UbD理論促進學生物理核心素養發展的教學探索*
——以“彈性碰撞和非彈性碰撞”為例

張致遠 王長江

(安徽師范大學物理與電子信息學院 安徽 蕪湖 241002)

1 問題提出

理解是學科核心素養的重要組成,是學科教學的重要目標.近年來,“為理解而教”的教育理念逐漸被國內教育者接受,相關研究明顯增多.文獻[1]梳理了高中物理大概念,對大概念及其統攝下的知識邏輯與思維方法進行分析,力圖幫助學生建立知識層級結構;文獻[2-3]將逆向設計分別運用于物理和化學教學中,提升學生的學科能力等.我們也注意到以往相關研究存在以下不足:

(1)關注逆向設計的“形式”,忽略了注重理解的“本質”.

(2)缺乏將UbD單元設計理論與我國本土學科核心素養相結合的案例.

基于此,本文將著重探究逆向設計的3階段與學科核心素養的關系,力圖培養學生的深度理解能力.

2 UbD理論的主要內容

UbD(understanding by design)是由美國課程改革專家格蘭特·維金斯(Grant Wiggins)和杰伊·麥克泰格(Jay McTighe)提出的新型教學模式.這一模式強調通過“以終為始”的逆向設計達成學生“理解”的目的.

2.1 重在理解(understanding) 指向核心素養

UbD理論以理解“大概念”為核心目標.其中“理解”是智力層面的建構,是人腦為了弄懂許多不同的知識片段而進行的抽象活動[4].理解既包括了對大量事實進行整合、重組,使其具有新的意義;也包括了將已有的觀念、知識和技能以合理的方式遷移應用于實際情境中.理解在認知層面上可分為解釋、闡明、應用、洞察、神入、自知6個側面.

大概念是學科的核心,是將所有子概念進行分析綜合、抽象概括而獲得的來之不易的結果,是所有基本概念的“領導”,是各領域專家思考和感知問題的方式.理解大概念可以使知識系統化,形成知識網絡框架,進而以“俯視”姿態看待一個個基本問題、基本概念,最終實現“理解”目標.

2.2 逆向設計(design) 強調以終為始

UbD理論的逆向設計包括了預期結果、評估證據、學習計劃3個階段.若將逆向設計比作一棵樹,那么3個階段的內涵和象征如下.

2.2.1 預期結果

預期結果強調從學習結果開始逆向思考——為達到學習目標學生需要理解什么?學生需要做什么?并找到本單元的大概念;預期結果在既有目標的規范下明確知識聚合,按照抽象程度由低到高可劃分3個學習結果:習得知能、意義理解、學習遷移[5].預期結果是逆向設計的基礎和根本,象征樹根部分.

2.2.2 評估證據

評估證據要求我們思考哪些證據能夠表明學生已達到了學習目的,為“理解”的目標加了一層“保險”.當我們既明確了學習結果,又有了判斷達到預期結果所需要的完整評估證據后,便能以此為導向,設計出真正指向“理解”的教學活動.

評估證據根據預期結果的要求以及理解6側面的認知維度可分為表現性任務和其他證據.其中表現性任務是指真實的、具有挑戰性的實踐任務;其他證據則包括了問答題、小測驗、考試等.評估證據在逆向設計中具有連接前后、統籌兼顧的作用,象征樹莖部分.

2.2.3 學習計劃

學習計劃以“WHERETO”要素進行:

W(where&what)代表明確教學目標;

H(hook&hold)代表吸引學生注意;

E(equip&experience&explore)代表開展教學活動;

R(rethink&revise)代表學生自我反思;

E(evaluate)代表學生自我評價;

T(tailor)代表針對性教學;

O(organize)代表組織教學活動.

學習計劃是逆向設計的外顯化和最終表現,象征果實部分,逆向設計樹如圖1所示.

圖1 UbD逆向設計樹圖

3 基于UbD理論促進學生核心素養發展的教學設計思路

3.1 目標指向

學科核心素養是UbD“理解”目標的題中應有之義:我們需要將已有的知識和未知的問題情境相結合,用科學思維合理分析,用科學探究實踐操作,最終解決問題,并理解科學本質和大概念.而理解科學本質既有利于學生學習下屬子概念,又可促進學生將知識應用遷移到現實情境中.

逆向設計的方針是“以終為始”,其出發點是以學生為主體、學生是學習的主人、從學生的角度看問題;這與學科核心素養中“促進學生的學習與發展”相一致.因而基于UbD理論的逆向教學設計是促進學生學科核心素養達成的有效途徑,是實現“理解”和“立德樹人”雙重目標的重要方式.

3.2 基本前提

在逆向設計中實現“理解”目標,需要明確兩個基本前提:第一,梳理本節基本概念、學科大概念和大概念間的進階關系,使之具有聯系的邏輯,從而準確提煉.只有準確定位了大概念,才能保證3個階段是一個整體,一切指向大概念的理解;第二,在3個階段中挖掘學科核心素養.核心素養的實現應該充分體現在預期結果、評估證據和學習計劃的設計中.如果逆向設計的3個階段都能夠指向學科核心素養,將大大促進UbD理論與我國本土核心素養教學的結合.

3.3 設計框架

基于UbD理論,在逆向設計的3個階段中尋找有關學科核心素養要素.根據課標的內容要求,將物理學科核心素養的要素有機融入,并表述為習得知能、預期理解、學習遷移3個層面目標;在理解6側面中體現核心素養,并基于此來設計表現性任務和其他證據;在學習計劃中既要以“WHERETO”要素展開,又要在設計意圖中滿足學科核心素養的要求,設計框架如圖2所示.

圖2 UbD設計框架

4 基于UbD理論促進學生核心素養發展的教學示例

“彈性碰撞和非彈性碰撞”選自人教版高中物理選擇性必修一第一章第5節.本節既要求學生對碰撞進行分類和描述,又要求以彈性碰撞和非彈性碰撞為基礎進行模型建構,解決其他物理問題.

4.1 階段一——明確預期結果

逆向設計圖的第一個階段是明確預期學習結果(表1).根據課程標準的要求,我們確定了預期結果3個層次:

表1 明確預期結果

(1)習得知能

碰撞的定義、分類、運動狀態和能量轉化等觀念需要學生將已有的物理情境、物理概念在頭腦中提煉、升華而成[6].因此指向相互作用觀念、運動觀念和能量觀念.

(2)意義理解

對碰撞的本質和學科大概念的挖掘需要學生將已有的概念、規律進行推理、論證,還要在生活中尋找靈感獲得感性認識、在實驗中操作驗證獲得嚴謹數據.因此指向科學思維和科學探究.

(3)學習遷移

對碰撞知識學以致用,將其遷移到生產生活、科研探究當中.因此指向科學態度與責任.

4.2 階段二——評估證據

4.2.1 預期結果與學生表現

如果學生要達成預期結果,需要在“解釋”“闡明”等理解6側面中表現出來:

(1)解釋

將已有的物理觀念與未知的物理問題情境相結合,使概念具有新的意義.本節中學生需要將已有的運動觀念和相互作用觀念應用于碰撞的問題情境中,經過科學推理、論證、交流,最終得到系統性、結構性的概念.

(2)闡明

通過模型建構和一定的物理方法,對碰撞模型重新解構,最終以圖像和數據的形式定量探究.

(3)應用

培養學生應用遷移的能力.本節以“比較3個小球質量”的表現性任務作為課前引入,學生通過合作探究獲得感性認識和直接經驗,因此指向科學探究;并將碰撞知識學以致用于生產生活和科研探究中.

(4)洞察

培養學生的批判性思維和從多角度看問題的能力.本節從多方法、多角度分析碰撞過程;并將多本教材中的同一內容進行對比分析,給出建設性意見和改進方案.

(5)神入

培養學生換位思考的移情能力.本節學生將換位思考以往在學習碰撞時容易出現的問題,對教學難點“為什么難、難在哪里”產生共鳴,最后還要給出解決難點的學習方法.

(6)自知

培養學生元認知能力.本節末尾,學生將對碰撞知識的掌握情況和模型建構能力進行自評與反思,明確未解決的問題,并給出學習計劃.

4.2.2 表現任務和其他證據

根據理解6側面,確定本節的表現性任務和其他證據如下:

(1)表現性任務

1)探究中子的發現過程:扮演核物理學家,根據氫原子核碰撞的實例,探究中子的發現過程.

2)生活碰撞實例演講:扮演科學教師,對教材給出的隕石撞擊地球、網球反彈兩個碰撞實例向大家科普介紹,分析其運動狀態和能量的變化.

3)生活實際情境驗證:扮演運動員,演示保齡球、乒乓球、冰壺間的相互碰撞,驗證彈性碰撞中因質量不同而出現的各種結果.

4)解決近似質量的比較問題:扮演質量檢測員,對若干個體積、質量都相近的小球進行實驗驗證,比較孰輕孰重,并以說明書的形式呈現過程結果.

(2)其他證據

1)問答題:談一談本單元的收獲?生活中還有哪些問題可通過碰撞知識來解決?

2)測試:對任意碰撞情境能夠快速進行模型建構,列舉碰撞后所有可能情況,并定量探究運動狀態和能量轉化.

3)家庭作業:將引入部分的3個小球帶回家,結合本節知識再次判斷孰輕孰重,并用電子天平驗證結果.

(3)學生自我評估與反思

1)自我評估:對物理模型的建構能力進行自我檢測.

2)反思:回顧、反思本節采用的物理方法及推導過程.

4.3 階段三——學習計劃

4.3.1 設疑激趣,引入新課

基本問題：什么是碰撞?碰撞間的作用力有什么特點?

教學活動：完成表現性任務4,教師在本節初始給出上述3個小球,比較三者質量大小.學生分組探究,方式自擬.(A組從同一高度自由下落,比較反彈高度;B組兩兩相互碰撞,觀察碰撞后的運動狀態)

設計意圖：解釋層面,將已有的相互作用觀念、運動觀念與未知情境相結合,使學生對碰撞有了初步感性認識,易于開展之后課程;闡明層面,針對具體問題組內合作、組間討論,對比分析兩種設計思路,評價活動方案的可行性;應用層面,將表現性任務應用于本節開端和結尾,使學生從做中學、學做合一.

對應要素：

H——通過診斷性評價初步判斷學生思維情況,保持學習興趣;

E1——在真實情境中主動探索并發現問題;

E2——對兩小組所給的觀念做初步評定.

4.3.2 模型建構,探究碰撞本質

基本問題：碰撞的分類依據是什么?彈性碰撞和非彈性碰撞的運動狀態和能量轉化各有哪些特點?

設計意圖：闡明層面,通過模型建構以及圖像法、等效替代法使碰撞可視化、連續化.將“動碰靜”的特殊實例推廣至任意碰撞情境的速度、能量求解,具有普遍性;洞察層面,一改傳統對碰撞類型的死記硬背和只用數學方法求解碰后速度大小、能量轉化的弊端,而是先用物理方法定性探究碰撞過程和本質,再利用數學方法定量探究,具有科學性與創新性.

對應要素：

E1——利用已有知識技能去探究基本問題,為學生提供必要的科學方法,實現對基本概念和科學本質的深入理解;

E2——對模型建構能力和物理方法的掌握情況進行自我評估,以便學生完成表現性任務2和3;

R——學生反思對基本概念認識的不足,修改前面初步建立的學科大概念.

4.3.3 拓展概念,科學推理

基本問題：彈性碰撞和非彈性碰撞可以遷移到哪些未知的物理模型?這些物理模型和碰撞之間有什么聯系?

教學活動：自主模型建構,將碰撞模型類比于其他物理模型,并將碰撞產生的內能繼續以各種形式的能量等效替代(彈性碰撞——斜面模型;完全非彈性碰撞——斜槽模型、板塊模型、子彈打木塊模型),最后自我評估本次模型建構的掌握情況.

設計意圖：解釋層面,將已有碰撞知識和未知物理模型相聯系,培養學生科學解釋能力;闡明層面,對碰撞模型進行科學推理、分析,建構出各種物理模型,并將內能等效代替為不同種類的能量;自知層面,學生需要對已學習的碰撞知識進行自我評價與反思,明確問題并設計改進方案,才能更加高效地探究拓展部分.

對應要素：

E1——對基本概念進行拓展探究、模型建構,深入鉆研大概念的內涵;

R——反思總結基本概念的探究過程,并再次修改對大概念的理解.

5 總結

UbD理論強調通過逆向設計促進學生的深度理解.本文初步探索了在逆向設計的3個階段中如何達到物理學科核心素養的要求;并以“碰撞”為例,探索以UbD理論為指導開展物理核心素養教學的新途徑.我們認為,以UbD理論為指導開展核心素養教學,將是一項長期的、值得持續深入探索的課題.