指向深度理解的高中物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)

摘要：隨著新課程改革的不斷推進(jìn)，單元教學(xué)逐漸成為培養(yǎng)學(xué)科核心素養(yǎng)，促成深度學(xué)習(xí)理解的重要途徑，但在具體的教學(xué)實(shí)踐中仍存在評(píng)價(jià)與教學(xué)活動(dòng)關(guān)聯(lián)度不足，對(duì)知識(shí)理解促進(jìn)性不夠等問題。UbD模式的單元教學(xué)設(shè)計(jì)基于對(duì)學(xué)習(xí)單元和學(xué)習(xí)者的深入分析，在確定預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)之后，制訂對(duì)應(yīng)的評(píng)估計(jì)劃，進(jìn)而設(shè)計(jì)有利于學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成和評(píng)估證據(jù)收集的挑戰(zhàn)性任務(wù)活動(dòng)，能顯著促進(jìn)對(duì)知識(shí)的深度理解。本文以“相互作用——力”這一學(xué)習(xí)單元為例，在UbD設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)下進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì)，并實(shí)施融合信息技術(shù)的教學(xué)活動(dòng)。

關(guān)鍵詞：深度理解" 單元教學(xué)" 相互作用" Phyphox

本文系2022年度安徽省教育科學(xué)研究課題“活動(dòng)與體驗(yàn)：ADE模型支撐下物理單元學(xué)習(xí)中挑戰(zhàn)性任務(wù)設(shè)計(jì)的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目編號(hào)為JK22094）；2023年度安徽省教育信息技術(shù)研究課題“Phyphox支持下高中物理實(shí)驗(yàn)校本課程的開發(fā)與實(shí)踐”（項(xiàng)目編號(hào)為AH2023043）的研究成果。

一、單元教學(xué)與深度理解

（一）單元教學(xué)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標(biāo)）指出，普通高中教育應(yīng)著重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)文化素養(yǎng)、終身學(xué)習(xí)能力、自主發(fā)展能力、溝通合作能力等綜合素質(zhì)，這要求我們?cè)趯W(xué)科教學(xué)過程中不僅要關(guān)注學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)最終的理解和掌握，也要注意對(duì)知識(shí)理解的建立過程。學(xué)生的學(xué)科觀念和科學(xué)思維需要在較長的時(shí)間尺度內(nèi)得到培育和發(fā)展，傳統(tǒng)課堂碎片式、分散式的課時(shí)教學(xué)已經(jīng)不適用新形勢下的教學(xué)需求。單元教學(xué)可以用大概念、大情境、大方法等不同的整合方式來確定學(xué)習(xí)主題，在學(xué)習(xí)主題內(nèi)，依托挑戰(zhàn)性大任務(wù)引領(lǐng)的連續(xù)性學(xué)習(xí)進(jìn)程和情境化的學(xué)習(xí)環(huán)境，構(gòu)建出一條學(xué)生學(xué)科能力提升和素養(yǎng)深化發(fā)展的有效路徑。

（二）深度理解

深度理解意味著一種對(duì)知識(shí)在智力層面的建構(gòu)過程，相對(duì)于“知道事實(shí)”“了解規(guī)律”等學(xué)習(xí)層次，學(xué)習(xí)者能對(duì)事實(shí)與知識(shí)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，能解釋相關(guān)規(guī)律或者驗(yàn)證理論的正確性，可以對(duì)看似分散、無關(guān)的元素或事實(shí)進(jìn)行有意義的推斷。已達(dá)成深度理解的知識(shí)或方法具備明顯的可遷移性，學(xué)習(xí)者能在現(xiàn)實(shí)的任務(wù)情境中，合理運(yùn)用知識(shí)解決問題。UbD模式是格蘭特·威金斯等人提出的教學(xué)設(shè)計(jì)模式，該模式倡導(dǎo)“目標(biāo)—證據(jù)—活動(dòng)”的逆向教學(xué)路徑，首先確定預(yù)期的學(xué)習(xí)結(jié)果，包括預(yù)期達(dá)成的學(xué)習(xí)目標(biāo)，進(jìn)而給出指向深度理解的可觀測的評(píng)估證據(jù)，并把評(píng)估證據(jù)的收集融入接下來的教學(xué)活動(dòng)之中，對(duì)學(xué)生達(dá)成深度理解有顯著的正向促進(jìn)作用。

二、“相互作用——力”單元教學(xué)設(shè)計(jì)

（一）明確預(yù)期結(jié)果

在單元教學(xué)設(shè)計(jì)中，教學(xué)目標(biāo)起著對(duì)各個(gè)教學(xué)要素統(tǒng)領(lǐng)的作用，在一定程度上對(duì)課程資源的開發(fā)與實(shí)施有約束的作用，是教學(xué)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，也是教學(xué)過程的終點(diǎn)，因此指向深度理解的教學(xué)設(shè)計(jì)首先要在深入分析學(xué)習(xí)者和學(xué)習(xí)資源的前提下明確預(yù)期結(jié)果。

新課標(biāo)指出本單元的教學(xué)要注重對(duì)學(xué)生物理觀念與科學(xué)探究素養(yǎng)水平的提升，此外相互作用與運(yùn)動(dòng)觀念兩者密不可分。學(xué)生通過本單元的學(xué)習(xí)，要初步意識(shí)到力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的內(nèi)在聯(lián)系，為下一單元?jiǎng)恿W(xué)的深入學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。本單元的主線教學(xué)邏輯是由感受現(xiàn)象到建立概念，由生成規(guī)律到遷移應(yīng)用，單元內(nèi)容自成一體，學(xué)生能在本單元學(xué)習(xí)中經(jīng)歷完整的模塊化觀念和素養(yǎng)的建構(gòu)過程。可以看到，本單元的知識(shí)結(jié)構(gòu)基本遵循“概念—規(guī)律—應(yīng)用”的演變路徑，學(xué)生從最基本的力學(xué)概念逐步接觸到平行四邊形定則、共點(diǎn)力平衡條件等物理規(guī)律，最終面對(duì)一些較復(fù)雜的問題場景，整體知識(shí)結(jié)構(gòu)連貫、關(guān)聯(lián)而又富有進(jìn)階性。通過對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)的深入分析可以發(fā)現(xiàn)，本單元知識(shí)的進(jìn)階性與學(xué)生能力發(fā)展路徑緊密相連，最終指向了學(xué)生學(xué)科觀念的建立和能力的強(qiáng)化。綜合以上分析，單元教學(xué)設(shè)計(jì)階段1如下：

（二）確定評(píng)估證據(jù)

傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)中，一般遵循“目標(biāo)—活動(dòng)—評(píng)價(jià)”的設(shè)計(jì)順序，評(píng)價(jià)措施主要以課時(shí)作業(yè)、單元檢測等階段性、終結(jié)性評(píng)價(jià)為主，與教學(xué)過程本身關(guān)聯(lián)度較低。UbD模式的教學(xué)設(shè)計(jì)由美國學(xué)者格蘭特·威金斯提出后，很快成為美國教育界大力推廣的教學(xué)模式，與傳統(tǒng)教學(xué)設(shè)計(jì)最大的區(qū)別在于評(píng)估設(shè)計(jì)的前置，體現(xiàn)評(píng)價(jià)對(duì)知識(shí)理解的監(jiān)測和促進(jìn)作用。本單元中，學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑是在理解常見的力概念的基礎(chǔ)上，探究得到合力與分力的關(guān)系、共點(diǎn)力平衡的條件，最終能對(duì)實(shí)際生活中較復(fù)雜的過程進(jìn)行抽象建模，解決一些力學(xué)問題。學(xué)習(xí)過程的評(píng)估證據(jù)要結(jié)合情境進(jìn)行收集，一般以可觀測的表現(xiàn)性任務(wù)為主，以紙筆檢測為輔。下面是階段2教學(xué)設(shè)計(jì)：

（三）設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)

新課標(biāo)建議在進(jìn)行概念教學(xué)或規(guī)律探究的過程中要注重情境的創(chuàng)設(shè)，教師引導(dǎo)學(xué)生基于對(duì)情境的分析來凝練概念、發(fā)現(xiàn)問題、探究規(guī)律。在單元教學(xué)中，教學(xué)活動(dòng)可結(jié)合情境性的大任務(wù)呈現(xiàn)，具備挑戰(zhàn)性、結(jié)構(gòu)性、導(dǎo)向性的特征，對(duì)整體教學(xué)活動(dòng)起著的定位與導(dǎo)航的作用。綜合前兩個(gè)階段教學(xué)設(shè)計(jì)，本單元活動(dòng)大任務(wù)最終設(shè)定為“定量設(shè)計(jì)模擬叢林穿梭項(xiàng)目”。

某幼兒園為了綜合鍛煉孩子們的心理素質(zhì)和體能，準(zhǔn)備建設(shè)一座模擬叢林穿梭的項(xiàng)目，可用場地尺寸為長14米、寬15米（約半個(gè)籃球場面積）。假設(shè)你是一名幼兒園環(huán)創(chuàng)設(shè)計(jì)師，請(qǐng)你在理解相關(guān)無動(dòng)力設(shè)施力學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上，提供一個(gè)3～5個(gè)環(huán)節(jié)的模擬穿梭項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案，包含設(shè)計(jì)圖紙，材料尺寸和相關(guān)參數(shù)。設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)要求為最低高度0.5 m，最大高度3 m，支撐結(jié)構(gòu)為中空鋼柱，保護(hù)措施為網(wǎng)狀環(huán)繞。

單元大任務(wù)將在單元教學(xué)第一課時(shí)向?qū)W生進(jìn)行發(fā)布，學(xué)生通過閱讀文案，了解本單元基本的知識(shí)內(nèi)容和最終完成的情境任務(wù)。在單元教學(xué)大任務(wù)發(fā)布之后，需要把大任務(wù)分解出的子任務(wù)對(duì)應(yīng)到每一課時(shí)教學(xué)。

對(duì)于初入高中的學(xué)生，蹦床、吊環(huán)、滑梯等無動(dòng)力游樂設(shè)施是他們比較熟悉的力學(xué)場景案例，其中的許多力學(xué)問題都可以成為一個(gè)獨(dú)立的探究性問題，可以很好地驅(qū)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，達(dá)成對(duì)基礎(chǔ)力學(xué)概念的深度理解。模擬叢林穿梭項(xiàng)目對(duì)于學(xué)生來說是一個(gè)趣味性和挑戰(zhàn)性并存的研究項(xiàng)目，在解決問題的過程中學(xué)生需要運(yùn)用所學(xué)知識(shí)建構(gòu)合理、科學(xué)的力學(xué)模型，并通過展示、交流來評(píng)估和改進(jìn)方案，進(jìn)一步加深對(duì)所學(xué)力學(xué)規(guī)律的理解。

（四）課時(shí)教學(xué)活動(dòng)

依據(jù)單元教學(xué)設(shè)計(jì)的整體安排，可以對(duì)具體的課時(shí)教學(xué)進(jìn)行設(shè)計(jì)，UbD的設(shè)計(jì)理念不僅指導(dǎo)學(xué)習(xí)單元的整體設(shè)計(jì)，同時(shí)也滲透在每個(gè)具體的課時(shí)教學(xué)中。在具體的教學(xué)課時(shí)中，學(xué)生的學(xué)習(xí)過程同時(shí)是評(píng)估證據(jù)的收集過程，教師從學(xué)生持續(xù)性的任務(wù)表現(xiàn)對(duì)學(xué)習(xí)成效進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)測，以確定學(xué)生是否在該階段達(dá)到應(yīng)有的理解層次，同時(shí)可以結(jié)合評(píng)價(jià)來正向促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和效率，使學(xué)生能在能力范圍內(nèi)對(duì)知識(shí)進(jìn)行深度理解。以下是本單元第四課時(shí)“力的合成與分解”教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與分析。

表5" “力的合成與分解”教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)與分析

環(huán)節(jié)一：研究問題的提出

情境：展示小朋友在兩個(gè)不同吊環(huán)上的活動(dòng)。

問題：在視頻中，有什么相同之處和不同之處？

活動(dòng)：學(xué)生認(rèn)真觀察視頻，發(fā)現(xiàn)同一個(gè)小朋友在不同的吊環(huán)上堅(jiān)持的時(shí)間不同，兩個(gè)吊環(huán)的間距不同。進(jìn)而在教師的引導(dǎo)下設(shè)想并確定本節(jié)課研究問題：為什么同一人在不同的吊環(huán)上堅(jiān)持的時(shí)間不同呢？這對(duì)于吊環(huán)裝置的設(shè)計(jì)有哪些現(xiàn)實(shí)啟示？

評(píng)價(jià)：通過對(duì)視頻的觀察結(jié)果評(píng)測學(xué)生感知事物間相互作用的能力，從問題的猜想中評(píng)價(jià)學(xué)生發(fā)現(xiàn)有價(jià)值問題的能力。

設(shè)計(jì)意圖：對(duì)知識(shí)的深度學(xué)習(xí)需要從一個(gè)有意義且富有挑戰(zhàn)性的問題開始，本環(huán)節(jié)中學(xué)生通過觀察相互作用案例并對(duì)研究問題進(jìn)行提煉，鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)有意義問題的能力。

環(huán)節(jié)二：概念建立

情境：展示小朋友吊環(huán)活動(dòng)的靜態(tài)圖片。

問題：以小朋友為研究對(duì)象，受到哪些力？有什么特點(diǎn)？

活動(dòng)：分組對(duì)小朋友的受力情況進(jìn)行分析，并畫在學(xué)案上，交流這些力的特點(diǎn)，在教師的引導(dǎo)下構(gòu)建共點(diǎn)力、合力、分力的概念。

評(píng)價(jià)：從受力分析的結(jié)果評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)重力、彈力的理解程度，從小組交流的表現(xiàn)評(píng)估學(xué)生從現(xiàn)象得到規(guī)律的歸納能力。

設(shè)計(jì)意圖：概念的建構(gòu)需要學(xué)習(xí)者在多樣化的場景中準(zhǔn)確把握物理量的本質(zhì)特征，本環(huán)節(jié)教師基于學(xué)生已有的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，給予適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，幫助學(xué)生完成概念的自我構(gòu)建。

續(xù)表

環(huán)節(jié)三：規(guī)律探究

情境：提供學(xué)生彈簧、細(xì)線、橡皮筋、木板、刻度尺等常規(guī)實(shí)驗(yàn)器材。

問題：合力與分力存在什么樣關(guān)系，能不能利用現(xiàn)有器材進(jìn)行探究呢？

活動(dòng)：學(xué)生分組討論交流，得到初步方案，在教師的指導(dǎo)下進(jìn)一步對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行完善。分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，展示并交流組內(nèi)的探究結(jié)果。教師使用基于Phyphox的力學(xué)傳感器進(jìn)行教學(xué)演示，并鼓勵(lì)學(xué)生思考力學(xué)傳感器的工作原理。多功能力學(xué)傳感器的硬件結(jié)構(gòu)包括懸臂梁式稱重傳感器、HX711力學(xué)模塊、ESP32開發(fā)板、電源模塊等。通電后能通過藍(lán)牙與手機(jī)Phyphox軟件進(jìn)行通信，并實(shí)時(shí)生成力與時(shí)間的關(guān)系圖像，可以應(yīng)用在高中物理力學(xué)的課堂教學(xué)中，幫助學(xué)生理解力學(xué)原理，提升學(xué)生跨學(xué)科的綜合素養(yǎng)。

評(píng)價(jià)：從初步方案的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)學(xué)生探究素養(yǎng)的發(fā)展情況，從方案的實(shí)施過程和結(jié)果評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的熟悉程度。

設(shè)計(jì)意圖：物理規(guī)律的探究過程應(yīng)該是一個(gè)教師主導(dǎo)下，學(xué)生為主體的探究過程。本環(huán)節(jié)初步方案的制定和完善均由學(xué)生完成，方案的實(shí)施也是在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生完成，保證了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力的發(fā)展和對(duì)相關(guān)知識(shí)的深度理解，并在教學(xué)活動(dòng)中滲透信息技術(shù)的使用，發(fā)展了學(xué)生跨學(xué)科的素養(yǎng)。

環(huán)節(jié)四：研究問題的解決與啟示

情境：再次回顧小朋友吊環(huán)活動(dòng)的視頻。

問題：同一人在不同間距的吊環(huán)上堅(jiān)持的時(shí)間為什么不同？這對(duì)于吊環(huán)裝置的設(shè)計(jì)有哪些現(xiàn)實(shí)啟示？

活動(dòng)：學(xué)生各自獨(dú)立進(jìn)行研究，對(duì)實(shí)際場景抽象建模之后，在學(xué)案上進(jìn)行問題的解決，并在組內(nèi)進(jìn)行交流、展示。教師對(duì)各組的研究結(jié)果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，最后總結(jié)結(jié)論：吊環(huán)的間距不同，導(dǎo)致重力的兩個(gè)分力大小不同，且夾角越大，分力越大，所以小朋友堅(jiān)持的時(shí)間不同。在吊環(huán)設(shè)施的建設(shè)中，應(yīng)充分考慮小朋友的臂力和體重范圍，從而確定合適的吊環(huán)間距。

評(píng)價(jià)：在問題解決的過程中，評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)真實(shí)情境問題的抽象建模能力和對(duì)物理規(guī)律的應(yīng)用能力。用設(shè)計(jì)啟示的討論結(jié)果評(píng)價(jià)學(xué)生應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)通過對(duì)課時(shí)問題的解決，驅(qū)動(dòng)學(xué)生經(jīng)歷了物理知識(shí)從生活中來，到生活中去的研究過程，提高了向?qū)W生解決真實(shí)問題的能力，促進(jìn)學(xué)生達(dá)成對(duì)所學(xué)知識(shí)的深度理解。

三、小結(jié)

隨著廣大一線教師對(duì)單元教學(xué)模式的深入理解和實(shí)踐探究，如何在連續(xù)性的單元教學(xué)過程中對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)理解進(jìn)行有效的監(jiān)測與評(píng)價(jià)是一個(gè)值得思考的問題。新課標(biāo)明確了教學(xué)評(píng)價(jià)對(duì)深度理解的促進(jìn)作用，因此在本單元教學(xué)的設(shè)計(jì)和實(shí)施階段，教師作為教學(xué)的主導(dǎo)者和引領(lǐng)者，在深入分析新課標(biāo)和教材的基礎(chǔ)上制定了引領(lǐng)性的教學(xué)目標(biāo)，確定對(duì)知識(shí)的預(yù)期理解，并以此來對(duì)教學(xué)活動(dòng)與評(píng)價(jià)進(jìn)行統(tǒng)整和指引，進(jìn)而基于真實(shí)的生活情境進(jìn)行挑戰(zhàn)性、表現(xiàn)性的大任務(wù)設(shè)計(jì)和子任務(wù)分解，使學(xué)生經(jīng)歷結(jié)構(gòu)化、連續(xù)性、進(jìn)階性的學(xué)習(xí)過程。教師通過融合Phyphox的教學(xué)器材提升學(xué)生跨學(xué)科的綜合素養(yǎng)，可以通過課堂問答、小組展示等多種評(píng)價(jià)方式來獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)成效，研判學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的理解和掌握程度，同時(shí)也對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行正向引導(dǎo)和鼓勵(lì)，最大限度地促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，幫助學(xué)生達(dá)成對(duì)知識(shí)的深度理解。

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責(zé)任編輯：黃大燦