基于深度學(xué)習(xí)的初中物理大單元教學(xué)智能設(shè)計模型研究

隨著時代的飛速發(fā)展，教育教學(xué)改革不斷向縱深推進，以契合社會發(fā)展的多元需求。然而，在當(dāng)下傳統(tǒng)教學(xué)模式的框架下，學(xué)生的綜合素養(yǎng)與能力發(fā)展未能得到切實有效的提升。在積極探尋新型教學(xué)模式以扭轉(zhuǎn)這一局面的過程中，深度學(xué)習(xí)被證實能夠有力促進學(xué)生更好地發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)。大單元教學(xué)作為推動深度學(xué)習(xí)的有效載體，從整體維度對教學(xué)內(nèi)容進行整合，有助于學(xué)生迅速把握核心知識脈絡(luò)。目前，國內(nèi)關(guān)于深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)的研究尚處于發(fā)展階段，尤其是在具體教學(xué)設(shè)計方面的研究相對匱乏。本研究基于深度學(xué)習(xí)理論與大單元教學(xué)的整合優(yōu)勢，緊密結(jié)合初中物理學(xué)科的特點，創(chuàng)新性地融入AI技術(shù)手段，構(gòu)建全新的大單元教學(xué)模式，旨在有效破解知識碎片化、學(xué)生知識遷移能力不足等教學(xué)難題。

一、深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)的概述

（一）深度學(xué)習(xí)

Marton和Saljo將“深度學(xué)習(xí)\"引人教育領(lǐng)域，與“淺層學(xué)習(xí)\"形成對比。淺層學(xué)習(xí)聚焦機械記憶、被動接受，而深度學(xué)習(xí)強調(diào)學(xué)生主動理解，在充分理解知識的基礎(chǔ)上，重視新舊知識的關(guān)聯(lián)，指向知識實際應(yīng)用，同時關(guān)注學(xué)習(xí)過程中的反思。在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的大背景下，深度學(xué)習(xí)理念走進了大中小學(xué)課堂，比如項目式學(xué)習(xí)（PBL）在教學(xué)實踐中推廣，學(xué)生通過協(xié)作探究學(xué)習(xí)、反思性實踐，深度參與知識體系構(gòu)建。

深度學(xué)習(xí)在機器學(xué)習(xí)中是實現(xiàn)人工智能的技術(shù)手段，而在教育學(xué)中是培養(yǎng)高階思維的學(xué)習(xí)范式。盡管領(lǐng)域不同，但二者均追求通過層次化處理提升效能。未來，二者的融合或?qū)榻逃齽?chuàng)新提供新的可能性，如通過AI個性化賦能，促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)能力提升。

（二）大單元教學(xué)

在教育領(lǐng)域，大單元教學(xué)是一種以整體性、系統(tǒng)性和深度整合為核心的教學(xué)設(shè)計理念，強調(diào)打破傳統(tǒng)以單一知識點或單篇課文為單位的教學(xué)方式，轉(zhuǎn)而圍繞一個主題、問題或項目，整合學(xué)科內(nèi)或跨學(xué)科的知識、技能、方法，構(gòu)建連貫且完整的學(xué)習(xí)單元。以任務(wù)為驅(qū)動，設(shè)計真實或模擬的復(fù)雜情境，引導(dǎo)學(xué)生通過探究、合作等方式解決問題，強調(diào)“做中學(xué)”。其核心目標(biāo)是通過結(jié)構(gòu)化、情境化的學(xué)習(xí)任務(wù)，促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)，發(fā)展核心素養(yǎng)和提升綜合能力。

大單元教學(xué)的提出，首先可以解決知識碎片化的問題，通過整合內(nèi)容，幫助學(xué)生理解知識間的聯(lián)系，避免孤立學(xué)習(xí)。其次能適應(yīng)復(fù)雜社會需求，培養(yǎng)學(xué)生在真實情境中綜合運用知識解決問題的能力。

（三）深度學(xué)習(xí)理念與大單元教學(xué)融合

在物理學(xué)科中傳統(tǒng)分課時教學(xué)方式會導(dǎo)致知識割裂，題海戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)致學(xué)生“會解題不會解決問題”，同時學(xué)科間缺乏聯(lián)動，學(xué)生難以理解知識的現(xiàn)實意義。面對這些問題，深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)的結(jié)合，直擊傳統(tǒng)教育中“知識碎片化、學(xué)習(xí)淺表化、評價單一化”的頑疾。

深度學(xué)習(xí)理念與大單元教學(xué)相互契合、設(shè)計邏輯互補，符合整體認(rèn)知規(guī)律。深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)結(jié)合的核心在于通過結(jié)構(gòu)化、整合性的單元設(shè)計，讓學(xué)生在充分理解知識的基礎(chǔ)上，對知識進行批判性理解與應(yīng)用，促進學(xué)生高階思維發(fā)展、知識深度建構(gòu)及素養(yǎng)遷移。

本研究以電流做功與電功率為研究對象，主要研究深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計。在AI技術(shù)的幫助下，深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)結(jié)合是當(dāng)前教育改革的重要創(chuàng)新方向，其意義不僅在于優(yōu)化教學(xué)模式，更在于直擊傳統(tǒng)教學(xué)的痛點，推動學(xué)生核心素養(yǎng)的實質(zhì)性發(fā)展。

二、大單元教學(xué)與深度學(xué)習(xí)融合教學(xué)設(shè)計的要點

（一）圍繞學(xué)生展開教學(xué)設(shè)計

多數(shù)研究表明，相對靈活、以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計可以有效促進大單元教學(xué)的實施。在大單元教學(xué)設(shè)計中，教師要巧妙串聯(lián)各個單元知識點，而不是簡單地將知識點拼湊起來，挖掘單元知識點之間的銜接點，使物理知識的學(xué)習(xí)更立體化。

以“電流做功和電功率”為例，整體大單元框架分為兩部分：主題整合與自標(biāo)分層。以“電能驅(qū)動現(xiàn)代生活\"為主題，串聯(lián)電功、電功率、焦耳定律等知識點，以素養(yǎng)導(dǎo)向為目標(biāo)進行設(shè)計教學(xué)。創(chuàng)設(shè)與生活緊密關(guān)聯(lián)的問題情境，例如“家庭電路能耗審計\"“校園節(jié)能燈改造”，激發(fā)學(xué)生探究動機；融人社會性科學(xué)議題，例如“高壓輸電的利弊辯論”，連通物理、工程與倫理視角。

（二）構(gòu)建整體性教學(xué)思路

大單元教學(xué)設(shè)計要符合教育規(guī)律，避免課堂出現(xiàn)應(yīng)試化特征。教師需要構(gòu)建整體性教學(xué)思路，設(shè)計相關(guān)的深度學(xué)習(xí)任務(wù)鏈，避免學(xué)生成為課堂中的學(xué)習(xí)機器，發(fā)揮大單元教學(xué)作用。

深度學(xué)習(xí)任務(wù)鏈以問題鏈為導(dǎo)向，從觀察現(xiàn)象到收集數(shù)據(jù)進行模型建構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生進行遷移質(zhì)疑。教師可利用AI技術(shù)對實驗數(shù)據(jù)進行客觀分析，幫助學(xué)生培養(yǎng)實驗探究能力，為深度學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

同時，探究實驗任務(wù)可以分層設(shè)計：基礎(chǔ)任務(wù)聚焦課標(biāo)必做實驗，比如測量小燈泡電功率，強調(diào)數(shù)據(jù)記錄與誤差分析；進階任務(wù)拓展延伸，比如“光控報警電路設(shè)計”，融合電路分析、元件選型與調(diào)試優(yōu)化；或者跨學(xué)科設(shè)計“太陽能路燈系統(tǒng)”，整合物理、數(shù)學(xué)（成本核算）、工程思維，幫助學(xué)生進行知識遷移，對單元知識進行整合。

三、大單元教學(xué)與深度學(xué)習(xí)融合教學(xué)策略

（一）以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，重構(gòu)大單元主題

依據(jù)核心物理觀念整合單元內(nèi)容，同時創(chuàng)設(shè)真實情境驅(qū)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)，選擇與學(xué)生息息相關(guān)的場景，滿足課標(biāo)“從生活走向物理，從物理走向社會”的要求。

在重構(gòu)大單元主題時，不但要關(guān)聯(lián)前導(dǎo)知識，還要進行跨學(xué)科延伸，融人數(shù)學(xué)建模（電功率計算）、工程思維（電路設(shè)計）、倫理討論（能源可持續(xù)發(fā)展）等內(nèi)容。以“電流做功和電功率\"為例，可以布置分層任務(wù)，如表1所示。

（二）深化實驗探究，促進深度思考

實驗設(shè)計分為必做實驗和拓展實驗。必做實驗培養(yǎng)學(xué)生實驗探究和動手能力，幫助學(xué)生通過實驗深度理解知識；教師可借助拓展實驗解決開放性問題，可以進行項目式教學(xué)，解決生活中的實際問題。例如在電路中，利用PhET仿真工具模擬復(fù)雜電路，輔助學(xué)生理解抽象概念。

（三）技術(shù)賦能與資源整合

1.虛擬仿真工具應(yīng)用

教師可使用PhET或Labster模擬電路變量關(guān)系，使實驗動態(tài)可視化呈現(xiàn)。同時，利用智慧課堂進行AI輔助學(xué)習(xí)，幫助分析學(xué)生實驗數(shù)據(jù)，根據(jù)學(xué)生水平推薦分層任務(wù)。這不僅能實現(xiàn)師生深度交互，還促進深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)融合。

2.跨學(xué)科資源開發(fā)

通過項目化設(shè)計，幫助學(xué)生知識遷移，例如物理工程案例——太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計；物理社會案例——高壓輸電的利弊分析。

四、借助AI技術(shù)融合大單元教學(xué)與深度學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計

本研究選取“電流做功和電功率”為研究對象進行教學(xué)設(shè)計。教學(xué)設(shè)計流程如圖1所示。

（一）課程標(biāo)準(zhǔn)的核心要求

以2022年版物理課標(biāo)要求及核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，設(shè)計以下教學(xué)目標(biāo)，如表2所示。

（二）大單元主題與知識融合

依據(jù)本單元的特點，確定大單元主題為“電能驅(qū)動現(xiàn)代生活——從家庭用電到節(jié)能革命”。圍繞這一主題，整合本單元知識內(nèi)容：

1.電流做功：電能轉(zhuǎn)化 W=UIt ）、電能表原理與使用。

2.電功率：定義（ P=UI ）、額定功率與實際功率。

3.焦耳定律：電熱計算（ Q=I²Rt ）與安全用電。

4.跨學(xué)科延伸：能源效率（物理）、成本核算（數(shù)學(xué)）、可持續(xù)發(fā)展（社會學(xué)科）。

（三）教學(xué)流程與深度學(xué)習(xí)活動設(shè)計

1.知識融合與概念建構(gòu)

a.情境導(dǎo)人

在開展實踐教學(xué)活動的過程中，教師可以設(shè)計問題鏈情境，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。比如“閉合開關(guān)后，燈泡發(fā)光，但燈絲瞬間被熔斷，這是為什么？\"“閉合開關(guān)后，兩個電表的指針左右搖擺、燈泡忽亮忽暗是什么原因？”。通過這種方式讓學(xué)生將整個單元的知識進行整合，并通過分析和解決實驗中的問題，建立完整的物理知識體系。

教師也可以展示真實問題——展示家庭電費賬單，提問“為什么空調(diào)比燈泡耗電多？如何計算電器的能耗？\"通過對比不同電器銘牌（額定電壓、功率），引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo) W=Pt 與 P=UI 的關(guān)系，結(jié)合歐姆定律分析電路參數(shù)對電功率的影響。

b.核心概念可視化

學(xué)生分組繪制“電能轉(zhuǎn)化路徑圖”，標(biāo)注家庭常見電器中的電能轉(zhuǎn)化形式（如電燈：電能 $$ 光能十熱能）。

在課后，還可以通過開展?fàn)幾h討論來幫助學(xué)生養(yǎng)成批判性辯證思維，例如辯論“電熱毯是否浪費能源？”（關(guān)聯(lián)焦耳定律與能量利用效率）。

2.實驗探究與問題驅(qū)動

完成課標(biāo)要求的實驗任務(wù)“測量小燈泡電功率”，在此實驗中融合深度學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生進行誤差分析，并引導(dǎo)學(xué)生討論“為何額定電壓下實測功率可能偏離標(biāo)準(zhǔn)值？”（如燈絲溫度變化導(dǎo)致電阻變化）。此實驗可以利用PhET仿真工具模擬理想條件下的電功率曲線，與實驗結(jié)果對比，強化學(xué)生對變量關(guān)系的理解。

在分析與討論環(huán)節(jié)設(shè)置挑戰(zhàn)性問題鏈：閉合開關(guān)后燈泡發(fā)光但燈絲瞬間熔斷，為什么？閉合開關(guān)后，電表指針搖擺、燈泡忽亮忽暗，原因是什么？若更換為LED燈，電路參數(shù)與現(xiàn)象會有何不同？通過多方向探究，推動學(xué)生深入思考。

3.遷移應(yīng)用與創(chuàng)新設(shè)計

結(jié)合項目任務(wù)“家庭節(jié)能方案優(yōu)化”，教師組織學(xué)生分組調(diào)查分析家庭月度電費賬單，識別高耗能電器（如電熱水器、空調(diào)），并提出改進方案（如更換節(jié)能電器、調(diào)整使用習(xí)慣），計算預(yù)期節(jié)能量與成本回收周期。在此調(diào)查中融合深度學(xué)習(xí)，首先進行數(shù)據(jù)建模，利用 W=Pt 計算電器日耗電量，結(jié)合電價計算節(jié)省費用；其次形成工程思維，權(quán)衡“節(jié)能效果”與\"改造成本\"（如LED燈價格高但壽命長）；最后進行社會調(diào)研，調(diào)查家庭對節(jié)能措施的接受度，撰寫建議報告。

通過大單元整合知識、實驗問題鏈驅(qū)動深度思考、項目化遷移應(yīng)用，學(xué)生不僅能掌握電功與電功率的計算，更能形成“能量一技術(shù)一社會\"的系統(tǒng)認(rèn)知。此設(shè)計將傳統(tǒng)“點狀知識傳授\"轉(zhuǎn)化為“網(wǎng)狀素養(yǎng)生成”，真正實現(xiàn)“從解題到解決問題\"的深度學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（四）多元化評價體系構(gòu)建

整個教學(xué)過程中，對學(xué)生的評價不能只是單一評價最終的學(xué)習(xí)結(jié)果，而應(yīng)該融合過程性評價、表現(xiàn)性評價和反思性評價。如表3所示。

五、反思與總結(jié)

本文主要研究了在AI技術(shù)支持下，將深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)進行有機結(jié)合，并將其應(yīng)用于教學(xué)設(shè)計之中。鑒于深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)在特點與核心目標(biāo)方面有許多相似點，我們開展了深度學(xué)習(xí)下的初中物理大單元教學(xué)智能設(shè)計模型研究。二者結(jié)合可以有效革新傳統(tǒng)的教學(xué)理念和教學(xué)模式，促進教學(xué)質(zhì)量提高。教師需要充分了解深度學(xué)習(xí)理念和大單元教學(xué)設(shè)計要點，同時還需要與時俱進，積極運用AI技術(shù)、智慧課堂等技術(shù)手段，讓原本抽象難懂的物理知識更加生動形象。最后還需要融合思維導(dǎo)圖進行教學(xué)，強化單元知識的整體性，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，最大化發(fā)揮深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)的價值。

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責(zé)任編輯：趙瀟晗