《第一章 运动的描述》学习过程

  (一)本单元的概念结构图如下


  在初中学习速度、路程基础上进一步学习质点、参考系、位移、速度、加速度等概念,学习深入描述运动,拓展和深化机械运动这一核心概念。本单元概念是进一步学习匀变速直线运动规律的基础,也是今后学习更复杂的曲线运动,发展运动与相互作用观念的基础。,在归纳抽象、概念建立、分析论证、逻辑推理、实验探究等思维能力与核心素养方面都实现了进阶。依据学习内容、学情分析和教学目标设计学习过程进阶图如下。

机械运动概念进阶图

  (二)学习过程设计的说明

  学习进阶层级设计及解读:

  L1层级在对运动的感性认识的基础上建立质点模型、参考系两个科学概念对运动进行定性与粗略的描述。由内容分析和学情分析可知质点模型是学生进入高中后学习建立的第一个理想化模型,在质点模型的建构过程中要注重让学生体会理想化模型建立的条件和过程,通过列举大量的实例进行分析,让学生充分体会“抓住主要因素,忽略次要因素”的科学方法是抽象物理模型的重要手段。本层级对运动的描述从定性过度到定量,为了把物体在各个时刻的位置精确地描述出来,在参考系的基础上建立恰当的坐标系,利用数学的方法准确描述物体各个时刻的位置。将位置与时刻两个概念相对应起来,让学生体会利用数学工具定量描述事物的基本思路,同时了解如何从时空两个维度对运动进行简单的描述。

  L2层级上通过位置变化定义机械运动的概念,并定义位移的概念。从时间的积累效果和空间的位置变化两个维度,学习和体会如何进一步定量描述机械运动。位移是学生学习的第一个矢量概念,要通过大量的事实举例让学生真正体会到位移方向的物理意义,体会到位移的方向和大小在描述运动时同等重要,缺一不可。利用位移-时间图像,将时空两个维度的物理量更加直观对应起来,图像的横纵坐标可以清晰地反映出位置随时间的变化情况,在匀速直线运动的x-t图像中讨论位移与所对应时间的比值的物理意义,进而对非匀速直线运动分析讨论图像切线的斜率的意义,为从形象与抽象两个角度理解速度概念做好铺垫,也让学生学会借助数学工具,简洁、直观、精确地描述物理过程。同时渗透认识事物视角如何从不变延伸至变化,从状态拓展至过程。

  L3层级在大量事实经验基础上经历比值定义速度概念的过程,体会速度概念如何定量描述物体运动的快慢和方向。分析讨论速度概念的物理意义和内涵,初步认识“变化率”概念。借助位移-时间图像,分析位移随时间的“平均变化率”与“瞬时变化率”的区别,找到“平均变化率”与平均速度概念对应,“瞬时变化率”与瞬时速度概念对应,让学生学会挖掘图像中的隐藏信息。从“平均速度”过渡到“瞬时速度”时,通过对运动过程的无限分割,利用极限思想实现速度概念的进阶,理解瞬时速度概念如何精确描述某一时刻或某一位置的运动快慢,发展学生的推理论证和抽象思维能力。本层级学生经历“测量纸带的平均速度和瞬时速度”的实验探究过程,让学生通过实验事实进一步理解平均速度和瞬时速度概念,体会物理实验在物理学科中重要地位,培养学生的实验探究能力,发展逻辑推理与抽象思维能力。

  L4层级在诸多实际情景中提出比较“谁的速度变化的快”这样的问题,让学生体会加速度概念建立的重要意义,进而类比速度概念的定义过程,利用比值定义物理量的方法定义加速度,更加精确地描述质点的运动。在本层级在学生原有认知基础上,通过大量的实际情境讨论深化速度概念的理解,建立和理解速度变化量概念,进而提出速度变化率——加速度概念。将“矢量”、“比值定义法”、“图像法”、“变化率”、“极限思想”等重要的概念和思想方法,再一次呈现并综合应用,在循序渐进策略中让学生实现思想方法的内化及逻辑推理和抽象概括能力的再次提升。在本层级通过“实验测量加速度的大小”这一分组实验活动,让学生参与实验原理讨论,设计实验方案,动手操作实验过程,处理和分析实验数据以及误差等学习过程,培养学生实验探究能力,体会理论与科学实践之间的联系。

  L5层级是在定义速度、加速度概念基础上,对跨学科概念“变化率”进行拓展和应用,使学生体会变化率不仅在描述运动的变化过程中起着非常重要的作用,在其他学科领域,也有重要的意义。本层级的设计是引导学生体会用变化率概念来描述除运动以外的其他事物变化的快慢,让学生体会到变化率作为跨学科概念的意义和价值,拓展学生对变化率概念的理解,帮助学生建构跨学科知识体系和方法体系。

  (三)跨越层级的活动设计

  【活动一】感受位置变化与路程的区别

  任务情景:一位同学从公园的广场上某一点O出发,向东走了40m,到达A点,然后向北走了30m,到达B点。

  任务一:请在纸上设计坐标系,在坐标系中标出A、B两点的位置;

  任务二:分别说出第一个过程的位置变化、第二个过程的位置变化和全过程的位置变化。

  活动目的:让学生巩固L1层级上应用坐标系准确描述质点位置的方法,同时让学生体验“位置变化”和“路程”的区别,帮助学生做好从L1层级向L2层级跨越的准备。

  【活动二】思考描述运动的快慢的方法

  任务情景:家住北京的小明计划和家人一起去上海游玩,他能选择三种出行方式:乘坐京沪高铁从北京到上海,用时6小时;乘坐飞机从北京到上海,用时2小时;自己开车走高速公路从北京到上海,用时18小时。

  任务一:请你查阅相关资料,比较三种出行方式的位移相同吗?路程相同吗?

  任务二:三种方式中,哪种运动最快?哪种运动最慢?说说你是如何进行比较的?

  提示:用位移还是路程进行比较,两者物理意义有何不同?

  任务三:请讨论如果两种运动的位移和时间都不相同,怎样比较他们运动的快慢呢?

  活动目的:通过该任务帮助学生从描述质点“位置的变化”向描述质点“位置变化的快慢”的问题过渡,帮助学生建立“位移”和“速度”两个概念的关联,对运动的快慢描述有思考,实现从L2层级向L3层级的跨越

  【活动三】思考“描述速度变化快慢”的方法

  任务情景:某次地铁列车,从静止开始加速离开站台,经过2分钟,速度增加到90千米/小时,在进入下一站之前,列车开始减速,速度从90千米/小时减速到零,用时69秒。

  任务一:说出列车进站和出站过程速度的变化量,结合实际比较说明二者的区别?

  任务二:可以用速度的变化量来表示列车进站和出站过程速度变化的快慢吗?说出你的理由?

  活动目的:通过对地铁列车进出站过程的提问,帮助学生理解“速度变化”的大小和方向,为下一个层级加速度概念的理解做铺垫。同时引发学生对描述“速度变化快慢”问题的思考,让学生感受到为了更精确地描述运动,建立加速度概念的必要性。帮助学生做好从L3层级向L4层级跨越的准备。

  【活动四】体会“变化率”概念的意义

  任务情景:某个男同学从出生到18岁的身高变化如下表所示。

  任务:试比较该男同学从1岁到3岁、7岁到9岁、15岁到18岁三个时间段,身高变化的快慢。

  活动目的:通过了解男同学“身高的变化率”,让学生将“变化率”这一跨学科概念拓展至物理学科以外的领域,发展学生的综合能力。帮助学生做好从L4层级向L5层级跨越的准备。


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