基于核心素养的大单元教学设计案例分析万有引力定律与宇宙航行

2/2基于核心素养的大单元教学设计案例分析：万有引力定律与宇宙航行正文基于高中物理学科核心素养的要求，在培养学生的物理观念、模型构建、科学推理论证的指引下，合理利用教学资源、科学安排教学活动、提升学生能力，教师站位与全书全章的整体架构与设计上，对大单元教学进行科学设计。下文以《万有引力定律与宇宙航行》进行大单元备课实例分析。一、单元规划《普通高中物理课程标准》(2017年版2020年修订)内容要求：=1\*GB3①通过史实，了解万有引力定律的发现过程；=2\*GB3②知道万有引力定律，认识发现万有引力定律的重要意义，认识科学定律对人类探索未知世界的作用；=3\*GB3③会计算人造地球卫星的环绕速度，知道第二宇宙速度和第三宇宙速度。在教科书上为“万有引力与宇宙航行”一章。本单元主要发展学生的相互作用与运动观念、模型建构、科学推理等核心素养，共计需要5课时。二、单元内容和学情分析（一）内容分析本单元主要内容从人类观察认识太阳系行星运动的历史为起点，到开普勒行星运动定律和牛顿万有引力定律的建立，以及万有引力定律在天文学领域中重要作用，人类基于万有引力定律对太空探索和中国航天事业发展成就为结点。充分展现了万有引力定律建立前后长期的科学探究过程和科学规律在科技社会发展应用中的价值。本单元内知识发展逻辑如图所示。通过本单元教学，了解人类早期对宇宙的认识（地心说、日心说），端正学生科学态度，弘扬学生科学精神，培养学生正确的世界观、宇宙观；认识开普勒行星运动定律，培养学生的物理观念；理解牛顿万有引力定律及其建立过程，培养学生的相互作用和运动物理观念，培养学生模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新等科学思维能力；应用万有引力定律解决实际问题，培养学生的相互作用和运动的物理观念，培养学生的科学探究和科学思维。（二）学情分析学生已经有了圆周运动、向心力、向心加速度等方面的知识储备，了解了物体做圆周运动的具体动力学原因。关于牛顿在科学中的贡献，所有学生均知道他提出了牛顿三大定律，少部分学生也听说过并了解万有引力定律。关于人类航天技术的发展、我国航天技术的成就等，学生应该也都有基本的了解，但大多停留于科普或者新闻层面。这些对学生进一步学习本章打下一定的知识性基础。对天体运动的科普性了解是学生学习本章的兴趣的起点，学生希望探索物理现象背后的原理与规律。但是又因为在思维上对牛顿运动定律下的圆周运动的动力学本质理解不够而对新的知识内容掌握不牢，从而对万有引力定律的理解和应用上能力不足，以至于产生畏难情绪。对万有引力定律的建立过程的理解不足表现在对建立模型的能力不够和综合应用已有知识进行科学推理的能力不够，应用万有引力定律解决实际问题上表现为建模能力不够、应用数学方法解决物理问题的能力不够，容易走向机械式刷题和记背模型和套用公式。从现象到本质的过程中，学生需要时间在教师的组织下来理解大质量天体间为什么产生的万有引力、行星为何绕太阳做圆周运动本质原因、万有引力定律是如何在天文观测与人类航天等方面发挥巨大作用的。三、确定教学方法本单元的知识内容与结构较为综合，各部分学习能力的要求也不尽相同。本单元主要教学方法如下：布置课外资料查阅任务、课堂学生交流、教师总结完成相关物理学史和人类航天事业发展的学习。从提出问题-建立模型-探究规律-月地检验-总结规律-引力常量-初步应用的逻辑体系中完成万有引力建立过程，教师引导，学生通过已有知识推导出规律及初步应用规律解决问题。播放视频，建立学生对天体运动的直接感受，教师引导学生建立模型，结合万有引力定律和圆周运动动力学规律来得出万有引力与重力、中心天体的质量与密度、卫星的环绕速度等问题的处理方案。通过的针对性情境案例和设计任务来巩固学生的建模能力与应用数学解决物理问题的能力。四、单元教学目标和教学重点难点（一）单元教学目标1.了解行星的运动理论（地心说、日心说），认识观察是人类认识事物的第一步，是总结规律的基础，体会科学发展的艰难。2.通过万有引力定律的建立过程，体会模型构建、推理论证、类比统一、实践检验等在科学中的重要性。理解开普勒行星运动三定律和万有引力定律。3.了解卡文迪许扭秤实验，体会实验设计的创新意义和实验中对放大思想、对称思想的体现。4.万有引力定律结合圆周运动、动力学等规律解决实际问题，提升学生应用物理规律分析问题解决实际问题的能力。5.认识我国航天事业的发展与成就，激发学生爱国热情和科技强国的信念。（二）教学重点万有引力定律的建立和万有引力定律的应用。（三）教学难点万有引力定律的建立，对天体运动的运动模型与动力学本质的理解。五、单元学习活动设计《万有引力定律》单元学习活动设计课时内容教学重点教学难点物理学科核心素养目标教学目标主要教学活动1.天体运动1.中国古代对宇宙的认识2.地心说与日心说3.开普勒行星运动定律开普勒行星运动定律1.物理观念中的运动观念。2.科学探究中的问题、证据、解释1.了解中国早期对宇宙的认识2.了解地心说与日星说，理解认知的进步与局限性3.理解与应用开普勒行星运动定律4.理解人类认知的局限性与发展性1.学生查找资料课堂交流、教师点评与总结2.播放行星运动视频,学生对行星运动进行描述3.教师总结开普勒行星运动定律并设计问题情境进行规律的应用分析2.万有引力定律1.苹果落地和月球运动的思考2.万有引力的的建立3.引力常量万有引力的的建立1.牛顿万有引力定律的推理演绎过程2.统一性的理解3.万有引力与重力的关系1.相互作用与运动观念2.科学思维中的模型构建、科学推理、科学论证、质疑创新3.科学本质1.理解万有引力定律的建立2.理解提出问题-建立模型-探究规律-月地检验-总结规律-引力常量-初步应用的逻辑体系3.理解扭秤实验的设计思想和G值测定的意义1.从情境到问题，建立合理模型2.引导学生自主推证出万有引力定律3.通过“月地检验”验证万有引力定律的合理性：教师提供数据、提出问题，引导学生利用数学方法对加速度进行探讨，找到加速度与距离之间的关系4.播放扭秤实验视频，讨论设计思想以及思考G值测定的意义5.应用万有引力定律初步解决问题3.语言未知星体计算天体质量1.预言彗星回归2.预言未知天体3.计算天体质量1.建立天体运动的模型2.计算天体质量和密度的方法建立天体运动的模型1.相互作用与运动观念2.科学思维中的模型构建和科学推理1.能够建立天体运动的模型和理解模型中的动力学原理2.理解向心力的来源于效果3.知道万有引力定律的实践意义1.提出情境、学生讨论天体运动的模型2.提出问题、学生根据动力学关系计算天体质量和密度4.人造卫星宇宙速度1.人造卫星2.宇宙速度3.同步卫星理解卫星的发射与认识宇宙速度1.理解卫星的发射2.分析卫星的运行规律1.相互作用与运动观念2.科学思维中的模型构建和科学推理3.科学探究中的问题、证据、解释1.理解卫星的发射2.理解不同的发射速度与运动形式的关系3.总结卫星的运行规律1.播放中国卫星发射的视频和三维动画图、北斗卫星系统视频2.提出问题、交流讨论、分析不同发射速度与运动形式之间的对应关系3.对比分析不同卫星的作用及其运行情况5.太空探索太空探索（选学）1.世界航天发展史2.我国航天事业取得的成就科学态度与责任（科学本质科学态度社会责任）查找资料，自主学习六、单元作业设计（一）基础性作业。基础性作业要促进学生对课堂教学内容的落实，即了解、描述和辨识基本物理现象，掌握基本物理概念和物理规律，能够直接使用。【例1】火星和木星沿各自的椭圆轨道绕太阳运行，根据开普勒行星运动定律可知A．太阳位于木星运行轨道的中心B．火星和木星绕太阳运行速度的大小始终相等C．火星与木星公转周期之比的平方等于它们轨道半长轴之比的立方D．相同时间内，火星与太阳连线扫过的面积等于木星与太阳连线扫过的面积【说明】本题涉及的知识内容是开普勒行星运动，目的是巩固对开普勒行星运动定律的认识。【例2】关于万有引力定律F＝，下列说法中正确的是A．牛顿是在开普勒揭示的行星运动规律的基础上，发现了万有引力定律，因此万有引力定律仅适用于天体之间B．卡文迪许首先用实验比较准确地测定了引力常量G的数值C．两物体各自受到对方引力的大小不一定相等，质量大的物体受到的引力也大D．万有引力定律对质量大的物体适用，对质量小的物体不适用【说明】本题涉及的知识内容是万有引力定律，目的是加深对万有引力定律本身的了解和理解。（二）能力提升作业。能力提升作业要能够激发学生思考，促进学生对物理概念和规律的全面系统认识，提升分析、解决问题的能力。【例3】我国计划发射“人造月亮”，届时天空中将会同时出现月亮和“人造月亮”．月亮.和“人造月亮”B绕地球(球心为O)的运动均可视为匀速圆周运动，如图4所示，设∠BAO＝θ，运动过程中θ的最大正弦值为p，月亮绕地球运动的线速度大小和周期分别为v1和T1，“人造月亮”绕地球运动的线速度大小和周期分别为v2和T2，则【说明】本题以“人造月亮”为情境，通过应用万有引力定律、匀速圆周运动向心力等知识的分析问题解决问题，提升学生解决规律的能力、建构物理模型的能力和应用数学处理物理问题的能力。（三）探究拓展作业。探究拓展作业要引导学生树立良好学习态度与科学学习策略，提高学习物理的综合素养与能力。【例4】查询资料，交流汇报：了解地心说、日心说，第谷和开普勒建立的开普勒行星运动定律等，理解宗教与科学的关系。【例5】观看嫦娥一号发射、北斗导航系统、太空课堂等，查阅资料，写作论文，对卫星的发射与运行、同步卫星和中继卫星信息交互、完全失重环境的物理学原理进行分析与理解。【说明】通过文献的搜集、视频观看等多途径，让学生体验发现问题-建构模型-解决问题-得出结论的科学探究与科学论证的过程，落实科学探究的核心素养。七、单元教学评价设计(一)形成性评价1.课堂教学中的活动形成性评价。从学生在教师的引导下进行科学思维与探究、应用数学方法展示出的“万有引力定律”推证过程进行评价，评价学生的建模能力和逻辑表达能力等。2.课时作业的形成性评价。对作业的评价可从学生作业的正确率、典型错误原因分析等角度展开。(二)总结性评价1.论文书写活动形成性评价。对学生论文的质量进行评价，反映出学生查阅资料提取信息的能力、反映出学生科学探究与科学论证的能力。2.以抽象思维、建模能力、科学推理、相互作用与运动观等素养为中心，以真实情境