基于逆向思維的高中物理單元教學設計

李丹艷 李衛東

(延安大學物理與電子信息學院 陜西 延安 716000)

傳統的教育存在兩大誤區：一個聚焦灌輸的教學和一個聚焦活動的教學[1].灌輸性教學強調教師的主導作用,而忽視了學生的主體參與.根據固定的教材,和擅長的教法站在教師的角度思考,教什么,怎么教.學習成果也主要體現于教學活動結束后物理知識檢測的分數中,這也就是說大多數教師只關注自己的教而不是學生的學.更極少有教師去站在學生的角度去思考如何設計一個更符合學生思維發展的教學設計.此時逆向教學設計為傳統的教學設計開辟一條新途徑.我們可以在教學活動前先思考制訂的教學目標達到預期的目標是什么？有什么證據可以證明學生達到了預期目標？在據前兩個基礎下,去設計學習體驗和教學.

1 逆向教學設計

在反思傳統教學設計不足的基礎上美國課程與教學領域的專家Grant Wiggins和Jay Mc Tighe提出了新的教學設計模式——逆向設計,逆向設計強調“以終為始”優先考慮學習次序,即教師在思考教與學活動前先考慮此類學習要到達的目的是什么,從學習結果開始思考的逆向設計.包括如圖1所示的3個階段.

圖1 逆向教學3階段

逆向教學設計第一階段中,我們需要思考教學目標是什么.第二階段確定合適的評估證據,這階段是我們要確定學生是否達到了預期的結果,找出證據證明學生的理解與掌握程度.根據收集到的評估證據來思考單元或課程,即鼓勵教師在設計課程或單元前思考如何確定學生是否已經達到預期的理解.第三階段是要設計學習經驗及教學活動.

2 單元學習

深度學習：就是指在教師引領下,學生圍繞著具有挑戰性的學習主題,全身心積極參與,體驗成功,獲得發展的有意義的學習過程.深度學習能力劃分為3個方面：認知能力、人際能力、個人能力[2].深度學習提倡單元學習,要求建立好學科核心素養與學科核心內容之間的關系.開展單元學習有4個重要的環節,選擇單元學習主題,確定單元學習目標,設計單元學習活動,開展持續性評價,按照逆向設計思路將單元學習環節進行改進，如圖2所示.

圖2 逆向思維單元設計實踐模型

單元是知識結構化的重要表現,也是學科課程實施的單元.逆向思維的單元教學設計分為4個階段.第一階段：先應根據學科課程標準和學科教材內容選定單元教學主題.第二階段：通過對課程標準的研究確定單元學習目標及預期結果,此階段要求課程設計者以終為始,考慮學生在學習某一主題或單元后,能知曉、理解或做什么.第三階段:確定合適的評估證據,即像評價者一樣思考如何才能確定學生是否已經達到預期的結果.第四階段：設計單元學習經驗及教學活動.

3 學習設計體驗與教學

3.1 確定單元教學主題

單元是指學科課程實施的單元,通常是以主題為中心.單元學習主題是指依據課程標準,圍繞學科某一核心內容組織起來的,體現學科知識發展、學科思想與方法,深化或豐富認識世界的方式,激發學生深度參與學習活動的主題.本單元通過磁現象和相關實驗建立了磁場的概念,闡述磁場的基本性質及描述磁場的物理量.其中磁感應強度、磁通量和磁感線、安培力及洛倫茲力屬于本章的核心內容.根據“逆向設計模板”：以高中物理人教版選修3-1,第三章“磁場”單元為例,進行單元設計，如圖3所示.

圖3 磁場單元知識結構圖

課標[3]要求通過對磁場相關知識的學習,讓學生了解磁場的物質性.培養學生的物質觀念.建立磁感線,體會物理模型在解決物理問題時的重要性,通過磁感應強度概念的建立,進一步理解比值定義物理量的方法.探究安培力與洛倫茲力,并分析帶電粒子在磁場中的運動規律及安培力做功與能量轉化的關系.培養學生運動與相互作用觀念和能量觀念.

3.2 確定單元教學目標

教學目標是由物理學科課程目標和核心素養目標組成,單元教學目標應包括學習內容分析、學情分析、單元重難點分析、單元教學目標.

3.2.1 單元學習內容分析

以“磁場”單元的教學設計為例,此章節有很多的基本概念和規律.磁場具有一定的基礎性、抽象性和綜合性.磁場知識的學習通過類比電場學習后需要遷移應用力學和能量知識的學習，具有綜合性.對于本章的學習可以聯系生產生活實際認識磁場,再現并補充已有的事實經驗.體會物理模型在探索物理規律中的應用.分析歸納磁現象的共同本質是由運動電荷產生的.通過與電荷力之間的作用類比,讓學生理解磁場是客觀存在的 .通過實驗探究歸納出安培力和洛倫茲力的大小和方向的規律.體驗探究過程并對實驗結果進行分析與總結.

3.2.2 學情分析

學情分析即對學生的學習情況的分析,包括：(1)學生的前概念和生活經驗,特別是學生存在的錯誤的前概念,例如在學習自由落體時,學生普遍認為重的物體下落的快,而輕的物體下落的慢.(2)學生已有的知識儲備,形成科學概念與規律所用到的建立方法和科學思維及數學等其他科目知識.(3)對新概念的學習是否可以借鑒以往的學習方法,對于學生的認知能力進行大致的評估,確定新知識的學習在學生可接受的范圍內.

3.2.3 單元重難點分析

磁感應強度概念是磁學的基本概念，是學生學習認識“場”的基礎.場概念認識過程中蘊涵比值定義法,即為本單元的重點.安培力是場物質與宏觀導體的相互作用,而洛倫茲力是場物質與微觀電荷之間的相互作用.兩種力都是發展運動與相互作用觀的重要載體.由安培力的表達式推導出洛倫茲力的表達式時幫助學生建立起宏觀與微觀之間的關系.

3.2.4 確定單元教學預期結果

通過對生活中磁場現象的舉例,對磁場有一個認識.通過實驗探究、類比等研究方法,經歷建構磁場、磁感線、磁感應強度等概念的過程.即通過實驗認識磁場,了解磁場強度.會用磁感線描述磁場.通過實驗歸納總結安培力與洛倫茲力的大小與規律；師生合作從力與運動的觀念和能量的觀念分析安培力與洛倫茲力做功與能量的轉化.

3.3 確定合適單元評估證據

物理觀念方面,讓學生回答怎樣理解磁場是一種物質,如何分析安培力做功與能量轉化的關系.培養學生運動與相互作用觀念和能量觀念,分析評價學生回答情況.科學思維方面,讓學生舉例說明哪些物理量是通過類比法的學習得到的,通過與電荷力之間的作用的類比,讓學生理解磁場是客觀存在的觀察學生類比遷移的能力和歸納總結能力.科學與態度層面，讓學生回答有關奧斯特實驗、STS的重要素材“指南針與鄭和下西洋”在現代科技中的應用等.

3.4 學習設計體驗

逆向教學設計活動需要考慮3個問題：

(1)要有效開展學習并達到預期結果,需要哪些知識和技能,哪些活動可以讓學生獲得知識和技能.

(2)根據表現型目標,教師需要教哪些內容,指導學生做什么,以及如何用最恰當的方式展開教學？

(3)要完成這些目標哪些材料和資源是最合適的[4]？

選取單元教學中的部分內容進行教學設計，如表1所示.

表1 “磁場”單元部分內容教學設計

基于逆向思維對磁場、磁感線、磁感應強度、磁場的大小方向的描述等所要達到的預期結果、評估證據和教學過程進行設計.通過對預期結果的設計明確教學目標，更為有針對性地進行教學，提高教學效率.在教學過程中對學生進行分組實驗培養學生的合作交流能力.此教學過程中用到的科學思維方法為轉換法和類比法.例如：將磁場與電場進行類比學習時，學生容易受到固定思維的影響，前面學習描述電場的強弱時我們用到的是電場強度，學生類比電場易將描述磁場的強度的物理量視作是磁場強度，在這里應該著重向學生解釋磁場的強弱的描述應是磁感應強度而非磁場強度.再例如磁感線，因為前部分對電場線的學習而容易將學生的思維引入一種固定模式，而在這部分教學更應注意磁感線與電場線的不同.這樣可以減少學生的認知負荷.

表2是對通電導體在磁場作用這小部分內容進行設計，同樣的基于逆向思維教學過程，設計首先給出了教學內容所要達到的預期結果，對每一個小的知識點都給出所要掌握的程度.再給出評估證據和教學過程.表1的教學設計已經讓學生對磁場、磁現象及磁的特征等基本的物理量有了更為深刻的認識.在此基礎上再來探究通電導體在磁場中的作用.電流對放入其中的小磁針有力的作用，那么要求學生們思考磁場是否對放入的通電導體也有作用呢？教師引導學生進行實驗，觀察分析放置在磁場中的通電導體為什么會運動.教師指出運動是因為受到力的作用，而這個力即為磁場對通電導體的力，稱為安培力.安培力的大小與什么有關呢？教師提出問題，學生進行猜想，與磁感應強度B、通電導體的電流I、導體長度L有關.經過多次實驗探究得出F=BIL.

表2 “磁場對通電導體的作用”教學設計

在實驗中，如果調換磁鐵兩極的位置而使磁場的方向改變，而電流方向不變時，導線的受力方向相反；如果磁鐵兩極的位置不變即磁場的方向不變，而電流方向改變時，導線受力的方向也相反.由此引導學生進行分析，安培力的方向跟磁場方向和電流方向都有關.引導學生進行實驗探究，通過實驗發現：安培力的方向既跟電磁感應方向垂直,又和電流方向垂直.三者之間的關系即為左手定則.在此過程中培養學生的空間想象能力和合作交流作用.