基于UbD理論的物理單元教學設計
——以“機械能守恒定律”教學為例

錢 霞

(江蘇省無錫市青山高級中學，江蘇 無錫 214036)

1 引言

《普通高中物理課程標準(2017年版》明確提出：高中物理課程要注重體現物理學科的本質，從物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四個方面提煉學科育人的價值，要充分體現物理學科對提高學生核心素養的獨特作用，為學生的終身發展，應對現代和未來社會發展的挑戰打下基礎。[1][2]對高中物理教學如何作出調整？華東師范大學鐘啟泉教授提出撬動課堂轉型的一個支點是基于核心素養的單元教學設計。[3]UbD理論是威金斯(G.Wiggins)和麥克泰格(J.McTighe)提出的以“理解為先”(Understanding by Design)框架為基礎的單元設計模式。[4]基于UbD理論的單元教學設計采用的是“逆向設計”，所謂的“逆向設計”就是“以終為始”，從學習的結果開始逆向思考，在開始時就明確預期學習結果。逆向設計主要由三個階段組成，即確定預期結果——確定合適的評價證據——設計學習體驗和教學。[5]筆者以“機械能守恒定律”單元教學為例，對基于UbD理論的物理單元教學設計進行解析。

2 基于UbD理論的“機械能守恒定律”單元教學設計

2.1 根據教材分析確定預期結果

主要解決的問題為：學生應該知道什么，理解什么，能夠做什么？什么內容值得理解？什么是期望的持久理解？

物理課程標準的要求為：(1) 理解功和功率。了解生產生活中常見機械的功率大小及其意義。(2) 理解動能和動能定理。能用動能定理解釋生產生活中的現象。(3) 理解重力勢能，知道重力勢能的變化與重力做功的關系。定性了解彈性勢能。(4) 通過實驗，驗證機械能守恒定律。理解機械能守恒定律，體會守恒觀念對認識物理規律的重要性。能用機械能守恒定律分析生產生活中的有關問題。[1]

“機械能守恒定律”是人教版必修第二冊第八章的內容，它是對動力學問題的進一步展開，在牛頓運動定律的基礎上，引入功和能的關系，得出機械能守恒定律，為解決力學問題開辟新的途徑。同時它也是解決電磁學、熱學等問題的重要根據。利用極限的思想方法將功能關系、能量守恒由特殊推廣到一般。追尋能量守恒的過程為后續的其他守恒量的學習奠定了基礎，如：電荷守恒、動量守恒等等。本章節內容承上啟下，在整個高中物理學習中起著關聯性的作用。

鑒于上述分析，本單元的學習目標可確定為：

(1) 在已有知識的基礎上把功的概念擴展到力與運動方向有一定角度的情況，并能夠解釋正功、負功的實際意義。類比前面的知識，能夠利用極限思想從平均功率推導出瞬時功率。深度理解日常生活中各種功率的物理意義；

(2) 結合具體的實際問題，理解功能關系。利用動力學分析方法、極限思想方法，從定量的角度學習并發展動能、重力勢能等概念；

(3) 通過對真實情境的分析，體會守恒關系是自然界中客觀存在的重要關系，從而深入理解能量守恒定律，逐步學會從能量的觀點和守恒的觀點來分析力學問題；

(4) 在理論推導的基礎上，學會用實驗對理論結果進行檢驗。學生需要在掌握功、功率、勢能、動能這些概念之后，形成能量觀，理解做功的過程伴隨著能量的轉化，做了多少功，就有多少能量發生轉化。期望深刻理解能量守恒定律，能量守恒定律是自然界中最基本的規律。

2.2 從學情出發確定合適的評估證據

為證實學習者的預期學習是否完成，逆向設計要求根據搜集的評估證據來思考單元設計，即在設計特定的單元前，先要思考：如何知道學生是否已經達到預期結果？哪些證據能夠證明學生的理解和掌握程度？評估方式不是單一化的考試，而是呈現出多樣化特征，如：自主思考反饋(撰寫小論文、習題講解等)、小組合作互相評價、微課堂展示等。

在確定合適的評估證據之前，需要對學生已有的知識進行了解，即分析學情。學生在初中已經對功和功率有了初步了解，知道力和物體運動方向相同時功的計算，并且知道力與物體運動方向垂直時，力對物體不做功。學生在初中階段已經初步、定性地接觸了動能、勢能的概念。在高中階段學生已經掌握了勻變速直線運動位移公式、矢量的合成與分解、牛頓第二定律等知識，初步了解了極限思想方法。

基于學情，本單元可以設計如下的評估內容：(1)力與運動方向相同時，W=Fs，力與運動方向垂直時W=0。力和位移均是矢量。學生自主推導出一般情況下功的計算公式，以微課堂展示的形式進行評估。(2) 類比瞬時速度，討論得到瞬時功率。(3) 學生自主思考，利用極限法歸納出重力做功的特點，以微型論文呈現。(4) 結合牛頓第二定律及運動學公式推導出合外力做功與動能之間的關系，學生自主進行習題講解。(5)閱讀相關資料，結合生活實際，追尋能量守恒，形成能量觀念。學生自我總結、反思。

評估方式可以根據學生的實際情況進行適當調整，總體評價方式要注重符合學生的最近發展區，同時又能促進學生的終身發展。

2.3 設計學習體驗和教學活動

教學設計者需要思考幾個關鍵的問題：學習者能夠有效開展學習，同時達成預期的結果，他們需要哪些相關的知識和技能？哪些活動的開展可以使學習者獲得所需的知識和技能？需要選擇哪些合適的材料和資源，需要指導學生做什么？如何用恰當的方式開展教學？根據上述分析設計出關鍵的教學問題和學習活動，如表1所示。

表1

UbD理論下的物理單元教學活動和學習體驗設計是在合理的結果預期和恰當的評估證據下完成的；教學設計注重學情，符合學生的最近發展區，同時又能夠提高學生的核心素養。雖然學生在初中已經對功和能有了初步的接觸和了解，但更多的是停留在定性層面上，定量計算相對較少。

在學習體驗的設計上，就需要更加重視調動學生學習的主動性，引導學生利用已有的知識和經驗，進行自主探究，加深對新學知識的認識和理解。探究實驗不僅要求學生自主動手完成，更注重實驗的設計，有利于學生創新能力的培養。

3 教學反思

基于UbD理論的單元設計主要由確定預期學習結果、確定合適的評價證據和設計學習體驗和教學活動三個階段組成。從預期結果出發，要求教學設計者先要對課程和學生有很好的了解，能夠準確定位學習目標，根據單元核心概念，結合學情進行逆向設計，最后回歸到每個具體的任務上。

“機械能守恒定律”單元教學設計是根據教材分析確定預期結果，再從學情出發確定合適的評估證據，最后設計學習體驗和教學活動，注重學習過程的評價，始終以學生為主體，以發展學生的物理學科核心素養為目標。這個教學過程還需根據學生的實際學情作出調整和修正，真正符合學生的最近發展區，以激發學生的學習興趣，滿足學生對物理學習的期待。