基于学习进阶的高中物理单元教学设计——以“圆周运动”学习为例

广东省佛山市南海区第一中学(528200) 杨 恒

单元教学设计是从大概念、大思路的角度出发，为了实现课程目标和课时目标，教师基于对学科内容的理解和学习内容的特点，基于学科核心素养，以帮助学生构建系统化、结构化的知识体系为目的，把章节或者单元中不同的知识点由简单到复杂、由浅入深组织起来的系列教学事件。学习进阶是对学生思维由简单到复杂、由浅入深的学习层级的刻画。本文以学习进阶进行单元教学设计，并以“圆周运动”为例说明高中物理单元教学设计的具体做法。

1 单元教学内容选择

人教版《物理》必修2第5章“曲线运动”这一章由7节内容组成，按照教学内容将其划分为“运动的合成和分解”“平抛运动”“圆周运动”。“圆周运动”属于后面4节内容，帮助学生进一步加深对曲线运动中的动力学问题的理解和运用，是研究天体运动和带电粒子在电磁场运动的预备知识，具有基础性和预备性。

2 单元教学目标制定

新的课程标准要求加强了实验探究，为了使学生更好地理解与掌握向心加速度与各量之间关系的含义，增加了“探究并了解匀速圆周运动向心力大小与半径、角速度、质量的关系”。

教学建议这部分内容注重分析思路和方法的渗透，对这部分的描述是“根据运动学的知识先学习向心加速度，然后再根据牛顿第二定律学习向心力的知识，有利于形成合理的知识结构，而且更加符合认知规律。”

结合课程标准的要求，制定本学习单元的教学目标如下。

(1)通过观察实验，得到线速度、角速度的物理意义和定义式，了解转速和周期，知道匀速圆周运动的特点。加深学生对比值定义法的理解，发展学生基于证据的科学论证能力。

(2)通过实验探究，知道和理解向心加速度的方向和表达式，能根据问题情景选择合适的向心加速度表达式进行简单的运算。培养学生实验探究的意识，发展学生基于事实进行抽象概括的模型建构能力。

(3)了解向心力的概念，能从牛顿第二定律的角度理解向心力的表达式。运用牛顿运动定律解决匀速圆周运动的问题，完善运动与相互作用的物理观念。

(4)能定性定量地分析生活中的圆周运动，知道离心运动及其产生条件，了解离心运动的应用和防止。发展学生基于事实的科学解释能力，形成正确的科学态度。

3 学习进阶路径规划

从物理观念上看，本单元的学习可以让学生进一步完善对曲线运动的认识，有利于建立力与运动的物理观念。从科学思维上看，本单元涉及的比值定义法、模型建构思想是物理学习研究的主要思想方法。“生活中的圆周运动”这一节，一方面可以让学生亲身经历模型建构、科学推理、科学论证的过程；另一方面也可以通过解决生活中的实际问题，发展学生的学科思维，增强实践意识。从科学探究上看，本单元中的“向心加速度”“向心力”由原来的验证性实验变成了探究性实验，目的是为了培养学生的实验探究能力。在教学过程中有意识地多提问，让学生在解释交流的过程中提高实验探究能力、问题意识和论证意识。从科学态度与责任上看，比较2个质点运动的快慢或者转动的快慢，可以发展学生基于证据的科学论证能力。本单元的2个实验探究教学可以发展学生基于事实进行抽象概括的模型建构能力，培养学生的求真精神与团队合作意识。最后一节“生活中的圆周运动”，运用物理知识解决生活中的实际问题有助于学生养成用物理视角发现问题、解决问题的能力。

基于学习进阶系统设计知识点间的衔接和单位知识间的内在逻辑，“圆周运动”的学习层级与素养发展规划进阶表见表1。

表1 “圆周运动”学习层级与素养发展规划进阶表

4 单元教学环节落实

4.1 层次1、2：认识圆周运动(1课时)

(1)(物理情景创设)列举生活中的圆周运动，引导学生观察物体运动轨迹的形状，并提出问题：如何比较圆周运动物体的快慢？

(2)(猜想与假设)引导学生基于原有经验进行有效的猜想：转过一圈所花时间的多少，在相同时间内转过的圈数……对比我们之前学过直线运动速度的定义，是否可以类比迁移到曲线运动？通过直线运动速度的比值定义的类比迁移到曲线运动的线速度、角速度的定义，即比较物体在相同时间内通过圆弧的长短，在相同时间内转过的角度的大小，从而突破教学难点。

(3)(实验探究)让学生思考测什么、用什么测、怎么测？即要测量哪些物理量、用什么实验仪器进行测量、实验步骤如何安排？通过网上购置可以调速的转盘，向学生展示匀速圆周运动的情况。

1.4 统计学方法 数据用SPSS 22.0统计软件分析，其中计量资料用±s)表示，采用t检验，计数资料用χ2检验，等级资料采用秩和检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

(4)(科学解释)如图1所示，A、B两点谁运动得更快一点，为什么？在相同的时间里面，A、B运动的弧长不一样，说明了什么？这样就将直线运动中定义速度的方法自然类比迁移到圆周运动中定义线速度的方法，而且也让学生明白到曲线运动的线速度与直线运动的速度没有本质的区别。只是在圆周运动中，我们还可以通过半径转过角度的快慢(角速度)来描述，所以为了区分角速度，我们把圆周运动中的速度称为线速度。

再让学生观察A、B两点，发现A、B转过一圈所花的时间相同，提醒学生质点运动得快与转动得快不相同，线速度是描述质点运动的快慢，而角速度、周期、转速是描述质点转动的快慢(质点与圆心的连线扫过角度的快慢)。然后类比线速度的比值定义法，得到角速度的定义。

4.2 层次3、4：向心加速度(1课时)

(1)(情景创设)我们知道物体如果不受力，它将做匀速直线运动，加速度为零。匀速圆周运动不是匀速直线运动，那么这就意味着它所受到的合力不为零，加速度也不为零。那么这个加速度的大小和方向是怎么样的呢？

(2)(实验探究一)这里面我们采用的是手机传感器App——accelVisu2，它可以直接显示加速度的方向。从实验图像，我们可以直接看到匀速圆周运动的加速度时时刻刻指向圆心，故此我们称其为向心加速度。

(3)(实验探究二)接下来采用另一个手机传感器App——phyphox，它利用手机内置的陀螺仪和角速度传感器可以测量角速度和向心加速度随时间的变化。当开始测量时，转盘的电机处于关闭状态；测得的向心加速度接近于零。大约5 s后，启动电机。从这个时候起，手机跟随转盘以设定的角速度移动。

先控制角速度不变，改变转动半径，记录不同转动半径对应的加速度。通过Excel用电脑作出向心加速度a与转动半径r的关系图。

再控制转动半径不变，调节电机调速器，改变角速度，记录不同角速度对应的加速度。观察向心加速度a与角速度ω、加速度a与角速度的平方ω2的关系图。

(4)(理论推导)从运动学的角度学习向心加速度。因为向心加速度是线速度变化量Δv跟时间Δt的比值，这里面的关键是线速度变化量Δv。在课堂上，先复习回顾直线运动的速度变化量Δv的概念，强调速度变化量的方向；再引伸到曲线运动中速度变化量Δv的计算，即不在同一直线的速度变化量的方向；然后求质点做圆周运动时，在Δt时间间隔内的速度变化量的方向；最后，强调Δt趋于零时，速度变化量与该点线速度方向垂直，指向圆心。

4.3 层次5：向心力(1课时)

(2)(实验探究)利用机械鸟做匀速圆周运动，拖动绳子形成圆锥摆验证向心力的表达式(见图2)。这个实验采用同学们常玩的机械鸟，除了实验器材常见易得外，每个学生还可以动手实验，而且对于机械鸟的受力分析方法也是以后常用的，掌握之后有利于后面的学习。而且这个实验容易保证机械鸟做圆周运动，比普通常见的圆锥摆实验有优势。

通过对机械鸟的研究，学生理解实验中的向心力是由不同方向的绳子拉力和重力合成后提供的，方向时时不同，利用手机App——tracker进行分析。从而理解向心力是按照效果来命名的，是由其他性质的力提供的。

(3)(拓展)为了使学生可以在更加广阔的背景下认识圆周运动，我们可以将一般情况下的变速圆周运动，分为切向分力(切向力)和法向分力(向心力)的作用。

4.4 层次6：生活中的圆周运动(2课时)

(1)(情景创设)本节课是圆周运动的运用课，展示教材上具有特点的生活例子，再逐一理论分析。

(2)(理论分析)以汽车经过弯道作为分析水平方向上的匀速圆周运动的例子(见图3)。先播放汽车在水平路面上、倾斜路面上转弯的视频，再让学生思考、分析物体受力，哪些力提供向心力，圆心建立在何处，用牛顿第二定律建立方程，然后再通过汽车速度变大或者变小进行拓展。

以汽车通过凸形桥的最顶端(最高点)或者凹形桥的最低端(最低点)作为竖直方向上的圆周运动的例子。汽车通过拱桥是变速圆周运动，我们只分析最高点和最低点的受力情况，因为这时候合外力全部在同一直线上，合力提供向心力。分析完汽车过拱桥模型后，给学生演示“水流星”，让学生独立分析水流星在最高点的受力情况。

以航天器中的失重现象作为超失重现象在圆周运动的例子。先播放航天员的录相资料，了解现象，再对现象进行分析和讨论，让学生思考、分析物体受力，哪些力提供向心力，圆心建立在何处，用牛顿第二定律建立方程，理解航天器中的失重现象。

5 单元教学设计反思

(1)依据课程标准和学科教学指导意见进行分析，确定本单元教学目标和具体内容。基于学习进阶的理论，从学业要求和核心素养2个层面进行单元教学设计。

(2)在分析课程标准、学科指导意见以及教材的基础上，梳理本单元的主要知识有哪些，结合教学经验，围绕着大概念建构知识体系，对本单元知识间的逻辑关系进行挖掘。

(3)对于本单元涉及的物理思想方法、分析问题的思路进行深度挖掘，帮助学生深度理解物理知识，找出不同概念之间的相互联系，建构出自己的知识体系，加深对科学本质的理解。