例谈高中物理单元学历案的设计

摘要：单元学历案，以学生视角进行设计，让学生从整体上把握单元的知识体系，实现知识的持续建构，促进经验的积累，建立学习内容与真实情境之间的关联，打通知识学习与应用的“最后一公里”。单元学历案的设计主要包含两大板块：单元概览设计和分课时学历案设计。其中，单元概览设计包含“你敢挑战吗？”“你将学哪些知识？”“你将学会什么？”“给你支招”四个部分，分课时学历案设计包含“给你支招”“课时目标”“学习过程”“作业与检测”“学后反思”四个部分。

关键词：高中物理；单元学历案；《机械能守恒定律》；《动能和动能定理》

学历案是关于学习经历或过程的方案。它是教师以课程标准为依据，确立学习目标，围绕某一主题或学习单元，设计学科实践活动，帮助学生自主建构或社会建构经验、知识的方案。在华东师范大学崔允漷教授研究成果的基础上，我们开展了高中物理单元学历案的实践探索。下面，以人教版高中物理必修第二册《机械能守恒定律》单元为例，逐步呈现和分析单元学历案各部分的设计及心得。

单元学历案的设计主要包含两大板块：单元概览设计和分课时学历案设计。其中，单元概览设计包含“你敢挑战吗？”“你将学哪些知识？”“你将学会什么？”“给你支招”四个部分，分课时学历案设计包含“给你支招”“课时目标”“学习过程”“作业与检测”“学后反思”四个部分。

一、 单元概览设计

（一） “你敢挑战吗？”的设计

这一部分主要是确定单元组织者，以期激发学生学习兴趣、引领单元学习。单元组织者指的是负责规划、组织和管理单元教学活动的角色。单元组织者可以是大任务、大问题或大观念。大任务，通常以一个需要完成的真实情境任务来组织任务链学习，侧重产品、成果或习惯养成；大问题，通常以学科或真实情境中的一个核心问题来组织问题串学习，侧重问题解决或观念形成；大观念，通常以一个需要确立的核心观念来组织观念层学习，侧重意识形态或学科观念。

《机械能守恒定律》单元的单元组织者是一个大任务：

游乐园里的过山车提供了惊险和刺激的体验——超重、失重、快速上升下降和头朝下过最高点，深受游客喜爱。某游乐场需要设计如图1所示的一架过山车轨道。过山车在AB段是靠液压装置来驱动的，速度可以达到20m/s；从B点上大圆环，完成一个完整的圆周运动后，从C点出圆环，在CD段是靠摩擦力来减速至静止的。若请你来做过山车轨道的设计师，为了保证游客的安全，该怎样设计大圆轨道的半径，和CD段的长度？

在学习本单元时，学生已学过直线运动和曲线运动的基本动力学知识（如牛顿运动定律、平抛运动、圆周运动等），所以对于设计的问题和物理量都比较清楚。但仅仅知道这些知识，缺乏能量观念是无法解决“过山车轨道圆半径设计”这个大任务的。所以，这个大任务能够激发学生去学习本单元内容，并且要学完本单元绝大多数知识后才能解决，起到引领整个单元学习的作用。

（二） “你将学哪些知识？”的设计

这一部分主要是让学生比较直观地了解本单元的主要内容、各内容之间的逻辑关系、所需要的课时数以及指向的核心素养等，一般采用内容框架图、课时表等形式来呈现。内容框架图一般随课时和内容的变化而采用不同的形式。比如引导型概念图，在单元学习内容中找出一些概念、术语，用这些概念、术语构图。又如纵向层次概念图，将概念按抽象程度、重要程度，分成中心概念、一级概念、二级概念……中心概念放最上端，一级概念放在下一层次，以此类推，最具体的概念放最底层。再如，圆形网状概念图，将概念按抽象程度、重要程度，分成中心概念、一级概念、二级概念……中心概念放在最中心，作为圆心，一级概念放在紧靠圆心的圆圈内，依次往外拓展，最具体的概念放在最外层、最大的圆圈内。课时表一般采用表格的形式呈现，主要了解课时内容对应的课时数、核心素养等。

《机械能守恒定律》单元的内容框架图采用的是纵向层次概念图（如图2所示）：功和能是第一层次，能又包含重力势能、弹性势能、动能等，是第二层次；动能定理和机械能守恒定律是功能关系，是第三层次。

本单元的课时安排如下页表1所示。

（三） “你将学会什么？”的设计

这一部分的主要内容是单元学习目标，出发点是对“希望学生学会什么”的思考。单元学习目标的确定一般以《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）为主要依据，结合教材等，采用“要素分析—组合确定”的方法，分解课程标准，逐步确定核心概念，并通过“三问法”续写得到单元学习目标。这样得到的单元学习目标，明确了教学内容，能够指导教学活动设计，并为教学评价提供依据。它既是教学的起点，又是教学的归宿；既是教学过程的方向，又是教学有效的依据。

课标中关于本单元“动能和动能定理”的描述为：“理解动能和动能定理。能用动能定理解释生产生活中的现象。”［1］按照要素进行拆解：“动能和动能定理”是核心概念；“理解”“解释”是行为动词，是成果性目标；“用动能定理”是行为条件。这样的表述较抽象，无法体现学生的学习过程和方法。采用“三问法”将之续写为：经历动能和动能定理的理论和实验探究过程，学会用动能定理解释、解决生产生活中的现象和实际问题，体会演绎推理等科学思维方法，形成初步的能量观念。“经历动能和动能定理的理论和实验探究过程”是“过程”，“学会用动能定理解释和解决生产生活中的现象和实际问题”是“结果”，“体会演绎推理等科学思维方法，形成初步的能量观念”是“表现”（即能力和素养）。

由此，《机械能守恒定律》单元的学习目标确定如下：

（1） 经历功和功率的公式的探究过程，学会从功和功率的视角解决真实问题，体会功和功率的内涵；

（2） 经历重力做功、弹力做功的理论探究过程，学会用重力做功与重力势能的关系解决问题，定性了解弹性势能，体会功能关系分析和解决问题的方法；

（3） 经历动能和动能定理的理论和实验探究过程，学会用动能定理解释生产生活中的现象和解决实际问题，体会演绎推理等科学思维方法，形成初步的能量观念；

（4） 通过实验，验证机械能守恒定律，学会从守恒的视角分析和解决问题，体会守恒观念对认识物理规律的重要性。

（四） “给你支招”的设计

这一部分主要为学生自主学习本单元内容提供简要的方法指导，主要涉及三个方面：一是为何学？即分析本单元内容的地位和重要性；二是如何学？即为学生自主学习本单元提供方法和思路；三是提供部分学生能够获取的课程资源的途径和方法。

《机械能守恒定律》单元“给你支招”的设计如下：

（1） 本单元位于人教版高中物理必修第二册第八章。功能关系不但是必修第一、第二册中牛顿动力学的重要内容，也是整个高中物理的重要内容。本单元内容具有承上启下的作用。

（2） 本单元主要揭示几个重要的功能关系，功和功率是基础，我们可以先通过探究过程理解功和功率的内涵。在此基础上，通过探究重力做功，理解重力势能；通过探究弹力做功，理解弹性势能；通过探究合力做功，理解动能和动能定理；通过应用动能定理和机械能守恒定律解决问题，学会从守恒和能量转化的视角去解决问题。

本单元我们将按以下程序学习：功和功率→重力势能、弹性势能和动能→动能定理和机械能守恒定律→动能定理和机械能守恒定律的应用。

（3） 你可以通过“评价任务”“作业与检测”的完成情况来判断自己对学习目标的达成情况。你也可以通过查阅、访问有关部分，收集刹车距离与车速关系的数据，利用动能定理进行解释，并完成大任务。

二、 分课时学历案设计

下面以《动能和动能定理》（2课时）为例，来具体说明分课时学历案的设计。

（一） 课时目标的设计

课时学习目标由单元学习目标进一步分解得到。设计要领包括：目标可教，是指目标中的过程方法是教师结合自己教学经验想采取的教法或学法，是真实的、可用的，不是摆设；目标可评，就是要说清楚学生的行为表现。

将单元学习目标“经历动能和动能定理的理论和实验探究过程，学会用动能定理解释生产生活中的现象和解决实际问题，体会演绎推理等科学思维方法，形成初步的能量观念”，拆解成“影响动能大小的因素”“动能的表达式及含义”“验证不同情境下的动能定理”以及“用动能定理解决实际问题”等，采用的过程与方法是“生活观察”“理论推导”“实验探究”“演绎推理”等。

由此，《动能和动能定理》的课时目标确定如下：

（1） 通过生活观察，结合实验和理论推导，猜想影响物体动能大小的因素；

（2） 通过实验探究，发现并总结动能的表达式，并阐述功能关系式的具体含义；

（3） 能通过牛顿第二定律进行演绎推理，并进行实验验证，得出不同情境下动能定理的表达式；

（4） 通过应用动能定理解决实际问题，体会动能定理解决问题的优越性。

（二） 学习过程的设计

学习过程是指学生在教学情境中通过与教师、同学以及教学信息的相互作用获得知识，发展关键能力和必备品格，提升学科核心素养的过程。在明确了课时目标后，我们就要考虑如何让学生有更好的学习表现，即我们要设计评价性任务和学习活动，使学生达成课时目标。

学习过程设计应遵循四个原则：目标导向、主动建构、实践参与、及时反馈。目标导向原则：设计的每一个活动，每一个任务，都应针对相应的目标。主动建构原则：强调学生主动建构知识的过程；学习过程的设计要用任务链、问题链、活动链，体现学习过程的进阶性。实践参与原则：要求学生做中学、说中学、悟中学和教中学，让学生真正地亲身参与学习活动，让学生主动学习，主动建构知识体系。及时反馈原则：强调教、学、评的一致性。每个活动、每个任务都对应学习目标，也就都需要有形成性评价，并且要及时反馈。

《动能和动能定理》的学习过程如下：

任务1：探究动能的表达式

活动：通过抛投不同的物体（塑料弹丸、铅球、塑料弹丸在弹弓作用下弹射），体会影响物体动能大小的因素。

思考11：你认为影响物体动能大小的因素有哪些？

思考12：塑料弹丸在弹弓推力的作用下速度越来越大，是什么原因？哪个物理量可以将力学量和运动学量联系起来？

思考13：如图3所示，物体的质量为m，在恒定外力F的作用下发生一段位移l，速度由v1增加到v2，水平面光滑。请推导力F对物体做功的表达式（用v1、v2和m来表示）。

实验探究：物体的动能与质量和速度的关系。轨道上静止放置一辆小车，小车与轨道间的摩擦力已通过垫高轨道的一端平衡，用橡皮条（每根橡皮条的规格相同）在轨道上弹射小车。每次弹射橡皮条的形变相同，一根橡皮条弹射小车使小车获得一份动能，两根获得两份动能，以此类推。测出每次弹射出的小车的质量和获得的速度，研究小车动能与小车质量和速度的定量关系。将数据记录在表2中。

任务2：探究动能定理的表达式

思考21：如图4所示，物体的质量为m，在恒定外力F的作用下发生一段位移l，速度由v1增加到v2，水平面粗糙，物体受到的滑动摩擦力为f。请推导合力对物体做功的表达式（用v1、v2和m来表示）。

思考22：如图5所示，质量为m的物体与细绳相连，从P点静止释放后运动到O点，速度由0增加到v2。物体从1到N+1的过程中（如图6所示），重力所做的功是多少？除重力外，其他力做功情况怎样？

实验探究：曲线运动中，力做功的大小与动能变化之间的关系。摆球从某一高度摆到最低点，测出摆球下落的高度以及摆到最低点的速度，研究重力做功和小球动能变化的关系。将数据记录在表3中。