评价和总结性评价。过程性评价可以反馈教师教的效果与学生学的成效，从而帮助教师调控教学节奏，帮助学生有效调整学习方向。总结性评价任务主要有测验、绘制思维导图和表现性任务三种类型。结构优良的习题可以有效地检测出学生的学习情况，检验试题的素材应贴近生活，用真实情境来命题，注重考查学生对实际问题进行物理抽象，用物理语言表达问题，用物理方法建立模型解决问题的能力，以区别不同素养水平的学生。

一单元结束时，引导学生绘制思维导图梳理单元知识，有助于学生建立知识体系。教师制订思维导图评价量化表，从书写、内容、制作效果三方面进行评价，每个方面分四个维度：优秀、良好、合格、待提高。书写方面：字迹很工整;书写很认真为优秀;字迹较工整、书写较认真为良好;字迹一般、书写一般为合格;字迹潦草，书写不认真为待提高。内容方面：能正确表达有关主题的多个概念及其关系，无知识性错误且全面呈现主题的有关内容为优秀;正确表达有关主题的多个概念及其关系，无知识性错误，基本呈现主题的有关内容为良好;较准确表达有关主题的多个概念及其关系，只呈现大部分主题的有关内容为合格;有个别地方出现知识性错误，只呈现部分内容为待提高。制作效果方面：结构清晰明了，中心主题下各级副主题数量合理、布局讲究层次且合理运用符号、图示为优秀;结构比较清晰，各级副主题数量比较合理、讲究层次的布局为良好;结构比较清晰明了，各级副主题数量比较合理为合格;结构有些混乱不清，布局不太合理为待提高。

表现性任务将学习与真实生活紧密联系起来，更注重学生的知识应用能力。在“功和机械能”单元结束时，布置学生实践活动“改进自制动力小车”，并写一份详细的说明报告。在任务开展过程中检验学生这一单元学习情况、核心素养发展情况。教师设计相关的活动评价量化表，从研究问题、收集信息、活动过程、活动效果四方面进行，每个评价方面也是分四个维度。研究问题方面：研究的每个问题都很清晰具体、切实可行，活动目的明确为优秀;研究的某个问题清晰具体、切实可行为良好;研究的问题比较清晰具体、基本可行的为合格;研究的问题模糊不清为待提高。收集信息方面：经常收集有关资料，并及时整理、归类、存放为优秀;偶尔收集有关资料，并及时整理、归类、存放为良好;偶尔收集有关资料，但未及时整理、归类、存放为合格;几乎没有收集相关资料为待提高。活动过程方面：活动步骤合理，活动展开有序且能详细记录实验过程的数据、分析处理数据，得出结论为优秀;活动步骤比较合理，准备较为充分，能比较详细记录实验过程的数据、分析处理数据，得出结论为良好;活动步骤比较合理，活动展开基本有序，能记录实验数据、大致分析数据得出结论为合格;基本不清楚活动步骤，活动展开无序，无法分析实验数据为待提高。活动效果方面：学生在教师的指导下自主思考、积极参与，设计操作和解决问题，研究清楚要研究的问题，如果活动过程还发现了新的问题并获得了一定的结论，解决了新的问题为优秀;学生在教师的指导下基本能自主思考、设计操作和解决问题，研究清楚要研究的问题为良好;学生在教师的指导下比较积极参与活动，基本能设计实验、得出结论为合格;学生活动中积极性不高、不够主动进行实验探究，不能得出结论为待提高。

结束语

基于“大概念”的物理单元教学设计不仅能够增强知识的结构化与内在联系，还有助于形成物理基本观念，建立知识结构图发展学科大概念，落实物理核心素养。它反映知识背后深层次的含义，体现知识间内在联系。所以，以单元教学设计来统领每一课时的教学，有助于学科核心素养在课堂上落地生根。

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，2018：4-5.

[2]孙春成.基于大概念的高中物理单元复习策略：以“万有引力和宇宙航行”单元为例[J].中学物理（高中版），2021，39（17）：22-24.

[3]戴小民.大概念统摄下的高中物理单元教学设计与实践：以“牛顿运动定律”教学为例[J].物理教学，2021，43（12）：10-13，66.

[4]边秀文.“动能定理”探究式教学设计[J].中学物理教学参考，2003（3）：9-10.

本文系福建省三明市三元區教师进修学校2021年度立项课题“基于大概念落实核心素养视角下的高中物理单元教学研究”（课题号：JYKT-21027）的阶段性研究成果。