文∣董友军 林秀连

物理概念是观察、实验、思维相结合的产物，它是物理学科重要内容。[1]在高中物理概念教学中，引导学生观察自然现象、分析生活问题，是培养学生物理学科核心素养的重要方式。新课程方案中明确提出，“探索大单元教学，促进学生举一反三、融会贯通，加强知识间的内在关联，促进知识结构化”[2]。由此可以得出，大单元教学就是要通过知识结构化，加强知识间的内在联系，实现深度教学，从而促进学生举一反三、融会贯通，发展学生物理学科核心素养，提升学生解决实际问题的能力。本文基于大单元教学理念，对人教版高中物理选择性必修第一册中的“动量”概念进行教学设计。

一、大单元教学理念

华东师范大学崔允漷教授指出：大单元是一种学习单元，一个大单元就是一个学习事件、一个完整的学习故事、一个独立的微型课程。[3]以前的教学方式中的一个单元如同一片树叶或一条树枝，而大单元则如同一棵树，树叶与树枝、树枝与树干、树干与树根，以及树叶与空气、树根与土壤等相互关联，共同构成一棵完整的树。大单元不是知识点的简单相加，而是能够满足不同学生素养发展的需求，落实核心素养，实现学科育人的最小课程单元。大单元之大，不是指数量大，而是指格局大、内容大、架构大、视野大，这在课堂教学中体现为整体性、系统性、关联性、拓展性等特点。

大单元教学是以大单元为学习单位，依据课程方案，聚焦学科核心素养，围绕某一主题或某一活动，对课堂教学内容进行整体思考、设计、实施的教学，旨在实现“整体大于部分之和”，提升教学效益，落实课程育人目标，培养学生核心素养。大单元教学基于学科教材的整合和核心素养的要求，从中提炼出大概念(大主题)，由大概念得到大任务，由大任务得到大问题，由大问题得到大情境，从而实现大教育。其教学理念主要表现为：零碎知识只有经过结构化组织才能转化为系统性的认知表征，即知识结构化；迁移能力只有在真实体验任务中才能有效形成，即能力体验化；意义学习必须在元认知参与下才能实现主体性建构，即学习建构化；形成素养需要经历一个由浅到深、由具体到抽象的进阶式探究历程，即素养进阶化。大单元教学不等于舍弃以一节为单位的教学设计，基本的教学还是一节一节来实现，但是教师在思考每一节的教学目标、教学方法时，要从单元整体出发，避免教学内容之间过于割裂、零散杂乱。

二、基于大单元教学理念的高中物理概念教学设计

教学设计是指教师为了优化教学过程，提高教学质量，以认知学习理论、教育传播理论和系统科学理论为基础，根据学生的学习特点和自身的教学风格，对教学过程的各环节、各要素预先进行科学计划、合理安排，制定出整体教学运行方案的过程。本文基于大单元教学理念，对“动量”这一概念进行中学物理概念教学设计。

(一)课程标准

查阅高中物理课程标准，与“动量”相关的要求有四处：第一处为内容要求，“理解动量”。第二处为活动建议，“观察台球碰撞前后的运动情况，尝试用动量知识定性解释”。第三处为教学提示，“引导学生通过研究碰撞现象，拓展对物理世界的认识和理解。通过探究碰撞过程中的守恒量，发展学生运动与相互作用的观念，使其了解物理规律具有适用范围和条件”。第四处为学业要求，“通过对动量守恒定律等内容的学习，认识到物理规律的内在一致性和适用范围，认识到物理研究是建立在观察和实验基础上的一项创造性工作，在研究中必须坚持实事求是的态度”。[4]

(二)教材分析

1.课时视角

教材首先创设真实情境(两个完全相同的钢球发生碰撞)，让学生观察情境现象并提出问题(为何被碰钢球能上升到与主碰钢球同样的高度)，从而引导学生提出猜想(碰撞前后两球速度之和不变)，并创设真实实验(替换原主碰钢球使其质量大于被碰钢球)，定性说明猜想不正确。接着继续创设真实实验(两辆小车在光滑轨道上碰撞后粘在一起)，寻找碰撞中的不变量(判断两辆小车碰撞前后的动能之和、质量与速度乘积之和是否不变)，发现碰撞中的不变量为质量与速度的乘积之和。随后把找到的不变量命名为“动量”，并得出动量的公式、单位、方向。最后通过做一做、练习与应用等环节，对动量的知识进行应用、体验、巩固。

2.大单元视角

人教版高中物理选择性必修第一册第一章为“动量守恒定律”，总计有6节：第1节为“动量”，第2节为“动量定理”，第3节为“动量守恒定律”，第4节为“实验：验证动量守恒定律”，第5节为“弹性碰撞和非弹性碰撞”，第6节为“反冲现象 火箭”。通过分析发现，本章内容都围绕“动量守恒定律”展开，因此把本章全部内容作为一个大单元，则“动量守恒定律”属于该大单元的核心概念，“动量”“冲量”“动量定理”则属于该大单元的重要概念。

从力学体系视角，动量在其中的关系如图1所示：力学的基本物理量为质量m、长度x、时间t；长度与时间构成速度v；质量与速度构成动量p和动能Ek，时间与速度构成加速度a；质量与加速度构成力F；位移与力构成功W，时间与力构成冲量I，速度与力构成功率P。从图1可以清晰看出，动量在力学体系中具有承上启下的作用，上承质量、位移、时间，下启力、冲量等概念，是核心概念“动量守恒定律”的基础。

图1 动量在力学体系中的关系

(三)教学目标

1.物理观念

知道动量的来源，明白动量的内涵与外延，找到碰撞中的不变量，从而发展学生运动与相互作用的观念。

2.科学思维

创设两个钢球相碰的真实情境，并忽略空气阻力，建构碰撞模型；观察到两个钢球碰撞前后的最大高度相同，让学生进行定性分析，培养学生科学推理与科学论证素养；改变钢球质量，观察实验现象，并提出新的猜测，培养学生的质疑和创新素养。

3.科学探究

通过演示实验，激发学生提出问题，并鼓励学生进行猜测；又通过实验去寻找不变量，最终发现碰撞过程中动量之和不变，培养学生的科学探究素养。

4.科学态度与责任

在实验研究过程中，始终坚持实事求是精神，并让学生认识到，物理研究是建立在观察和实验基础上的一项创造性工作，树立学生的科学态度；通过寻找碰撞中的不变量，学生认识到物理研究的本质是找到自然界中不变的物理量。

(四)学情分析

这个阶段的学生已经掌握了质量、速度、动能等基本概念，也掌握了光电门测速、矢量运算等方法和法则，还经历了机械能守恒定律、动能定理的探究过程，为寻找碰撞中的不变量做好了知识、方法、技能、思维的准备。

(五)教学过程

根据大单元教学理念，教师从知识整体出发，创设真实情境，突出学生主体，对“动量”进行教学重构，从而发展学生物理学科素养，提升学生分析问题、解决问题的能力，教学流程如图2所示。本文主要从师生活动、设计意图对教学过程加以说明。

图2 动量教学流程

1.创设情境，提出问题

师生活动：

【活动一】教师准备好演示实验装置(如图3)，已知钢球A质量等于钢球B质量。首先让学生猜测：拉起钢球B，然后静止释放，钢球B与钢球A碰撞后会产生什么现象？学生猜测：碰撞后钢球B静止、钢球A摆起的高度等于钢球B释放的高度。接着教师进行实验，实验现象与学生猜测结果相同。然后教师追问：碰撞后钢球A摆起的高度等于钢球B释放的高度，反映了什么物理规律？

图3 A质量等于B质量

学生回答：根据机械能守恒定律可得，钢球A碰撞后的速度等于钢球B碰撞前的速度，这意味着碰撞前后，两个钢球速度之和是不变的。

【活动二】教师准备好演示实验装置(如图4)，已知钢球A质量小于钢球C质量。首先让学生猜测：拉起钢球C，然后静止释放，钢球C与钢球A碰撞后会产生什么现象？学生猜测：碰撞后钢球C继续向左运动、钢球A摆起的高度小于钢球C释放的高度。接着教师进行实验，实验现象与学生猜测结果不同：钢球A摆起的高度大于钢球C释放的高度。然后教师追问：碰撞后钢球A摆起的高度大于钢球C释放的高度，反映了什么物理规律？

图4 A质量小于C质量

学生回答：根据机械能守恒定律可得，钢球A碰撞后的速度大于钢球C碰撞前的速度，这意味着碰撞前后，两个钢球速度之和是变大的。

【活动三】教师准备好演示实验装置(如图5)，已知钢球A质量大于钢球D质量。首先让学生猜测：拉起钢球D，然后静止释放，钢球D与钢球A碰撞后会产生什么现象？学生猜测：碰撞后钢球D反弹、钢球A摆起的高度小于钢球D释放的高度。接着教师进行实验，实验现象与学生猜测结果基本吻合。然后教师追问：碰撞后钢球A摆起的高度小于钢球D释放的高度，反映了什么物理规律？

学生回答：根据机械能守恒定律可得，钢球A碰撞后的速度小于钢球D碰撞前的速度，这意味着碰撞前后，两个钢球速度之和是变小的。

通过以上三个活动，说明两个钢球碰撞后的速度与两个钢球的质量有关，教师可接着鼓励学生大胆提出问题：两个物体碰撞前后，质量与速度的乘积之和是否不变呢？

设计意图：创设“两个钢球碰撞”的真实情境，先让学生猜测，然后进行实验演示，既可以体现物理概念源于生活，也可以激发学生学习物理的兴趣。同时教师采用问题驱动的教学方式，引导学生用机械能守恒定律去分析问题，有利于培养学生的科学思维、科学探究等物理学科核心素养。

2.定量分析，寻找不变

师生活动：

教师创设碰撞实验(如图6)，两辆小车放在光滑轨道上，用一辆运动的黄色小车A碰撞一辆静止的红色小车B，且保持小车A的质量不变。

图6 碰撞实验

用电子秤测得小车A、B的质量为m1、m2，用光电门测得小车A、B碰撞前的速度分别为v1、v2，小车A、B碰撞后的速度分别为v1′、v2′，设小车A初速度方向为正方向，则与初速度同向为正值、反向为负值。学生进行分组实验，并填写表1。

表1 碰撞实验测量数据

学生通过定量实验，证明了之前提出的问题是正确的，从而找到碰撞过程中隐藏的不变量：两个物体碰撞前后，质量与速度的乘积之和不变。

设计意图：要验证学生提出的问题，就必须进行定量分析。为了方便测量速度，把单摆的钢球碰撞转化为光滑轨道上的小车碰撞，同时为了简化计算，采用控制变量法，让小车A的质量保持不变、小车B碰撞之前保持不动。通过以上处理，建立碰撞模型，突出研究重点，培养学生模型建构等科学思维。让学生基于观察，提出物理问题，再经历实验操作过程，验证提出问题的正确性，有利于培养学生提出问题、寻找证据等科学探究素养。

3.定义概念，关注内涵

师生活动：

教师鼓励学生用自己的语言概括动量相关知识，并请学生填写表2，让学生了解动量内涵。接着教师又设置例题，先让学生独自解答，再引导学生相互讨论，最后教师进行点评，从而促进学生对动量的理解。

表2 动量内涵

【例题】如图7，中国女篮队员把一个篮球从距离地面1.25 m高处静止释放，遇到地面竖直反弹的高度为0.8 m，不计空气阻力，取g=10 m/s2。求：

图7 静止释放篮球

(1)篮球下落刚接触地面和反弹刚离开地面时的动量？

(2)篮球从下落刚接触地面到反弹刚离开地面过程中动量变化？

(3)篮球从下落刚接触地面到反弹刚离开地面过程中动能变化？

设计意图：让学生自己概括出动量相关知识，既有利于新知识的内化，也有利于概括能力和表达能力的培养，体现学生主体性，从而发展学生物理观念。设置例题，让学生区分动量与动量变化、动量与动能等概念，且选用真实情境设置例题，将解答习题变为解决问题，有利于培养学生用物理知识解决实际问题的能力。同时渗透思政意识，特意选择中国女篮队员图片，有利于培养学生家国情怀，增强学生国家自信心、民族自豪感等科学态度与责任方面的素养。

4.联系生活，应用拓展

师生活动：教师展示生活图片，并提出问题。

【问题一】如图8所示，足球与飞鸟质量差不多，为何运动员顶球后，其头部完好无损，而当飞行的飞机撞上飞鸟时，机头会被撞个大窟窿？

图8 顶球与飞机撞鸟

【问题二】如图9所示，实心球与铅球的落地速度差不多，为何实心球砸出的坑比较浅，而铅球砸出的坑比较深？

图9 投实心球和铅球

【问题三】如图10所示，用铁锤击打钉子，如何把钉子快速敲入木板？

图10 铁锤击打钉子

学生对教师提出的问题进行思考、讨论，并作出回答。

【回答一】足球与飞鸟质量差不多，但足球运动速度小，顶球后，足球动量变化较小，因此运动员顶球后，其头部完好无损。而飞机运动速度大，鸟撞飞机后，鸟动量变化大，因此机头被撞个大窟窿。

【回答二】实心球与铅球落地速度差不多，但实心球质量比较小，落地后，实心球动量变化较小，因此实心球砸出的坑比较浅。而铅球质量比较大，落地后，铅球动量变化较大，因此铅球砸出的坑比较深。

【回答三】要把钉子快速敲入木板，根据生活经验，有两种方式：一是增大铁锤运动的距离，则铁锤接触钉子时的速度较大，铁锤敲击钉子后动量变化较大，因此可以把钉子快速敲入木板；二是换用质量较大的铁锤，则铁锤敲击钉子后动量变化较大，因此也可以把钉子快速敲入木板。

设计意图：设置几个生活情境，引导学生用动量相关的知识去分析，有利于培养学生用物理知识解决生活实际问题的能力，培养学生物理观念。选择的生活情境，既有利用动量的情境，也有防止动量的情境，体现事物的两面性，从而把物理教学上升到哲学的高度；同时还特意选择2022年女足获得亚洲杯冠军时的比赛图片，有利于培养学生的家国情怀，增强国家认同感、自豪感，培养学生的科学态度与责任。

三、基于大单元教学理念的高中物理概念教学反思

教学反思是教师对教学活动整个过程进行的全面、深入、冷静的思考和总结，并对课堂教学活动中所做出的行为决策及其产生的现实结果进行的客观、公正、准确的分析和概括。通过“动量”教学实践，基于大单元教学理念进行教学反思，可总结出三个意识。

(一)整体意识——纵向化和横向化

整体是指一个由存在内在关系的若干部分所组成的体系对象。这种内在关系，可以是功能互补、利益共同、协调行动等。课标明确提出要树立教学整体观，培养学生物理观念。纵向化是指纵向贯通，即指出本知识点与其他知识点之间的逻辑关系，可以用知识结构图去呈现，如前文图1所示。横向化是指横向关联，即指出本知识点各个内在部分之间的逻辑关系，可以用课时流程图去呈现，如前文图2所示。

(二)情境意识——生活化和问题化

情境是指一定时间内各种情况的相对的或结合的。教学情境引入应该遵循“由实及虚”的原则，即能够用演示就不用视频，能够用视频就不用动画，能够用动画就不用图片，能够用图片就不用文字。创设情境进行教学，对培养学生物理学科核心素养具有关键性作用。生活化是指情境来源于学生身边的事例，学生比较熟悉，没有陌生畏惧感。问题化是指情境需要引起学生认知冲突，并能够激发学生好奇心，从而引导学生提出物理问题。远离学生生活的情境会增加学生的认知难度。无法据此提出问题的情境对教学来说也是无效情境。学生在学习物理概念之前，已积累了大量基于生活经验形成的经验性常识，要在此基础上建构物理概念，就必须对所观察的现象重新加工，在诸多客观情境中概括事物的共同属性，将事物的本质特征抽象化，完成从经验性常识向物理概念的转变。因此建立物理概念需要创设情境，如图3至图5。运用物理概念解决具体问题也应该结合具体的实际情境，如图7至图10，因为运用物理概念解决实际问题能力的高低，往往取决于学生将情境与知识相联系的水平。

(三)思政意识——素材化和潜移化

物理课程思政是指以物理知识为载体，在课程中融入思想政治教育内容，有意识地培养学生思想政治素质的教学理念。[5]素材化是指充分利用课堂教学素材。物理知识是死的，而教学素材是活的，通过精选教学素材，能够有效在物理课程中落实思政意识的培养。潜移化是指潜移默化。心理学家指出，中学生有较强的逆反心理，对正面宣传有强烈的不认同、不信任的反向思考。[6]为了不激发学生这个心理特征，潜移默化是落实物理课程思政的关键。2016年12月7日，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出，“好的思想政治工作应该像盐，但不能光吃盐，最好的方式是将盐溶解到各种食物中自然而然吸收”。以专业为载体、以课堂为阵地，通过渗透的方式把思政元素融入知识传授过程，才能更好地实现全过程、全学员、全方位育人的目的。