新課標指導(dǎo)下基于大觀念的物理教學(xué)課例探討
——以教科版“人造衛(wèi)星運行規(guī)律”為例

唐子怡 袁令民

(四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 四川 成都 610101)

大觀念最早源于布魯納倡導(dǎo)的學(xué)科結(jié)構(gòu)運動.掌握學(xué)科的結(jié)構(gòu)就是以允許許多事物有意義且相互關(guān)聯(lián)的方式來理解該學(xué)科，習(xí)得結(jié)構(gòu)就是學(xué)習(xí)理解事物如何相互關(guān)聯(lián)[1].它呈現(xiàn)了一種相互聯(lián)結(jié)、具有可遷移性的課程設(shè)計思想，但常局限于一個學(xué)科.查爾斯認為大觀念需要通過討論、探究這些過程才能獲得，即相對于淺層學(xué)習(xí)的深度學(xué)習(xí)才能獲得對大觀念的理解[2].而威金斯和麥克泰則對“大觀念”做出了更為系統(tǒng)的論述：“大觀念”是重要的、持久的.“大觀念”是理解的基礎(chǔ)素材，可以被想成是有意義的模式，這些模式使我們將若不聯(lián)結(jié)就會分散的點狀知識連結(jié)起來.這樣的概念超越了個別的知識和技能，以聚焦在更大的概念、原理或過程，這些概念可以應(yīng)用到學(xué)科之內(nèi)或以外的新情境[3].綜合這些觀點，筆者對其的理解為：大觀念是處于課程建構(gòu)頂層設(shè)計核心，必須通過學(xué)習(xí)者探究、討論、驗證逐漸習(xí)得，基于基礎(chǔ)知識之上的總結(jié)與推論，并經(jīng)學(xué)習(xí)者內(nèi)化后，在遺忘所有具體事實性知識仍然持久保留于頭腦中剩下的東西.大觀念并非一個簡單的概念或者知識、技能，而是以各種各樣抽象的形式呈現(xiàn)，可以跨學(xué)科使用并進行遷移的一種聯(lián)結(jié).

2017年版新課標提出“核心素養(yǎng)”一詞，而學(xué)科核心素養(yǎng)是核心素養(yǎng)在學(xué)科層面的具體化，也是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn).建立大觀念則是形成學(xué)科核心素養(yǎng)的一個重要途徑與手段.參考邵朝友與崔允漷先生在《指向核心素養(yǎng)的教學(xué)方案設(shè)計：大觀念的視角》中的觀點，筆者得出以下依據(jù)：從大觀念的本質(zhì)意義出發(fā)，通過實驗探究、討論總結(jié)等多種方式循序習(xí)得知識符合自主卻富有個性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生理解、探究與解決問題能力；從大觀念的特性出發(fā)，持久性要求在遺忘所有細節(jié)知識后能有所保留，這些內(nèi)容則奠基了人的終生發(fā)展.抽象性指出大觀念并非簡單的基礎(chǔ)知識概念，其呈現(xiàn)形式多樣，范圍也不僅局限于單一學(xué)科，暗合了核心素養(yǎng)的特性.聯(lián)結(jié)性使得大觀念為知識的遷移服務(wù)，在有限課時背景下，教學(xué)無法在某一主題中涉及到各個方面，如何讓學(xué)生學(xué)會舉一反三與學(xué)科內(nèi)、跨學(xué)科遷移，大觀念的理解與運用尤為重要.以上幾點特性正體現(xiàn)了學(xué)科核心素養(yǎng)中關(guān)于思維習(xí)慣與意識能力的培養(yǎng)；從大觀念的地位出發(fā)，埃里克森認為應(yīng)由大觀念決定教學(xué)的方向和深度，居于課程內(nèi)容的核心.據(jù)此，在強調(diào)提高學(xué)生核心素養(yǎng)的教育背景下，大觀念的重要性只增不減.

本文以教科版 “人造衛(wèi)星運行規(guī)律”一節(jié)為例，通過教學(xué)設(shè)計闡述筆者自身在新課標指導(dǎo)下關(guān)于基于大觀念的教學(xué)課例的一點思考與見解.

1 識別主題 以核心素養(yǎng)為支架搭建課程內(nèi)容

基于大觀念的理念，筆者運用大觀念展開教學(xué)設(shè)計，根據(jù)本節(jié)內(nèi)容，首先確定主題為“人造衛(wèi)星運行規(guī)律”.再如圖1所示，以主題為中心點，以核心素養(yǎng)為支架梳理脈絡(luò). 在人造衛(wèi)星運行規(guī)律知識網(wǎng)絡(luò)中，重點突出人造衛(wèi)星運行規(guī)律，從觀念、探究到思維、態(tài)度逐漸深化．

圖1 “人造衛(wèi)星運行規(guī)律”支架圖

2 編寫基本問題 設(shè)計情境促進持久理解

參考文獻[4]中的觀點，為發(fā)展學(xué)生理解，促進學(xué)習(xí)遷移，在明確“我想要學(xué)生理解什么”后確定持久理解事項，編寫出重要且處于事物核心的基本問題，如表1所示.

表1 “人造衛(wèi)星 宇宙速度”持久理解與基本問題

3 以問題為導(dǎo)向 貫徹大觀念展開教學(xué)

問題1：人造地球衛(wèi)星要穩(wěn)定運行它的軌道應(yīng)該具備什么條件？

采用地球儀和圓環(huán)組成教具，模擬人造衛(wèi)星運行的不同軌道，師生分析討論得出人造地球衛(wèi)星穩(wěn)定軌道平面皆通過地心，再由人造地球衛(wèi)星的立體模型過渡到平面模型圖.

問題2：人造衛(wèi)星運行時的速度、周期、角速度等參數(shù)該如何求得？

將學(xué)生已學(xué)過的萬有引力定律和圓周運動等知識即學(xué)生認知結(jié)構(gòu)中已有的圖式，通過合作解決問題促進其在另一情境中遷移，并建立聯(lián)結(jié).

問題3：不同類型的人造衛(wèi)星有什么特點？

Stellarium是安卓手機上一款模擬星象儀軟件，它能根據(jù)觀測者所處位置時間顯示出實時天體位置.在Stellarium中選擇人造衛(wèi)星進行錄屏(圖2)，課堂播放視頻，學(xué)生觀察到部分人造衛(wèi)星位置發(fā)生變化，部分卻相對靜止，得到同步衛(wèi)星特點.

圖2 人造衛(wèi)星實時位置

表1列出圖2中部分人造衛(wèi)星距離地面的高度h(在Stellarium軟件衛(wèi)星參數(shù)中即可查得)，圖3(a)、(b)展示軌道與地球半徑的大小差距，得到近地與高軌衛(wèi)星特點.

表1 部分人造衛(wèi)星距地面高度

圖3 人造衛(wèi)星軌道高度對比

通過使用Stellarium，一方面向?qū)W生展示該軟件功能激發(fā)學(xué)生對天文的興趣，一方面在宇宙沙盤(一款基于物理法則的宇宙模擬器，可以通過改變參數(shù)設(shè)定行星氣候、重力、天體運行及碰撞等)上做出模擬圖，從數(shù)據(jù)還原到現(xiàn)象，使學(xué)生能夠更加直觀地感受到人造衛(wèi)星軌道高低情況與地球半徑的對比.

問題4：人造衛(wèi)星如何進行變軌？

以嫦娥四落月全過程設(shè)計情境，展示如下.

2018年12月8日凌晨2時23分——中國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用運載火箭成功發(fā)射嫦娥四號探測器．

2018年12月12日16時45分——嫦娥四號探測器到達月球附近，成功實施近月制動，進入近月點100km環(huán)月軌道．

2018年12月30日8時54分——嫦娥四探測器發(fā)動機點火開始實施變軌制動，由距月面平均高度約100km的環(huán)月軌道，進入近月點高度約為15km，遠月點高度約為100km的環(huán)月軌道.

2019年1月3日10時26分——嫦娥四號探測器從距離月面15km處開始實施制動下降，在距月面100m處開始懸停，進行緩速垂直下降，最后著陸于月球背面南極——艾特肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑內(nèi).

先從能量轉(zhuǎn)化與守恒角度引導(dǎo)學(xué)生思考嫦娥四在近月降軌過程中，重力勢能增大從而動能減少，故應(yīng)通過減小速度實現(xiàn).

打開宇宙沙盤，創(chuàng)建地月系模型，演示嫦娥四在近月后的基本過程.通過改變速度參數(shù)，實現(xiàn)環(huán)月、降軌直至落月.具體如下.

環(huán)月：為了方便觀看選擇軌道距月球表面1 689km處軌道放置衛(wèi)星，將學(xué)生計算所得數(shù)據(jù)與沙盤參數(shù)(圖4)比較．此時v1=1.22km/s.

圖4 環(huán)月模擬圖

降軌：從能量轉(zhuǎn)化與守恒角度引導(dǎo)學(xué)生理解降軌過程中重力勢能增加，動能減少，故應(yīng)減速．調(diào)整速度參數(shù)，觀察軌道的變化，如圖5所示，讀出遠地點和近地點環(huán)繞速度，比較其大小，思考變化原因.此時v遠=1.10km/s，v近=1.62km/s.

圖5 減速降軌模擬圖

落月：再次減小速度，衛(wèi)星降落月面，如圖6所示．

圖6 落月模擬圖

假如要使衛(wèi)星在距月面約776km的圓軌道上穩(wěn)定運行應(yīng)如何操作？學(xué)生先計算所需速度參數(shù),在軟件上輸入驗證結(jié)果.

對比嫦娥一與嫦娥四運行過程，發(fā)現(xiàn)嫦娥一在發(fā)射階段還進行了一系列升軌接近月球，提問：升軌又是怎樣實現(xiàn)的？軌道會如何變化？

小結(jié)：本節(jié)最令你印象深刻的內(nèi)容是什么？談一談你對本節(jié)開頭齊奧爾科夫斯基“地球是人類的搖籃，但人類不可能永遠被束縛在搖籃中”這句話的看法.

該節(jié)教學(xué)涉及天文學(xué)方面知識，運用了宇宙沙盤和Stellarium兩款天文愛好者常用軟件，加入中國航天事件.因此發(fā)言內(nèi)容不限于物理教材上所要求的知識，應(yīng)鼓勵學(xué)生各抒己見，從人文到天文地理，不限學(xué)科暢所欲言.使得他們在本節(jié)課內(nèi)化持久保留于頭腦中的內(nèi)容不局限于物理一門學(xué)科，而是能遷移至其他學(xué)科及新情境中.

我們強調(diào)大觀念的持久性、抽象性、聯(lián)結(jié)性.本節(jié)教學(xué)中，多采用圖像、視頻及模擬真實情景等手段替代數(shù)據(jù)與文字描述，重視獲取知識的方式方法，加深理解促進內(nèi)化.設(shè)計小組合作討論與學(xué)生自主探究活動，得出基礎(chǔ)知識之上的總結(jié)與推論，重視知識和原理的深度理解和靈活應(yīng)用[5].以4個基本問題為導(dǎo)向，兩個情境問題為遷移手段，由淺層學(xué)習(xí)走向深度學(xué)習(xí)，由單一學(xué)科走向跨學(xué)科.實現(xiàn)概念和規(guī)律在學(xué)生頭腦中的提煉與升華，建構(gòu)本節(jié)對應(yīng)的相互作用觀、時空觀、能量觀等物理觀念.