单元教学视角下高中物理课时教学探讨

收稿日期：2023-12-04

作者简介：李娟（1982-），女，中学一级教师，主要从事中学物理课堂教学研究。

摘   要：单元教学和课时教学相互依存。以探究弹性势能表达式为例，从单元视角创设问题情境、建构新概念、迁移旧知识进行理论探究、建构势能大概念，每一个环节都是在单元教学指导下开展。从单元视角让学生经历认识能量、理解能量的转化、学会表征能量的一般思路、抽象提取大概念等过程，逐步在课时教学中落实单元任务，发展学生的物理学科核心素养。

关键词：单元教学；核心素养；弹性势能

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）4-0016-5

物理学科核心素养是学生在接受物理教育的过程中逐步形成的面对未来挑战所需要具备的正确的价值观、必备品格和关键能力，是带有物理学科特性的品质［１］。教育教学研究表明，以物理学科大概念为核心的单元教学是促进课程内容结构化，引领学生深度学习，发展核心素养的有效途径［２-３］。单元教学设计是让教师站在学科整体和学生素养的角度审视每一节课的地位和作用，突出学科知识之间的联系，减少知识的碎片化。受限于学校教学仍会以“课时”为时间单位组织教学，所以整合后的单元教学仍要转化为课时教学［３］。如何从单元视角规划课时教学内容，避免传统课时教学碎片化问题，本文以探究弹性势能表达式为例，进行一些尝试。

１    教学分析

全面的教学分析是课堂成功的关键。单元任务分析为课时教学提供规划和指导。准确的学情分析为制订和突破课时教学重难点提供支持。

１．１    机械能守恒定律单元任务分析

能量的开发和利用具有重要意义，而能量的转化或转移是实现能量开发和利用的手段。本单元揭示了上述认识的可能性和方法论。本单元通过继续研究各种形式的机械运动，从功和能的角度开辟解决力学问题的新途径，形成初步的能量观念，发展模型建构、科学推理、科学论证、方案设计、交流评价等素养，为后续学习电磁能、内能等知识打下基础。通过核心问题整合本单元的知识内容和思维如表１所示。

１．２    探究弹性势能表达式在本单元中的功能和地位

《普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）》对本内容的要求为定性了解弹性势能［１］，并不要求掌握弹性势能表达式。主要原因是能够发生弹性形变的物体众多，如弹簧、跳高用的撑竿、跳水比赛使用的跳板、蹦床等。这些物体发生弹性形变后，都具有弹性势能，但弹性势能的表达式并不完全相同，都比较复杂。也就是弹性势能表达式不像重力势能表达式、动能表达式那样具有普遍性。

本单元的大概念是能量及其转变。核心概念是机械能、功能关系。重要概念是动能定理、机械能守恒定律。基础概念是功、功率、重力势能、弹性势能、动能。教材［４］中提到弹性势能可以和其他能量相互转化，在只有重力或弹力做功的物体系统内机械能总量保持不变。弹力做功的物体系统机械能守恒仅是通过类比得到的定性认识，从定量上并没有给出，学生感受不深，容易混淆。

基于单元整体分析重新给本节课定位：本节课是学习完重力势能后，对势能的进一步拓展。不是以得出弹性势能表达式为重点，而是重在弹性势能表达式的探索过程，在探索中再次感受功和能的紧密联系。通过对弹性势能表达式的理论探究过程，从现象到规律，从定性到定量，从提出问题到解决问题，将前面学习的知识和方法迁移到新情境中，让学生“构建知识”，形成“科学观念”，领悟“科学研究方法”，为研究其他能量表达式提供一般化的研究思路，从而实现深度学习，发展物理学科核心素养。

１．３    学情分析

学生已经掌握了恒力做功的相关计算。初步掌握了科学探究的一般方法。从知识上已经认同“功是能量转化的量度”的观念，从方法上已经知道研究重力势能是从重力做功入手，具有一定的认知迁移能力。

基于大量的生活经验，学生对发生弹性形变的物体具有能量并不陌生。通过对速度及匀变速直线运动位移的学习，学生知道了微元思想和极限思想，但将这些物理思想迁移到变力做功时，仍有难度，对学生来说具有一定的挑战性，需要教师进一步引导。

２    教学目标

以落实本单元要求的物理学科核心素养为目标，结合本节课的功能定位和学情分析设计本节课教学目标（表２）。

３    教学过程

任务分解如图１所示。

■

图１  探究弹性势能表达式任务分解图

３．１    构建弹性势能的概念

问题情境：展示6幅图片，张紧的弓、弯曲的撑竿、蹦床比赛、悬崖上的石头、飞行的Ｃ９１９、被压缩的弹簧。问题设置如表３所示。

教学探讨：

单元教学视角下课时教学环节设计：

张紧的弓、弯曲的撑竿、凹陷的蹦床、被压缩的弹簧具有弹性势能，悬崖上的石头具有重力势能，飞行的Ｃ９１９具有动能，这些能量对应本单元需要学习的几种能量，也包含不同能量间的转化。通过熟悉的日常生活现象，引导学生从运动与相互作用和能量两方面分析问题，让学生调用先前的经验：判断一个物体是否具有能量，看它是否有对外做功的本领。通过６幅图片的差异化，引出本节课的主题，培养学生抽象概括的能力。

教学活动建议：

６幅图片都和能量有关，切合本章主题。张紧的弓、弯曲的撑竿、蹦床比赛可选取我国体育健儿在赛场比赛的场景，体现我国对奥林匹克体育精神“更快、更高、更强、更团结”的追求。飞行的Ｃ９１９，体现我国科技综合实力。这些都能增加学生的民族自豪感和自信心。通过对能量的分类，引出弹性势能的概念，通过提出科学问题，引导学生树立问题意识，走向深度学习。

３．２    定量探究弹性势能表达式

问题情境：张紧的弓、弯曲的撑竿、凹陷的蹦床、被压缩的弹簧，问题设置如表４所示。

教学探讨：

单元视角下课时教学环节设计：

能量比较抽象，不好直接研究。本单元处理的思路是：找到对应力的功，利用“功”量度特定的能量变化，从而确定能量的表达式。问题（２）是让学生想到可以通过研究弹力做功来研究弹性势能大小。将研究重力做功和重力势能的关系的方法迁移，进而构建弹力做功和弹性势能变化之间的关系，这一方法也是后续探究动能、引力势能、电势能等能量的基本方法，为后续学习提供思路。问题（３）通过选择研究对象，让学生知道物理学研究的方法之一是从简单到复杂。

教学活动建议：

问题（１）可以让学生讨论交流写出不同问题聚焦的关键词，从而总结出哪些是共性问题，哪些是个性问题，引导学生学会筛选并聚焦问题。问题（２）可以让学生通过回忆、思考、讨论交流明确求解能量表达式的一般思路，学生一般将对应力的功误认为是对应能量的表征，教师还需引导学生理解过程量和状态量的区别和联系，从而准确理解能量表征和对应力做功的区别。

３．３    理论探究弹簧弹力做功的表达式

问题情境１：劲度系数、粗细不同的弹簧（４根）、木块。

问题情境２：ＰＰＴ 展示情境，将轻质弹簧压缩，当弹簧的压缩量为Δｘ时松开手，弹簧将恢复原长并对外做功（图2）。已知弹簧劲度系数为ｋ。问题设置如表５所示。

■

图２  压缩的弹簧对外做功

教学探讨：

单元教学视角下课时教学环节设计：

猜想不是漫无目的的，而是基于一定的观察和实验事实。为了得到普遍性的结论，需要考虑所有可能的因素。猜想又为实验提供支持。

问题（３）（４）通过弹簧将小球弹出去，降低学生对情境理解的难度，同时产生认知冲突，让学生恒力做功的概念失稳。类比匀变速直线运动求位移的方法，利用微元将变量转化为恒量求解。当表达式求解遇到困难时，可以尝试从图像角度，让学生明确同一个规律的不同表征方式。

教学活动建议：

问题（１）（２）可以让学生通过观察和简单的实验作出猜想，为定量探究作准备。问题（３）引导让学生从表达式的角度迁移功的计算方法。问题（４）先让学生对问题（３）的表达式进行评价，在此基础上交流发现恒力和变力的区别，恒力功的表达式不能直接迁移，问题进一步转变为如何研究变力功的问题。最后，教师引导学生归纳总结体现的物理学思想方法——微元思想、极限思想。

３．４    构建势能大概念

问题情境：重力势能、弹簧弹性势能表达式。问题设置如表６所示。

表６  势能大概念问题及素养目标

■

教学探讨：

单元教学视角下课时教学环节设计：

势能既是本单元的重要概念，也是本节课的大概念，它也为后续学习其他势能打下基础。通过对不同的基础概念进行抽象概括形成上位概念，使学生的知识学习不断地由碎片化走向结构化，思维逐渐从新手型向专家型过渡。

教学活动建议：

让学生观察图片和表达式，总结二者的特征。在观察中学生认识到重力势能是由地球和地球上物体的相对位置决定的，弹性势能是由发生弹性形变的物体各部分间的相对位置决定的。进而引导学生提炼关键词，建立势能大概念。

4    小  结

单元教学与课时教学相互依存，单元教学为课时教学提供整体规划，课时教学的落实又反过来影响单元目标的达成。在教学过程中，先整体规划好单元任务及目标，能让教师站在全局的角度审视每一课时的任务和目标，使得课时教学更加清晰，也能更好地落实学生的物理学科核心素养。

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２０２０年修订）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０：１５．

［２］张玉峰．以大概念、大思路、大情境和大问题统领物理单元教学设计［Ｊ］．中学物理，２０２０，３８（５）：２－７．

［３］顿继安，何彩霞．大概念统摄下的单元教学设计［Ｊ］．基础教育课程，２０１９（１８）：６－１１．

［４］人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心．普通高中教科书物理必修第三册［Ｍ］．北京：人民教育出版社，２０２３：９１－９２．

（栏目编辑    赵保钢）