基于學(xué)科大概念高中物理單元設(shè)計與實施
——以“機械能守恒定律”單元為例

任虎虎

（江蘇省太倉高級中學(xué)，江蘇 太倉 215411）

1 學(xué)科大概念的內(nèi)涵

學(xué)科大概念是在事實基礎(chǔ)上抽象出來的深層次、網(wǎng)絡(luò)狀、有意義和可遷移的聚合概念，是一個學(xué)科領(lǐng)域中最精華、最有價值的內(nèi)容，居于學(xué)科結(jié)構(gòu)的中心，能反映學(xué)科的本質(zhì)，具有廣泛的概括性、適用性和解釋力.發(fā)揮著小概念“文件夾”和“透鏡”的作用，學(xué)科大概念通常表現(xiàn)為一個有用的原理、思想或問題等.

1.1 學(xué)科大概念是知識組織的核心

從知識層面看，學(xué)科大概念能將零散的事實、概念、經(jīng)驗和問題等有機整合在一起，并整合建立聯(lián)系，是知識組織的核心，而有機組織的知識是知識結(jié)構(gòu)化和認(rèn)知結(jié)構(gòu)形成的基礎(chǔ).學(xué)科大概念的進階過程先是基于事實抽象出一些零散小概念，然后對這些小概念進行概括總結(jié)上升為學(xué)科大概念，如圖1所示，對學(xué)科大概念的理解過程就是對一類知識的內(nèi)化過程.學(xué)科大概念是學(xué)科結(jié)構(gòu)的中心，對其的揭示也就是對學(xué)科本質(zhì)的理解，對學(xué)科大概念的內(nèi)化獲得就是深度學(xué)習(xí)的過程.

圖1 學(xué)科大概念的結(jié)構(gòu)層次

1.2 學(xué)科大概念是思維發(fā)展的載體

從思維層面看，概念是思維發(fā)展的載體，一方面概念本身的獲得過程就要經(jīng)歷分析、歸納和綜合等思維過程，另一方面概念是學(xué)生進行思維的基本單位，思維發(fā)展就是不同概念之間建立聯(lián)系和相互影響的過程.由于學(xué)科大概念是在眾多小概念相互關(guān)聯(lián)整合基礎(chǔ)上形成的，必然要應(yīng)用到抽象、評價和批判性反思等高階思維，這也是專家思維的具體體現(xiàn).所以學(xué)科大概念是高階思維發(fā)展和思維品質(zhì)提升的載體與保障.

1.3 學(xué)科大概念是靈活遷移的基礎(chǔ)

從實踐遷移層面看，促進學(xué)科大概念理解的教學(xué)首先從包容性的學(xué)科事實等情境出發(fā)；其次通過體驗、持續(xù)的探究與整合形成內(nèi)化的抽象原理（學(xué)科大概念）；最后遷移其到陌生情境解決新問題，所以學(xué)科大概念是實現(xiàn)高通路靈活遷移（遠(yuǎn)遷移）的基礎(chǔ).

2 基于學(xué)科大概念的單元教學(xué)設(shè)計

由于大概念的抽象性、網(wǎng)絡(luò)狀等特征，單元整體教學(xué)是促進學(xué)科大概念理解的基本教學(xué)樣態(tài)，克服課時主義的弊端，進行單元整體建構(gòu)，解決思維發(fā)展低階性、課時之間零散性和單元之間割裂性等現(xiàn)實問題.在平時教學(xué)實踐中，一線教師較多關(guān)注課時層面的設(shè)計與實施，較少從整體出發(fā)關(guān)注單元層面的設(shè)計與實施，即關(guān)注局部忽視整體，這樣很難深度理解學(xué)科大概念和培育學(xué)科核心素養(yǎng).

對于單元教學(xué)設(shè)計本文引薦逆向設(shè)計，單元逆向設(shè)計是“以終為始”的教學(xué)設(shè)計，即從單元最終輸出倒推輸入內(nèi)容和方式，尋求達(dá)成單元目標(biāo)的最佳學(xué)習(xí)路徑與實施方案.共分為3個階段：首先確定科學(xué)的單元學(xué)習(xí)目標(biāo)，其次設(shè)計合適的單元評估證據(jù)，最后開發(fā)有效的單元學(xué)習(xí)活動，將目標(biāo)及對目標(biāo)的評估同時先于活動而設(shè)計，真正發(fā)揮評估對學(xué)習(xí)的反饋和促進作用.下面對人教版高中物理新教材必修第2冊第8章“機械能守恒定律”進行單元逆向教學(xué)設(shè)計，如表1所示.

表1 “機械能守恒定律”單元逆向設(shè)計

續(xù)表

3 基于學(xué)科大概念的單元教學(xué)實施

基于學(xué)科大概念的單元教學(xué)實施包括大情境鏈接、大問題指引、大任務(wù)驅(qū)動、概念性理解和反思性遷移5個基本環(huán)節(jié)，在每個環(huán)節(jié)設(shè)計相應(yīng)的教師活動和學(xué)生活動，促進對學(xué)科大概念的理解，如圖2所示.

圖2 基于學(xué)科大概念的單元教學(xué)實施

3.1 大情境鏈接

大情境是在簡化、剪輯與凝練學(xué)生生活體驗的基礎(chǔ)上，設(shè)置適合學(xué)生文化背景、具有較大程度綜合性、較強程度包容性的情境，通過大情境，將學(xué)生已有的知識、經(jīng)驗、學(xué)科現(xiàn)象等與單元學(xué)習(xí)內(nèi)容有機鏈接，需要學(xué)生回顧與聯(lián)想，教師創(chuàng)設(shè)的大情境從不同角度思考會獲得不同的問題和知識.大情境在單元教學(xué)過程中可以反復(fù)出現(xiàn)，整合單元知識，促進對學(xué)科大概念的深度理解.

在機械能守恒定律教學(xué)中，鐵球碰鼻尖實驗：用一個結(jié)實的細(xì)繩一端連接一大質(zhì)量的鐵球，另一端固定在天花板上.一同學(xué)緊靠墻角站立，將鐵球拉到靠近鼻尖處放手，觀察鐵球接下來運動過程中是否能碰到鼻尖.這個情境中發(fā)現(xiàn)鐵球前幾個來回剛好能運動到鼻尖處，說明這個過程中有某個物理量是守恒的；這個情境涉及重力做功與重力勢能變化；若已知最大擺角和繩長，基于動能定理可以求最大速度；還可以和圓周運動知識鏈接，求繩子的最大張力，這就是一個大情境.

3.2 大問題指引

大問題是指向?qū)W科大概念并對大任務(wù)的進一步聚焦.大問題是超越知識本身、闡明知識本質(zhì)、能夠指引對某一特定主題內(nèi)容的理解、激發(fā)知識間聯(lián)系和遷移的綜合性問題.大問題可以分解為若干小問題，通過對一個個小問題的分析，實現(xiàn)對大問題的理解，在這個過程中需要教師的互動引導(dǎo)和學(xué)生的協(xié)作討論.

在本單元教學(xué)中，可以設(shè)置大問題：為什么說功是能量轉(zhuǎn)化的量度？對這個問題的理解建立在3個具體問題的研究基礎(chǔ)之上：（1）重力做功是重力勢能轉(zhuǎn)化的量度，重力做了多少功重力勢能就改變多少（包含符號，下同）；（2）合外力做功是動能轉(zhuǎn)化的量度，合外力做了多少功動能就改變多少；（3）除重力或彈簧彈力以外的其他力做功是機械能轉(zhuǎn)化的量度，其他力做了多少功機械能就改變多少，如果除重力或彈簧彈力以外的其他力不做功，則機械能守恒，即為機械能守恒的條件.

3.3 大任務(wù)驅(qū)動

大任務(wù)是單元教學(xué)的核心任務(wù)，其指向單元核心知識.對大任務(wù)的探究將幫助學(xué)生實現(xiàn)對學(xué)科大概念的理解，在單元教學(xué)中起著定位與導(dǎo)航的作用.在這個環(huán)節(jié)中教師提供有限的指導(dǎo)和學(xué)習(xí)支架，學(xué)生則在深度思考的基礎(chǔ)上體驗探究，團隊合作探尋完成任務(wù)的方案，大任務(wù)可以分解為幾個小任務(wù).

在本單元教學(xué)中，設(shè)置大任務(wù)：尋找鐵球碰鼻尖實驗中的守恒量.這個大任務(wù)可以分解為4個子任務(wù)，并貫穿在單元學(xué)習(xí)整個過程中.子任務(wù)1：建立物理模型進行分析；子任務(wù)2：這個過程中重力勢能和動能相互轉(zhuǎn)化，厘清重力勢能和動能的概念建立過程；子任務(wù)3：用動能定理進行理論探究，得到機械能守恒定律；子任務(wù)4：設(shè)計實驗方案進行探究.

3.4 概念性理解

概念性理解是超越概念層面的理解，是對概念進行縱橫聯(lián)系、深度理解形成持久性的認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)的過程.概念性理解是學(xué)習(xí)能夠轉(zhuǎn)移到新情境的前提條件，是通往深度學(xué)習(xí)的必由之路.在單元知識本質(zhì)理解的基礎(chǔ)上，通過對小概念進行抽象概括形成基本原理、建立物理觀念和發(fā)展高階思維.它是單元教學(xué)的核心，發(fā)揮著承上啟下的作用，大情境鏈接、大問題指引和大任務(wù)驅(qū)動就是為了促進概念性理解，而概念性理解是實現(xiàn)高通路遷移（遠(yuǎn)遷移）的基礎(chǔ)和保障，在這個環(huán)節(jié)中需要教師的點撥升華和學(xué)生的收斂內(nèi)化.

在本單元教學(xué)中，首先通過對動能定理、機械能守恒定律和功能關(guān)系的理解，幫助學(xué)生建立能量的轉(zhuǎn)化與守恒觀；其次通過對從能量角度與動力學(xué)角度解決問題的思路、過程和結(jié)果進行比較與評價，領(lǐng)悟從能量的角度分析和解決機械運動問題的方法.

3.5 反思性遷移

在單元教學(xué)的過程中或結(jié)束后，引導(dǎo)對學(xué)生對自己學(xué)習(xí)的內(nèi)容、方式和結(jié)果等進行反思與評價，促進學(xué)生理清知識內(nèi)在的邏輯結(jié)構(gòu)，理解知識背后蘊藏的意義和價值，實現(xiàn)對學(xué)科大概念的進一步理解，然后遷移其到新情境解決實際問題，在這個環(huán)節(jié)教師要做好反饋評價.

本單元教學(xué)中，對于機械能守恒定律的“系統(tǒng)內(nèi)”該如何理解？是一個教學(xué)難點，可以引導(dǎo)學(xué)生進行反思論證.根據(jù)萬有引力定律知識：g=GM地／R2，重力勢能是物體和地球這個系統(tǒng)共有的；當(dāng)彈簧發(fā)生明顯形變時，與之接觸的滑塊有一個微小形變，但由于滑塊形變量太小，彈性勢能可忽略不計，這兩個彈性形變同時產(chǎn)生、同時消失，所以彈性勢能也具有系統(tǒng)性.另外對于彈簧的動能：由于是理想化的“輕彈簧”，質(zhì)量忽略不計，所以動能為0.在這個反思的基礎(chǔ)上進行實踐遷移解決實際問題：生活中很多學(xué)生會利用后端帶彈簧的圓珠筆玩一個小游戲：將其后端放在桌子上豎直向下按壓，突然放手后會彈起一定高度.若已知圓珠筆的質(zhì)量，請只利用手頭的刻度尺得出圓珠筆離開桌面時的速度大小以及彈簧的最大彈性勢能.