基于UbD理論開展初中物理教學

彭夷

摘要：UbD理論認為，為達到“理解”這一教學目標，最好的設計應該“以終為始”，從學習結果（預期目標）開始逆向思考。以《探究凸透鏡成像的規律》一課為例，闡釋基于UbD理論開展初中物理教學的基本步驟：確定預期的學習結果，也就是學習目標的確定，可立足課標及“教”與“學”的分析;匹配合適的評估證據，即發掘評價學習目標達成的顯化證據;設計學習活動，即制訂指向目標、基于證據的學習活動計劃，可規劃利于實踐的問題鏈與實驗項目。

關鍵詞：UbD理論;初中物理;《探究凸透鏡成像的規律》

本文系江蘇省第十三期教研課題“基于課堂四要素的學校教學變革”（編號：2019JK13L062）、無錫市教育科學“十三五”規劃立項課題“單元設計視域下的項目開發與實踐研究”（批準號：D/D/2018/019）的階段性研究成果。UbD（Understanding by Design）意為追求理解的教學設計，是美國課程專家格蘭特·威金斯和杰伊·麥克泰在繼承與創新“目標導向”模式基礎上開發出來的一種教學設計框架。UbD理論認為，為達到“理解”這一教學目標，最好的設計應該“以終為始”，從學習結果（預期目標）開始逆向思考，即“逆向教學設計”。其基本步驟為：確定預期的學習結果，也就是學習目標的確定;匹配合適的評估證據，即發掘評價學習目標達成的顯化證據（包括收集的數據、探究過程中的外顯行為等）;設計學習活動，即制訂指向目標、基于證據的學習活動計劃。下面，以蘇科版初中物理八年級上冊《探究凸透鏡成像的規律》一課為例，具體闡述基于UbD理論開展初中物理教學的實踐與思考。

一、目標設計：立足課標及“教”與“學”的分析

課時學習目標旨在讓學生明確學習的概念、規律以及獲取相關知識所需要掌握的技能，同時明確獲取概念和規律的相關過程以及評價指標。在設計課時目標之前，教師首先應該分析課程標準的要求，明確相關知識在整個單元知識體系中的地位;然后，通過單元分析，在普通概念的基礎上，提煉核心概念以及大概念;最后，通過“教”與“學”的分析，確定概念、規律在建構過程中的進階路徑。這樣，就能從上位的視角把握概念、規律的建構過程，使教學更有整體感，也使學生的學習更加體系化、結構化。

（一）課標分析

“光”主題的內容屬于《義務教育物理課程標準（2011年版）》（以下簡稱《課標》）“科學內容”中一級主題“運動和相互作用”下的二級主題“聲和光”。《課標》中對這部分內容的相關要求與建議詳見表1。

由《課標》的描述可知，“光”主題的內容是按照圖1所示的層級結構展開的。由此，我們可以得到“光”主題內容的大概念為“光學規律的實踐應用”，而“探究凸透鏡成像的規律”是物理概念與實踐應用的橋梁。

（二）“教”與“學”分析

1.教材分析

光的折射是“光”主題中的基本內容，透鏡是光的折射的主要應用之一。蘇科版教材中的有關內容包括“光的折射”“透鏡”“凸透鏡成像的規律”“照相機與眼球視力的矯正”“望遠鏡與顯微鏡”等。探究得到凸透鏡成像的規律后，就能解釋投影儀、照相機的工作原理，就能分析眼球的成像規律，而望遠鏡和顯微鏡可以理解為人眼視力向宏觀和微觀的延伸。對此，教材設計了如下學習活動：（1）初識光的折射現象;（2）探究光的折射特點;（3）初識凸透鏡和凹透鏡;（4）辨別凸透鏡和凹透鏡;（5）探究凸透鏡成像的規律;（6）模擬探究近視眼的缺陷;（7）通過兩個凸透鏡觀察物體：（8）自制水滴顯微鏡。同樣可以發現，“探究凸透鏡成像的規律”是物理概念與實踐應用的橋梁，起到承上啟下的作用。因此，規律的內容尤其是規律的得出過程理應作為教學的重點。

2.學情分析

知識層面，學生經歷了《光現象》一章以及《光的折射》《透鏡》兩節的學習，對光線、像、反射規律、折射特點等知識有了初步的認識，同時也知道了透鏡的區分方法。方法層面，經過對聲現象、物態變化、光現象的學習，學生已經初步掌握控制變量法、轉換法等常見物理研究方法;也經歷了初步的數據分析，有基于數據（證據）得出規律的意識。實踐層面，學生已經意識到物理與生活之間的緊密聯系，也會嘗試用學科知識解釋現象并解決實際問題。

（三）確定學習目標

《探究凸透鏡成像的規律》一課的引入環節，需要用到《透鏡》一課中成像情況的相關知識;成像規律得出后，可以通過特殊光線來建構物理模型，解釋成像特點及其成因;可以利用成像規律解釋投影儀、照相機、放大鏡、望遠鏡及顯微鏡等光學元件的成像原理。由此，《探究凸透鏡成像的規律》一課的學習目標擬制如下：

1.利用凸透鏡觀察不同的物體，能清晰描述成像情況。

2.通過探究活動，能對所記錄的數據進行整理和分析，自主得到成像特點與物距間的關系。

3.討論使用LED光源以及蠟燭進行實驗的優劣，養成分析評估、交流反思的良好學習習慣。

4.通過粗略辨別不同焦距凸透鏡的活動，形成對成像規律更深刻的認識，培養應用知識解決實際問題的能力。

二、評價設計：匹配指向目標的評估證據

評價學習目標的達成度，一般以評價學生的探究行為為主要形式，具體包括語言表達的精準程度、實驗設計的邏輯性、實驗操作的規范性、數據收集及分析的合理性、學習活動的參與度、評估與反思的深度等。

學習目標1中涉及兩個行為動詞：“觀察”和“描述”。評估證據可以表述為：（1）觀察不同的情境，能清晰描述成像特點（學生對像的描述清晰與否為主要的評價指標）;（2）能根據觀察到的現象提出 “凸透鏡成不同的像與哪些因素有關？”這一問題。

學習目標2明確了需要設計相應的探究活動，引導學生進行數據的收集與處理。“引導”是教師的行為，“自主”是學生的行為。評估證據可以表述為：（1）能根據現象，猜想成像特點與物距有關（更精準的描述為：物距較小時成正立的像，物距較大時成倒立的像）。（2）明確探究目的和已有條件，能夠選取合適的實驗器材;在教師的引導下，能夠分析出實驗注意點;能夠初步設計出實驗的幾個主要環節，明確實像和虛像的區別。（3）能正確擺放實驗器材的位置，會調節“三心”，注意實驗安全;能按照所設計的實驗步驟進行探究，動腦思考，細心觀察實驗現象;知道物距、像距的概念，會讀取、計算并正確記錄實驗數據，知道所記錄的數據能夠為規律的得出提供依據，嘗試評估有關信息的科學性。（4）能根據實驗數據得出實驗結論并能表述正確，還能經過討論得出其他規律。

學習目標3強調了學生對探究活動過程及結論的評估與反思。評估證據表述為：能積極發表自己的見解。

學習目標4明確了具體應用規律的學習活動。評估證據表述為：能利用所學知識說出至少三種辨別不同焦距凸透鏡的方法。

三、學習活動設計：規劃利于實踐的問題鏈與實驗項目

要達成學習目標，就需要設計相應的學習活動，而學習活動的設計應當依循評估證據。核心問題以及問題鏈的設計體現了學生物理思維的發展，是評價學生是否形成物理觀念的關鍵;實驗項目的設計表現為學習活動發生的載體，是學生物理思維的具象化。因此，規劃利于實踐的問題鏈和實驗項目，是學習活動設計的核心。

（一）操作與觀察：有趣的成像游戲

學習活動：（1）利用凸透鏡觀察書本上的字;（2）將凸透鏡正對窗戶，在白紙上承接像;（3）利用投影玩具在白墻上成像。

問題1：觀察到的像有何不同？凸透鏡成像有哪幾種情況？

[評價與反思：學生在操作的過程中能獲取預設的成像情況，學習興趣得到增強;但是描述成像特點不夠精準，如不能準確描述出實像或虛像。這表明在之前的學習中，學生并沒有真正理解像的成因及判定方式。對此，教師需要進行適當的引導。]

（二）科學探究：凸透鏡成像的規律

【環節1】 猜想與假設

問題2：凸透鏡成像的情況與什么因素有關？具體關系如何？

[評價與反思：在猜想環節，學生根據成像游戲很容易發現“成像與物距有關”，這表明活動設計是有效的。]

【環節2】 制訂計劃與設計實驗

問題3：需要哪些器材？各器材分別有什么作用？

學習活動：選擇焦距f=10 cm的凸透鏡，在光具座上依次安裝蠟燭、凸透鏡、光屏;調節燭焰、凸透鏡和光屏三者的中心在同一高度上（目的是使像成在光屏中央）。

[評價與反思：在實驗設計環節，學生更多是在教師引導下邊討論邊設計。這是因為本實驗是初中階段學生經歷的較為完整且操作要求較高的探究實驗。]

【環節3】 進行實驗與收集證據

學習活動：固定凸透鏡的位置，調整物距，多次實驗使光屏上成倒立、縮小的實像和倒立、放大的實像，測量并記錄對應的物距和像距——本實驗分為蠟燭和LED光源兩大類。

學生的典型數據如下頁表2所示。

學習活動：根據表中數據，用彩色箭頭代表物和像，在黑板上完成貼圖游戲（最終板書如圖2所示）。

問題4：何種情況下得到倒立、等大的像？成等大的像時，物距、像距、焦距分別是多少？

學生討論得到的典型數據如表3所示。

問題5：當物距小于焦距時，移動光屏，在光屏上能看到燭焰的像嗎？通過凸透鏡觀察，能看到燭焰的像嗎？這個像是放大的還是縮小的，是正立的還是倒立的？將光屏置于像的位置，能直接在光屏上看到像嗎？

[評價與反思：學生根據實驗要求完成放大和縮小的實像各兩組。教師在收集和展示證據的過程中，可以適當地增加數據，以幫助學生養成基于證據分析問題的習慣。貼圖游戲的設計旨在讓學生形成“實驗操作—數據收集—模型建構”的探究邏輯;放大和縮小的像用不同顏色區分，為發現等大實像的特殊位置提供形象的指引。貼有方格紙的光屏很好地解決了像和物大小比較的問題，為順利找到兩倍焦距的位置提供了證據支持。]

【環節4】 分析與論證

問題6：分析上述數據可知，不同的成像情況與物距有什么關系？

預設：物距較大時，成倒立縮小的實像。

問題7：物距較大可以哪一個距離作為標準？為什么？

預設：一倍焦距和兩倍焦距。由實驗數據可知，一倍焦距是實像和虛像的分界點，兩倍焦距是放大的像和縮小的像的分界點。

學習活動：通過填空的方式，完善凸透鏡成像的規律。內容如下：

當物距________時，成倒立、縮小的實像;

當物距________時，成倒立、等大的實像;

當物距________時，成倒立、放大的實像;

當物距________時，成正立、放大的虛像。

[評價與反思：學生在分析數據獲得結論的過程中，較難將物距與一倍焦距（f）以及兩倍焦距（2f）進行聯系和比較，這就需要通過提問的方式加以引導。在之前的實驗中，學生已經獲取了兩個特殊點，因此將物距和兩倍焦距做比較就變得水到渠成。]

【環節5】 交流與評估

學習活動：討論探究過程及相關現象。

問題8：在探究凸透鏡成像規律的實驗中，物體通過凸透鏡成實像時，物距越大，像距越小。這里，像距是否可以等于0？如果不可以，那么像距最小大約是多少？

預設：由實驗現象可知，物距越大，像距越接近焦距。

學習活動：歸納得到測量焦距的方法——當物體距離凸透鏡足夠遠（大于十倍焦距）時，像距約等于焦距。

問題9：探究過程中出現過哪些困難？又是如何解決的？

問題10：實驗中，一半同學使用了LED光源，一半同學使用了蠟燭光源，二者在使用過程中有何優缺點？

預設：使用LED光源更好，因為LED光源穩定，且更易比較像和物的大小;使用蠟燭時，燭焰的大小難以測量，且蠟燭燃燒后，長度會變短，像的位置就不在光屏中央了，熄滅后還會產生煙霧，污染環境等。

[評價與反思：在評估環節，除了一些常規的知識內容以外，還需要讓學生反思探究的過程，思考探究活動中的各種行為，回顧解決問題的方式，從而讓學生對探究內容、探究方法等有更加深刻的認識。之所以設計蠟燭和LED燈兩種光源，就是為了讓學生進行對比分析。如：LED燈可以認為是面光源，而燭焰可以認為是點光源，等等。這能夠引導學生積極發表自身見解，發展評估意識。此外，還可以引導學生辯證地看問題，如蠟燭雖然有上述缺點，但有來源廣泛、價格便宜等優點。]

（三）實踐應用：辨別焦距不同的凸透鏡

學習活動：利用凸透鏡成像的規律，嘗試辨別給出的兩個焦距不同（5 cm和10 cm）的凸透鏡，闡述具體的方案。

預設：方法1，直接測量;方法2，利用兩倍焦距處物距等于像距，成倒立、等大的實像的規律;方法3，利用推理規律……

[評價與反思：在實踐應用環節，可以通過解決實際問題來評估學生的學習效度，也可以通過作圖的方式形成物理模型，促進學生理解成像的原理，如利用學生貼圖的作品，結合成像光路來判定像所貼的位置是否精確。]

實踐發現，基于UbD理論進行教學設計可使教學流程變得更加順暢。同時，由于學習活動都指向評估證據，因此，學生在參與學習活動時更有目的性。在此基礎上，通過單元整體設計，學生知識的形成具有更完整的結構和邏輯。這也使學生在應用學科知識解決實際問題的實踐中表現得更為突出。

參考文獻：

[1] 格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰.理解為先模式——單元教學設計指南（一）[M].盛群力，沈祖蕓，柳豐，等譯.福州：福建教育出版社，2018.

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