【教学设计】必修二 万有引力与宇宙航行 单元概览

11/11万有引力与宇宙航行单元概览一、单元目标分析1单元教学设计思想2017版高中物理课程标准指出，高中物理课程的目标旨在进一步提升学生的物理学科素养，为学生终身发展奠定基础，促进人类科学事业的传承与社会发展。由于核心素养具有综合性、发展性和实践性等特征，在当前课程改革背景下，单元教学设计成为促进学生深度学习而达成学科核心素养课程目标的重要途径。单元教学设计聚焦大概念、大思路、大情境、大问题是发展学生物理核心素养的内在要求，这四个方面是单元教学设计的灵魂。学习进阶是对学生的思维由简单到复杂、由浅入深的层级刻画，并且已经应用到课程、教学与评价的广泛领域。基于学习进阶设计的单元学习过程可以清晰地呈现单元学习层级、促进学习层级跃迁的知识内容、伴随认知发展的素养发展规划、促进深度学习的学习方式安排与物理情境创设等内容。2单元教学内容分析本章内容包括从人类认识天体运行的地心说、日心说，到开普勒行星运动定律进而追寻内在规律，并通过理论探究推导出万有引力定律，接着应用万有引力定律取得解决天体质量测定、发现未知天体和预言彗星回归等成就，以及用万有引力来解释宇宙航行。在此基础上又拓展学生的认知，认识到牛顿力学的伟大成就与局限性，树立科学的发展观。整个单元教学内容逻辑紧密，在整体上向学生展示了整个科学规律的发现和应用的历程以及人类宇宙观的一次次转变，展现了科学家富有创造而又严谨的科学思维与科学态度。本单元的知识和思维关系如图1所示：图1万有引力与宇宙航行知识和思维结构图从发展学生学科核心素养的角度看，本单元提供了丰富的素材。通过研究行星的运动可以强化学生的运动与相互作用观，通过学习开普勒行星运动定律及万有引力定律等物理规律，丰富了学生对时空的理解，凸显了科学思维的力量，认识到科学研究中质疑与创新的重要性，体会模型建构的思维过程。通过对万有引力定律的应用展示经典力学的巨大价值，通过对我国航天事业的介绍与展望，进行爱国主义教育，帮助学生形成探索自然的内在驱动力。图2万有引力与宇宙航行学习层级图在基于真实情境认识行星运动的基础上，通过物理学史的阅读学习，了解认识行星运动的不同阶段和不同观点，明确研究方法，学习如何构建合理的运动模型，一方面从观察实践到对数据的严格运算总结得到结论，另一个方面从逻辑分析理论推导总结得到结论。学生的学习过程从运动到相互作用，再到应用拓展，认识提升，形成一个清晰的进阶路线（如图2所示）。从帮助学生形成解决问题的大思路看，单元学习过程设计不仅应该重视概念、规律等显性知识，还应该注重挖掘隐藏在显性知识背后的程序性知识和反省认知策略知识。本单元知识背后隐含的学科核心素养、科学思想方法和思维方式的一些具体表述如表1和表2所示。表1《万有引力与宇宙航行》单元隐含的核心素养与科学思想方法举例知识点教学价值行星的运动运动观、归纳法、科学态度与责任、科学本质万有引力定律相互作用观、模型建构、科学探究、演绎推理、科学论证、统一观念万有引力定律的成就模型建构、理论联系实际、科学探究、科学本质宇宙航行运动和相互作用观、模型建构、推理论证相对论时空观与牛顿运动定律的局限性科学推理、科学态度与责任表2《万有引力与宇宙航行》单元隐含的重要思维方式举例思维方式教学内容举例思维训练问题参考归纳法开普勒通过整理大量观测数据分析归纳总结出了开普勒行星运动定律。参考人教新课标教参教学片断：《托勒密的地心说和哥白尼的日心说》1.地心说和日心说的基本观点分别是什么？2.关于运动的描述，地心说和日心说有哪些相似的地方？3.从运动学的角度看，地心说和日心说的区别是什么4.为什么最终日心说战胜了地心说？理论推导和实际证据相结合首先通过理论推导得出万有引力定律，然后通过“月-地检验”验证万有引力定律参考人教新课标教参教学片断：《引力方向和大小的探究》《月-地检验》模型建构在“称量地球质量”“计算太阳的质量”“计算宇宙速度”等过程中，首先要建构模型。参考人教新课标教参教学片断：《如何称量地球的质量？》《计算天体的质量》《多大的速度才能成功发射人造地球卫星》3学生学习情况分析3．1学习基础分析从已有的知识结构看，学生具有初步的运动和相互作用观。学生在学习本单元内容前，对力、重力、速度、加速度、向心力、向心加速度等重要概念有较好的理解，掌握了平抛运动和匀速圆周运动的规律，能熟练应用牛顿运动定律解决动力学问题。从认知基础方面看，学生知道解决问题需要建立物理模型，知道建立模型需要抓住主要因素，忽略次要因素。学生具有一定的科学推理和科学论证的能力，了解科学探究的基本思路。3．2学习困难分析学生对天体运动的研究缺乏观察的条件，对天体运动的实际图景缺乏真实的感性认识，对天体运动的本质原因，未有过认真的思考和研究。所以，本单元内容对学生而言较为抽象，对学习者的科学思维能力提出了较高的要求。与万有引力定律相关的问题对学生的空间想象能力、类比思维能力、逻辑推理能力要求极高，而这些能力又恰恰是学生思维的短板。再有，本单元涉及的物理知识比较多，在模型建构的过程中学生容易弄混M、m、R、r、h、环绕速度、第一宇宙速度等物理量的含义。4单元教学目标设计课标素养名称单元学习目标物理观念（1）运动与相互作用观念了解开普勒行星运动定律；理解万有引力定律及其意义，了解引力常量在科学史上的重大意义；知道地球上的重物下落与天体运动的内在统一性；会计算天体的质量、人造卫星的线速度、第一宇宙速度，知道三个宇宙速度的含义；初步了解相对论时空观，知道牛顿力学的局限性。科学思维（1）模型建构能够将天体运动抽象成匀速圆周运动的模型，培养学生的模型建构能力。（2）科学推理用牛顿运动定律和开普勒第三定律推导万有引力的表达式，培养学生的科学推理能力；能根据万有引力与重力的关系、万有引力提供向心力等进行推理论证，解决天体运动的问题；能用与万有引力定律相关的证据解释一些天文现象。（3）科学论证利用“月地检验”培养学生的科学论证能力。科学态度与责任科学本质认识万有引力定律发现的重要意义，认识科学定律在人类探索未知世界中的作用。科学态度通过开普勒等物理学家的科学活动，体会科学家们实事求是、尊重客观事实、敢于坚持真理和勇于探索的科学态度和科学精神。（3）社会责任通过对人造卫星的学习，感受航天成就（科学成就）正改变着人类的生活，同时也要体会到人类为此付出的代价和艰辛。二、单元活动设计1单元课程整体设计大概念知识内容规划思维、能力发展规划大情境创设情境描述情境问题万有引力定律微专题1：从运动的角度认识行星运动拓展对运动多样性的认识，认识科学观测能力和归纳概括能力在科学发现中的推动作用。天问一号的发射与运行问题1：天问一号在绕地轨道上做什么运动？问题2：天问一号绕地运动的周期与距离地球的远近有什么关系？微专题2：从相互作用的角度研究行星运动结合万有引力定律的发现过程，进一步领会理论推导和实际证据相结合的科学思维方法在科学发现中的意义。问题3：是什么力使天问一号能够绕地运动？问题4：天问一号与地球之间的引力大小和方向是怎样的？微专题3：应用规律探究天体运动了解和关注物理学定律与航天技术等现代科技的联系，认识科学定律对人类探索未知世界的作用，从万有引力定律的普适性认识自然界的统一性。了解牛顿力学对航天技术发展的重大贡献（“…我想现在是牛顿在驾驶”），理解牛顿运动定律的普适性，进一步拓展对力与运动关系的认识。问题5：怎样计算地球和太阳的质量以及密度？问题6：如何将天问一号发射进入绕地轨道？问题7：如果将天问一号直接发射到火星需要满足什么条件？问题8：如果要使天问一号飞出太阳系又需要满足什么条件？微专题4：关于时空观的认知升级通过对行星运动规律、牛顿力学的局限性与相对论初步的学习，认识到科学研究包含大胆的想象和创新，体会人类对自然界的探索是不断深入的。问题9：万有引力定律的适用范围是什么？问题10：对于高速、微观领域有哪些适用理论？2单元学习过程设计本单元的学习分为从运动的角度认识行星运动、从相互作用的角度研究行星运动、应用规律探究天体运动和关于时空观的认知升级4个层级，具体学习过程设计如下表所示。层级学习设计具体内容层级1：从运动的角度认识行星运动问题情景创设创设两种情境：(1)太阳系内行星的运动；(2)天问一号的运行。针对以上情境提出以下参考问题：问题1：地心说和日心说的相似点和区别是什么？问题2：为什么最终日心说战胜了地心说？问题3：天问一号在绕地轨道上做什么运动？问题4：天问一号绕地运动的周期与距离地球的远近有什么关系？知识内容安排地心说与日心说、开普勒行星运动定律物理学科核心素养发展规划了解人类对行星运动认识的发展过程和相关科学家们的观点，体会科学研究的态度和精神；认识到科学研究一般是在现象观测的基础上，建构模型并不断修正模型，使其逐步接近真实，形成规律。主要学习方式设计课前以自主学习为主，了解相关物理学史；课上小组汇报交流，了解并比较描述行星运动的不同观点；通过探究，了解开普勒行星运动定律。学习重难点突破资源（1）利用视频、影像、文字资料呈现人类对行星运动规律的认识过程：例如微课《开普勒定律》《开普勒第三定律的应用》（2）查找并分析太阳系行星运动轨道的相关数据，试着发现规律。学习反馈检测要点及方式要点：开普勒行星运动定律。方式：利用课前导学案了解课前学习情况；课堂通过观察、提问反馈学生的学习效果；课后练习侧重对开普勒定律的理解。学习时间计划1课时层级2：从相互作用的角度研究行星运动问题情景创设创设情境：太阳系各大行星绕太阳运动。针对以上情境提出以下参考问题：问题1：行星绕太阳的运动能否视为匀速圆周运动？问题2：什么原因使行星绕太阳运动？问题3：行星绕太阳运动、月球绕地球转动、地面上苹果下落，它们之间的力是不是同一种力？如何验证？问题4：如何设计实验测量常数G？知识内容安排万有引力定律、万有引力常量G的测定及其意义。物理学科核心素养发展规划经历探究万有引力定律发现的思维过程，发展相互作用观和科学思维能力；了解卡文迪许实验的巧妙和意义，认识到测定物理常量在科学研究中的重要性。主要学习方式设计通过科学探究，建立万有引力定律；通过自主学习与交流，了解万有引力常量G的测定方法及其在科学史上的意义。学习重难点突破资源（1）由于发现万有引力定律属于理论探究过程，所以关键资源是把大任务分解成一个个相互连接的具体的小问题，引导学生用所学的知识逐步深入解决问题；（2）卡文迪许扭秤实验：例如微课《引力常量的测量》。学习反馈检测要点及方式要点：（1）发现万有引力定律的探究过程；（2）对万有引力定律的理解。方式：通过课堂探究报告呈现学生思维发展的路径，评价目标的达成度；通过课堂练习和课后检测帮助学生理解和巩固规律。学习时间计划2课时层级3：应用规律探究天体运动问题情景创设创设两种情境：（1）地球上随地球一起自转的物体。（2）天问一号的发射与运行。针对以上情境提出以下参考问题：问题1：以地心为参考系，地面上物体的运动和受力情况是怎样的？问题2：赤道上物体的向心加速度和重力加速度的大小是多少？问题3：请通过推导说明卡文迪许是如何“称量地球质量”的？问题4：这种方法能否测量太阳的质量？问题5：将物体沿水平方向抛出，随着抛出速度的不断增大，物体的运动情况是怎样的？问题6：如何将天问一号发射进入绕地轨道？问题7：如果将天问一号直接发射到火星需要满足什么条件？问题8：如果要使天问一号飞出太阳系又需要满足什么条件？知识内容安排重力和万有引力的关系、天体质量的计算、人造卫星、宇宙速度、发现未知天体、航天事业的发展。物理学科核心素养发展规划通过交流讨论建立物理模型、计算天体质量、归纳解决天体运动的大思路；了解人造卫星的构想，进一步发展运动和相互作用观；认识万有引力定律发现的重要意义，培养学生科学研究的能力和态度。主要学习方式设计通过师生双方的讨论交流，梳理解决天体运动的思路；通过自主学习与交流，推导第一宇宙速度，理解三个宇宙速度的意义；通过撰写研究报告了解万有引力定律的科学成就。学习重难点突破资源（1）设计学案，将大任务拆解成小问题：例如参考教学方案、教学课件。（2）视频、动画呈现天体运动和人造卫星的发射，要求学生设计并画图表示卫星发射、近地卫星、同步卫星等轨道示意图：例如知识解析《同步卫星》、情境素材《天问一号着落火星过程动画演示》《嫦娥五号》。学习反馈检测要点及方式要点：（1）天体运动空间模型的建构；（2）应用万有引力定律解决天体运动的大思路。方式：设计课前导学案，引导学生预习并反馈问题，为课堂教学提供依据；设计代表性强的课堂和课后检测题，针对学生问题进行针对性辅导。学习时间计划2~3课时层级4：关于时空观的认知升级问题情景创设创设情境：设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射一束激光。针对以上情境提出以下参考问题：问题1：根据速度的合成，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少？问题2：迈克尔逊-莫雷实验的直接结论是什么？为什么实验观测结果和运动的合成结果不一致？问题3：爱因斯坦是如何解决这个矛盾的？知识内容安排相对论时空观、牛顿力学的局限性物理学科核心素养发展规划通过科学推理了解狭义相对论的基本假设和相对论时空观，正确认识牛顿运动定律的发展和适用范围，认识科学真理的相对性。主要学习方式设计学生课前自主查阅资料，了解牛顿力学的成就与局限性，课堂汇报交流；以问题引导、自主阅读和师生讨论的方式了解相对论时空观、宇宙的演化。学习重难点突破资源相对论时空观是难点，没有生活经验的支撑，使学生接受相对论基本观点的主要路径是运用推理的力量，因此重在情境和问题的设计。学习反馈检测要点及方式本层级内容要求不高，学生通过学习了解即可。学习时间计划1课时3单元教学过程设计本部分内容以层级2为例，说明教学设计过程与教学策略选择。层级2的核心任务是让学生经历理论探究万有引力定律的过程。探究万有引力定律是一个综合性的大问题，在模型建构、科学推理和论证方面对学生的要求很高，因此首先要创设情境，把这个大问题拆解成一个个小问题，引导学生思维逐步深入，才能够让学生以现有的知识基础置身于历史背景下，真正经历一次“发现”万有引力定律的思维过程。学生思维发展过程如图3所示。图3《从相互作用的角度研究行星运动》思维导图具体教学环节和问题设计如下：环节1建构行星围绕太阳做匀速圆周运动的模型情景创设：太阳系八大行星轨道示意图。问题：（1）行星绕太阳的运动轨道能否视为圆轨道？（2）什么原因使行星围绕太阳运动？环节2推导太阳对行星引力的表达式情景创设：质量为m的行星围绕质量为M的太阳做半径为r的匀速圆周运动。问题：（1）你认为太阳对行星的引力可能跟哪些因素有关？依据是什么？（2）利用牛顿运动定律和开普勒第三定律，推导太阳对行星的引力的表达式？（3）推导出的这个规律的适用范围是什么？环节3月地检验情景创设：天上月球围绕地球公转；地面上苹果下落。资料：在牛顿时代，地球表面的重力加速度g、月地的距离r、月球的公转周期T都能精确的测定，已知r=3.8×108m，T=27.3天=2.36×106s，g=9.8m/s2，月地的距离r为地球半径R的60倍。问题：（1）月球为什么围绕地球公转？地面上苹果为什么下落？（2）分析说明地球对月球的引力、地球对苹果的引力和太阳对行星的引力是否可能是同一种力？①假设苹果与地球、月球与地球之间的引力都符合行星与太阳间的引力规律，月球围绕地球做圆周运动的加速度a1和地面上苹果下落的加速g的比值是多少？②依据天文测量结果，月球实际运行的向心加速度a2和重力加速g的比值是多少？③由以上两个比值结果可以得出什么结论？环节4万有引力常量G的测定情景创设：动画展示并介绍卡文迪许扭秤实验的构造、实验过程。问题：（1）说明卡文迪许扭秤实验的设计巧妙在哪里？（2）引力常量G的测定有何实际意义？三、单元学习评价设计本部分从诊断性评价和终结性评价两方面说明单元学习评价设计。1诊断性评价设计教学中应在精准诊断的基础上确定合适的教学方式。诊断性评价应基于“阶”之间的连接设计问题，目的是巩固前一层级的学习内容，并诊断后一层级的学习准备情况。题目的设计要针对层级间学习进阶的关键点。例如，在学习层级2万有引力定律之后，可以设计如下问题：自然界中任何两个物体间都有万有引力，请你应用合理的数据对下列问题进行计算说明。