指向深度學習的高中物理單元逆向設計
——以“靜電場中的能量”單元教學為例

任虎虎

(江蘇省太倉高級中學，江蘇 蘇州 215411)

在平時的教學實踐中，一線教師關注較多的是課時層面的設計與實施，較少從整體出發關注單元層面的設計與實施，即只關注局部而忽視整體。單元教學具有承上啟下的作用，其上承課程標準，下啟課時教案，逆向設計將為高中物理單元整體教學提供全新的視角。

1 深度學習和單元逆向設計的內涵

1.1 深度學習的內涵

深度學習是指在教師引領下，學生圍繞具有挑戰性的學習主題，全身心投入、體驗成功、獲得發展的有意義學習過程。在這個過程中，強調理解學科的核心知識、把握學科的本質及思想方法、發展批判性等高階思維能力，形成積極的內在學習動機、高級的社會性情感和正確的價值觀。深度學習的基本特征包括聯想與結構、活動與體驗、本質與變式、遷移與應用、價值與評價。

1.2 單元逆向設計的內涵

單元逆向設計是以單元為單位進行“以終為始”的整體設計，即從單元最終輸出倒推輸入內容和方式，尋求達成單元預期結果的最佳實施方案，追求意義建構和靈活遷移。本研究將其分為四個有序階段：編寫科學的單元預期目標、確定適切的目標評價證據、開發有效的單元學習活動、設計精準的單元檢測作業。將目標及對目標達成的評價先于活動而設計，有利于充分發揮評價的反饋與驅動作用。

2 指向深度學習的高中物理單元逆向設計框架

為解決目前高中物理教學中存在的覆蓋內容設計、活動導向設計、課時之間割裂性、知識理解淺層性等問題，倡導通過單元逆向設計與實施來促進深度學習。圖1為指向深度學習的高中物理單元逆向設計框架，在明確單元主題的基礎上，首先整合課程標準、教材知識和學生學情的相關內容作為單元預期目標；其次確定具有挑戰性、真實性和開放性的表現任務作為目標評價證據；再次開發協作探究、反思內化和實踐遷移的思維進階作為單元學習活動；最后設計基礎類、提高類和拓展類的階梯檢測作為單元鞏固作業，有效提升學生的思維品質、高階思維能力和實際問題解決能力，培育學生的物理學科核心素養。

圖1

3 指向深度學習的高中物理單元逆向設計流程

3.1 明確單元預期目標

單元預期目標是單元學習的“指揮棒”，決定了單元教學的層次。單元預期目標應該以學生在單元學習后真正理解了什么和做了什么為旨歸，從單元整體視角整合課程標準、教材知識和學生學情。

人教版高中物理新教材將舊教材中“靜電場”一章拆成兩章：“靜電場及其應用”和“靜電場中的能量”。“靜電場中的能量”包括5節內容：電勢能和電勢、電勢差、電勢差與電場強度的關系、電容器的電容、帶電粒子在電場中的運動。

基于對課程標準的解讀、教材分析和學情把握，將“靜電場中的能量”單元的學習目標確定如下：

(1) 學生將理解電勢是電場這種物質的基本屬性，電場力對電荷做功會引起不同形式的能量發生相互轉化，進一步形成運動與相互作用觀、能量觀。

(2) 學生將經歷電勢能、電勢和電容等抽象概念的建構過程，體會批判性的內化類比、歸納、比值定義、從定性到定量等物理思想方法。

(3) 學生將通過猜想、操作、數據處理、展示交流、總結歸納等過程，體會科學探究的意義和價值。

(4) 學生能解釋照相機閃光燈、示波管等的工作原理，并查找資料解決如何制作超級電容等實際問題，認識科學本質，體會科學·技術·社會·環境(STSE)的關系，形成對科學技術正確的態度和責任感。

在單元總目標的基礎上再編寫分課時的學習目標，形成系統化、結構化和層次化的目標體系。

3.2 確定適切的目標評價證據

逆向設計倡導在目標明確后，馬上設計能反映目標達成情況的評價證據，突出表現性學習任務的設計，需要具有挑戰性、真實性和開放性等基本特征。學習任務分為核心任務和子任務，子任務圍繞核心任務分層設計。本單元的核心任務是：從能量角度認識和分析帶電粒子在電場中的運動，下面通過三個具體例子進行說明。

學習任務1：一個正電荷在電場中只受到靜電力F的作用，它在電場中由A點運動到B點時，靜電力做了正功WAB，由動能定理可知，該電荷的動能增加了WAB。物體動能增加了，意味著有另外一種形式的能量減少了，這是一種什么形式的能量呢?

設計意圖：這個挑戰性任務一方面評估學生對功能關系和動能定理的理解程度，另一方面將以前所學的知識遷移到新情景(電場)中，幫助學生建構電勢能這一新概念。

學習任務2：要想利用直線多級加速器(新教材必修三第45頁做了相應介紹)將電子加速到0.9倍光速，建造時加速器勢必要很長，占地面積大，如何解決這一問題？

設計意圖：一方面促進理解運動與相互作用關系(學生會提出采用輻向電場使電子偏轉)，另一方面為后面回旋加速器的學習打下基礎。

學習任務3：通過觀察、上網查閱資料，了解并分析電容器在生產生活中的應用情況，解釋其作用，撰寫一份研究報告。

設計意圖：讓學生應用電容器的相關知識解釋一些具體實例，評估學生對知識的理解層次，并幫助學生做到在“用中學”，進一步認識STSE的關系。

3.3 開發有效的單元學習活動

活動是學生深度學習的基礎和載體，學生只有充分參與到活動中才能深刻體驗和領悟物理概念、規律及思想方法的形成與發展。在活動前讓學生明確活動的內容和注意事項；在活動中激發學生興趣，切身參與和體驗；在活動后引導學生反思自己的體驗過程和方式，內化獲得意義和觀念。單元學習活動要能夠凸顯協作探究、反思內化和實踐遷移的思維進階過程。

下面以“電容器的電容”課時的一個學習活動設計為例進行說明。由于不同的電容器儲存電荷的能力會有所不同，儲存電荷的多少與兩板間電勢差和電容器自身特性有關。

對此提出研究問題：要研究電容器儲存電荷量與兩板電勢差的定量關系，電荷量Q不好測定，怎么辦？提示：在前面的學習過程中也遇到過類似的問題，是如何處理的？在庫侖扭秤實驗中，用相同不帶電的金屬小球與帶電小球接觸，均分電荷。

圖2

圖3

在教學中引導學生思考實現電容器A所帶的電荷量依次倍減的方案：(1) S1先接1，給電容器A充電，S1再接2，電容器B和A均分A原來所帶電荷量，實現A的帶電量減半；(2) 斷開S1，閉合S2，讓B完全放電，此時B又變成了一個不帶電的電容器；(3) 斷開S2，S1接2，電容器B和A再次均分A所帶電荷量，A的帶電量再次減半。(4) 不斷重復(2)、(3)步驟，實現電容器A的帶電量依次減半。

方案2：如果能得到充電或放電過程中的i-t圖像，類比利用v-t圖像下的“面積”計算位移大小的方法求得電荷量。借助DIS的電流傳感器代替圖4中的電流表，畫出i-t圖像，利用軟件中的“積分”功能求得電荷量Q。實驗中分別測兩個不同的電容器在不同充電電壓下的Q值，并利用作圖法得到Q-U圖像(圖4)。

從圖4中學生發現：同一個電容器Q與U的比值是一個定值，不同電容器的Q與U的比值不同。

圖4

3.4 設計精準的單元檢測作業

作業主要是指教師依據一定的目的布置給學生并且要利用非教學時間完成的學習任務。學生幾乎每天都要花費大量時間來完成作業，同樣教師也要花費大量時間來批改作業，而且作業往往會成為學生喜不喜歡一門學科、喜不喜歡一位教師的重要依據。如果作業出現問題，將導致連鎖反應，不僅會影響教學效果，而且會抑制學生的學習興趣。因此，單元學習中要根據學生層次的不同，設計基礎類、提高類和拓展類的分層檢測作業。

在本單元學習中筆者設計了一份單元檢測作業，由于篇幅限制，下面僅呈現三個具體例子。

基礎類作業：圖5表示了某電場等勢面的分布情況。

圖5

(1) 如果把電子從b等勢面移動到e等勢面，靜電力所做的功是多少?

(2) 在電場中的A、B兩點放置電荷量相等的試探電荷，試比較它們所受靜電力的大小和電勢能的大小。

提高類作業：如圖6所示，在勻強電場中，將電荷量為-6×10-6 C的點電荷從電場中的A點移到B點，靜電力做了-2.4×10-5 J的功，再從B點移到C點，靜電力做了1.2×10-5 J的功。已知電場的方向與△ABC所在的平面平行。

圖6

(1)A、B兩點間的電勢差UAB和B、C兩點間的電勢差UBC分別為多少?

(2) 如果規定B點的電勢為0，則A點和C點的電勢分別為多少?

(3) 請在圖中畫出過B點的電場線方向，并說明理由。

拓展類作業：展示如圖7所示的水塔照片，創設待解決的實際問題。王師傅是某自來水廠水電工，他一天要檢查自來水水塔水位好幾次，王師傅腿腳不便，而且水塔很高，他想如果能有一個自動測定水位高度的儀器就輕松了。你能用今天所學知識幫他設計一個儀器嗎？課后用水瓶和身邊的器材模擬制作并進行展示。

圖7

4 結語

指向深度學習的單元逆向設計有助于實現從“教”到“學”的根本轉向，讓教師真正成為學生學習的設計師與教練，能夠有效處理好課標與單元、單元與課堂、目標與評價、評價與活動、目標與作業間的多維關系，進而實現從“課時教學”轉向“單元重構”、從“經驗設計”轉向“結果逆推”、從“終結評定”轉向“評價驅動”、從“單一作業”轉向“立體檢測”。