以大概念统领单元教学设计，促进学科核心素养的落实
朱宁宁 崔琰
摘? ?要：以大概念为统领进行单元教学设计，是落实学科核心素养的重要途径。文章以“机械能及其守恒定律”单元为例，详细阐释了如何围绕大概念的建构进行单元教学设计，包括教学内容、学习目标、教学活动流程以及教学评价的设计分析，从而促进学生学科核心素养的发展。
關键词：大概念;核心概念;单元教学设计;核心素养
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）2-0031-6
学科大概念是指在学科中处于上位的、能反映学科本质特征、组织学科内容的少数关键性学科核心概念，比如，物理学科中“物质的结构与特性”“运动与相互作用”“能量及其转变（包括能量形式、转化与转移、耗散与守恒）”等。《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称“课标”）中提出的“物理观念”是基于物理大概念的学习，从学生发展核心素养的角度进行的提炼与概括。对学生物理观念的培养直接体现了物理大概念的教育价值，比如，“机械能及其守恒定律”单元围绕“能量及其转变”这一大概念展开教学，有助于学生能量观念的形成与发展。由于物理学科核心素养中物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面是相互联系、共同发展的，即物理观念的形成过程是学生经历科学思维与科学探究的过程，也是对科学本质的认识不断深化、
科学态度与责任发展的过程。所以，在能量观念发展的同时，也实现了核心素养其他方面的同步发展。
以大概念统领单元教学设计，是围绕大概念建构单元内容中概念、规律的联系，使单元教学内容呈现出整体性;围绕大概念设计相互关联的单元教学活动，有助于培养学生思维的连贯性与发展性，围绕大概念的单元设计更有助于从整体与部分的角度深挖学科育人价值，体现核心素养培养的全面性与综合性。所以，围绕大概念进行单元教学设计，是落实学科核心素养培养的重要途径。本文以“机械能及其守恒定律”单元为例，阐释如何围绕大概念开展单元教学设计。
1? ? 以大概念为统领，整合单元教学内容
单元教学设计首先需要明确教学单元，分析教学内容。在教学单元的选取上，需要以大概念的建构为主题，规划、组织单元内容。这需要教师基于对学科知识本质的把握，对物理概念、规律间的联系进行梳理，以大概念的发展为主线，在单元教学中逐渐实现物理概念体系整体化与结构化。物理概念和规律的学习是学生形成物理观念的有机组成部分，经历物理概念和规律的建构过程是发展学生科学思维的重要途径。在梳理单元内的概念及其发展进阶关系的同时，需分析与挖掘这一过程对学生思维发展与能力培养的价值。所以，单元教学内容的整合分析可分为两方面：单元概念发展的整合，学生思维发展的整合。
1.1? ? 单元概念发展的整合
以大概念为统领，构建单元的科学概念进阶关系。比如，学生在高中第一次建立能量观念时，教师选取“功与功率”“重力势能与弹性势能”“动能与动能定理”“机械能守恒定律”等内容作为一个教学单元——“机械能及其守恒定律”，围绕大概念“能量及其转变”整合本单元的科学概念进阶层级（见表1），进而建构本单元的概念发展进阶图（如图1）。
1.2? ? 学生思维发展的整合
在物理学科核心素养的培养中，物理观念是基础，科学思维是核心。如“机械能及其守恒定律”单元中，基于概念进阶层级框架，引导学生构建“能量及其转变”的大概念、培养能量观念时，让其经历一系列理论探究与模型建构、推理论证的过程，同时引导学生发现与提出问题、基于证据进行逻辑分析、表述交流等，最终实现培养学生的问题意识、证据意识、解释与表述能力。本单元学生思维发展的整合分析如图2所示。
2? ? 以大概念为统领，明确单元学习目标
以大概念为统领的单元学习目标着眼于学生学科核心素养的发展。单元学习目标的确定，需要分析课程标准中对本单元整体与具体内容的教学要求，结合学生的学情表现，以及对本单元概念进阶、思维发展进行整合分析，从而明确学科核心素养的培养价值。比如，通过“机械能及其守恒定律”的学习，学生能从“能量转化与守恒”的角度分析与解释有关机械运动的问题，提高解决问题的能力。
本单元具体的学科核心素养培养与发展价值的分析如下：
（1）物理观念：经历从功的角度研究不同形式能量变化的原因，通过理论推导与实验验证过程，逐步深化对机械运动中功能关系的认识，了解能量的转化与守恒，形成初步的能量观念。
（2）科学思维：通过理论探究重力做功与重力势能变化的关系、弹簧弹力做功与弹性势能变化的关系，以及推导动能定理、机械能守恒定律，经历模型建构、推理论证、质疑等思维活动过程，实现微元、极限、类比等思想方法的迁移应用，从而有助于科学思维的发展。
（3）科学探究：采用探究的方式研究本单元中的功能关系，引导学生敢于思考与质疑、积极发表观点，基于证据作出解释、对结果进行交流，从而培养学生的问题意识、证据意识。
（4）科学态度与责任：在经历实验探究与理论推导的过程中，体会严谨认真、尊重事实的科学态度;了解人类认识能量这一守恒量的过程，体会对真理与科学本质的追求精神;从能量转化与守恒的角度了解可持续发展的意义，培养节能减排的责任意识。
另外，单元学习目标必须兼具整体性与可拆解性，即单元学习目标一方面统领本单元的教学高度，另一方面必须细化到单元的每一节教学内容中，而且各节的学习目标之间要体现发展性与进阶性。
本单元学习目标的进阶性分析见表2。
3? ? 以大概念为统领，设计单元教学活动与流程
基于大概念的建构，分析与明确了具体的学习目标后，紧接着需要规划与设计对应的单元教学活动与详细操作流程，这直接指向了学科核心素养的培养与落实。建构概念、探究规律等单元教学活动设计需要重视情境的创设，包括创设能够体现概念本质特征的情境，有助于学生发现与提出问题，从而开展深入的研究。总之，合适的情境是引导学生开展学习活动的前提，也体现了学生概念建构以及思维发展的效果。“机械能及其守恒定律”单元基于“功决定和量度能量变化”这一理论，创设研究性情境，同时结合发展学生思维的价值分析，采用了探究性的教学方式。本单元教学活动流程设计见表3。
下面以教学内容5“动能表达式的探究与动能定理的推导”为例，详述教学活动的开展思路。
（a）问题引入：已经研究了重力做功量度重力势能的变化、弹簧弹力做功量度弹性势能的变化。运动的物体具有动能，我们如何量度动能的变化呢？动能的变化与什么力做功有关？（从动能的角度，继续研究功与能的关系）
（b）探究性问题：探究物体动能的变化与什么力做功有关？
（c）分析与猜想：运动的物体具有动能，已知物体的动能与自身质量m、运动速度v有关。物体速度变则动能变;速度的变化源于加速度，加速度源于合力。所以，猜想动能的变化与合力做功有关。
（d）创设情境与建构模型：质量为m的物体在水平恒力F的作用下，在粗糙水平面上运动，阻力大小为Ff。物体从A运动到B发生一段位移l，速度由v1增加到v2。（即建构匀变速直线运动模型）
（e）演绎推理：
物体运动过程中，合力为（F-Ff），合力的功：
W■=（F-Ff）l（1）
根据牛顿第二定律： F-Ff=ma? ? ?（2）
根据匀变速运动规律：2al=v■■-v■■（3）
帶入（1）式中，得合力的功：
W■=■mv■■-■mv■■（4）
（f）分析与推理：深入分析■mv2，一方面与合力做功密切相关，另一方面具有动能的基本特征。根据“功决定和量度能量的变化”的基本认识思路，把■mv2定义为动能表达式。
（g）探究结论：物体速度从v1变到v2的过程中，合力的功：
W■=■mv■■-■mv■■=Ek2-Ek1=ΔEk（5）
动能的变化与物体合力的功有关：合力在一个过程中对物体所做的功等于物体在这个过程中动能的变化量。
4? ? 基于核心素养的考查，设计教学评价
评价是日常教学活动的重要部分，适时、准确的评价才能了解学生核心素养的发展情况，从而指导进一步的教学活动。评价的角度和方式均是多样的，包括教师评价、自我评价、同伴评价，以及过程性评价、阶段性评价等。通过评价，诊断与检测学生素养培养的效果，获得真实表现的反馈性信息，以及激励学生进一步的学习活动。
比如，“机械能及其守恒定律”单元中，教学内容4的设计即作为了课堂上的一种过程性的诊断性评价，通过学生在探究弹力做功及推导弹性势能表达式的表现，诊断是否能够迁移与类比重力势能表达式的探究思路，是否能够迁移分析变力做功时的微元法与极限思想，从而对学生思维能力的表现进行及时诊断。此外，关于动能表达式的探究与动能定理的推导，也作为研究方法与研究思路的诊断性评价，诊断学生能否将之前学习的研究方法迁移应用，是否掌握了探究问题时的一般研究思路，是否具有探究与解决问题的能力，即在教学过程中诊断学生的思维与探究能力。
除了课堂上师生互动中的评价，课后作业也是一种很好的诊断学生学习效果的评价方式。比如，“机械能及其守恒定律”单元中，下面一题是在学习“功”之后，检测学生关于变力做功问题的掌握情况。
作业题：用手拉一小物体在水平面上做半径为 R 的圆周运动（图3），滑动摩擦力的大小为Ff，在小物体运动一周的过程中， 摩擦力Ff做的功为多少？
发展学生核心素养是一个连续且长期的过程。围绕大概念建构的单元教学设计，侧重组织与开展具备系统性、发展性的教学内容与评价，有助于关注学生物理知识及能力发展上的进阶性，有助于建立学生物理概念和规律的理解，有助于提高学生解决问题和解释现象的能力。大概念统领的单元教学设计是落实物理学科核心素养的重要方式，在教学实践中，教师应该关注、统筹单元教学设计，围绕大概念建构、整合教学内容与组织教学，从而实现学科育人目标。
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（栏目编辑? ? 邓? ?磊）
