基于深度學習的高中物理大單元教學研究

把燕

［摘 要］核心素養的提出促使教師改變固有的教學方式，基于深度學習的大單元教學設計是培養學生核心素養的重要途徑。大單元教學理念要求教師系統分析教材內容，依據學科內容的內在聯系和邏輯關系重新組織、整合教學內容，最終目的是讓學生把碎片化的知識整合為系統的知識體系，完成對知識規律的深度理解，實現所學知識和方法在不同情境之間的遷移應用，提升學生的核心素養。文章結合甘肅地區高中物理大單元教學的現狀，闡述如何依據深度學習理論與大單元教學理念開展教學實踐，探究能有效促進學生深度學習、培養學生物理學科核心素養的大單元教學策略。

［關鍵詞］深度學習；大單元教學；核心素養

［中圖分類號］? ?G633.7? ? ? ? ? ? ［文獻標識碼］? ?A? ? ? ? ? ［文章編號］? ?1674-6058（2023）24-0064-04

深度學習教學理念要求教師帶領學生透過現象看本質，幫助學生深度了解所學知識的內涵，實現知識的融會貫通和靈活運用。大單元教學旨在引導學生結合各知識點間的內在聯系構建系統的知識體系，可以有效促進學生的深度學習。大單元教學中的“大”，主要體現在基于“大概念”、“大思維”、“大情境”和“大問題”對教學內容進行重組和設計，引導學生在原有知識的基礎上學習新的思想和理論，并能夠將新的知識遷移到真實情境中，得出結論解決問題，促使學生進行深度學習，從而有效改變當前物理學習碎片化、功利化的現狀，落實物理學科核心素養培養目標。

一、基于深度學習的高中物理大單元教學策略

本文依據深度學習與大單元教學理念，結合具體教學內容和學生實際學習情況，探究基于深度學習的高中物理大單元教學。

（一）聚焦“大概念”組織單元教學內容，喚醒學生深度學習的意識

在高中物理大單元教學中，應聚焦“大概念”，將知識、規律、科學思維方法等具體教學內容依據其內在聯系和邏輯結構，結合學生的實際學情進行重組整合，將教學內容由淺入深、層層遞進地展現給學生，引導學生逐步構建完整的知識體系，在此基礎上進行深入探究，喚醒學生深度學習的意識。聚焦“大概念”設計單元教學內容時可從以下幾個方面入手。

1.以學科知識的內在聯系和邏輯結構為依據，聚焦“大概念”設計學習主題和具體學習任務，以問題鏈引導學生對核心內容進行思考，完成知識的學習進階。

2.基于學生的具體學情，教師結合教學實踐經驗設計大單元中基于“大概念”的學習層級。

3.依據課程標準和教材，進一步分析并確定“大概念”層級下所涉及的具體教學內容，落實聚焦“大概念”組織單元教學內容的意圖。

（二）基于“大思維”提升探究能力，推動深度學習的實現

“大思維”與物理學科核心素養中的科學思維和科學探究相對應，是指認識現象的本質規律的過程中所使用的思維方法和信息處理策略等內容的統稱，包括物理建模、推理論證、實驗探究等科學方法。大單元教學設計的核心是形成解決問題的“大思維”，即可以在不同情境或者主題下遷移的統一解決問題的思路和科學方法。因此，大單元教學設計應該注重挖掘隱藏在理論知識背后的科學思維方法等“隱性知識”，以引發學生深度思考和探究，讓學生形成解決問題的“大思維”，從而有效提升探究能力，推動深度學習的實現。挖掘這些“隱性知識”、促進學生“大思維”發展的具體策略如下：

1.從知識建構、應用知識解決問題、實驗探究等視角挖掘“大思維”，并對“大思維”進行系統整理。

2.“大思維”與物理概念、規律等教學內容密切聯系。物理“大思維”往往貫穿若干物理概念、規律，因此教師需圍繞“大思維”的發展主線，適當做出取舍，要有所側重，要站在培養學生“大思維”的高度系統規劃設計，有效實現大單元教學目標。

3.培養學生“大思維”的過程中會遇到一些碎片化的、神似形不似的思想方法，教師應從“大思維”的角度整合并深刻認識這些思想方法。

（三）聯系實際創設“大情境”，激發學生深度學習的熱情

大單元教學需要聯系實際創設“大情境”，即將學習內容融入與生產生活相貼近的實際情境中，讓學生透過情境看到學科知識的本質，讓他們親歷知識的產生過程，體會學科概念、命題與理論背后所隱藏的核心素養。因此，“大情境”下的單元教學，不僅使教學與實際生活渾然一體，使教學過程流暢連貫，還激發了學生深度學習的熱情，讓科學探究更加嚴謹高效。教師在聯系實際創設“大情境”時應符合以下要求：

1.“大情境”應盡可能貼近學生的日常生活，有助于學生形成解決問題的“大思維”，激發學生的學習興趣。

2.“大情境”應涉及較多知識點，讓學生能夠基于“大概念”“大思維”提煉出核心問題，再將核心問題構建為具體模型，體會具體情境背后抽象的本質規律，提升學生的高階思維，促進學生深度學習。

3.“大情境”應以知識遷移與實踐運用為目標，通過對真實情境進行簡化、提煉，達到培養學生運用知識解決實際問題的能力、提高學生物理學科核心素養的目的。

（四）基于“大情境”聚焦“大問題”，促進深度學習的發展

所謂“大問題”是指直指本質，涵蓋教學重難點，具有高水平的、以探究為主的、需要運用“大思維”才能解決的核心問題。“大問題”可以分解為若干具體的子問題，通過各個子問題的解決讓課堂教學層層深入，實現沉浸式學習與層進式學習的融合，促進深度學習的發展。“大問題”的設計可從以下方面入手：

1.“大問題”設計應具有激發性和連續推進性。以科學的“問題”作為切入點，組織學生去探討研究、交流思辨，不僅可以充分激發學生的學習熱情，還可以引導教學活動層層推進，帶領學生實現思維進階和深度學習。

2.“大問題”設計應具有互動性和差異性。高效課堂要求以學生為主體，合理地設計問題，不僅可以使師生間產生思維碰撞，幫助學生完成問題探究，還可以兼顧不同學生學科素養的差異，盡可能地讓每一個學生都能進行高效的、持續的深度學習。

3.“大問題”設計應具拓展性和創新性。核心素養下，應使課堂回歸到科學教育軌道上，對此教師可通過設計問題引導學生反思創新，加強學生的思維訓練，使學生開展深度學習。

綜上所述，將“大概念”“大思維”“大情境”“大問題”恰到好處地滲透到各個教學環節，能使大單元教學既統攬全局又有序開展，從而有效促進學生進行深度學習，提高學生的核心素養。

二、基于深度學習的高中物理大單元教學設計案例

為了更好地培養學生的核心素養，筆者結合新課標和大單元教學理念，開展基于深度學習的高中物理大單元教學實踐，探索高效課堂教學設計和實施策略。結合實際教學效果，筆者選定人教版高中物理必修第二冊第八章第四節“機械能守恒定律”為大單元教學設計案例，具體教學過程設計如下。

（一）創設情境，提出問題

真實情境：（1）準備好兩杯水，將其中一杯的部分水倒入另一杯中，問學生有什么規律。（2）做游戲：讓一名學生上講臺演示，先用一細繩拴住一鋼球，將鋼球拉到該生的鼻尖位置，然后釋放鋼球，觀察該生的反應（見圖1）。

問題設計：你們觀察到了什么現象？你們感受到能量了嗎？可以得出一個什么結論？能量在轉化過程中總量都是不變的嗎？

設計意圖：創設真實情境，引導學生感受能量及能量轉化，并通過類比倒水過程中水杯里的水此消彼長，建立能量轉化觀念，提出自然界守恒“大概念”，引入追尋守恒量的“大問題”。

（二）建立模型，科學探究

1.回顧歷史，追尋守恒量

伽利略在研究小球在光滑斜面上的運動時，發現無論是斜面A的傾角和斜面B的傾角哪個大（見圖2），在斜面上某處靜止釋放小球后，小球的速度最后總會在高度相同的那個地方變為零。

問題設計：通過分析系統的起始狀態和末了狀態，你發現有哪些物理量是變化的？哪些是不變的？生活中還有哪些能量轉化的例子？這些不變量在其他案例中是否具有普遍性？

設計意圖：通過問題引導學生聯想生活情境，討論能量轉化中的不變量是否具有普遍性，并做出猜想，使學生形成解決問題的“大思維”。

2.聯系真實情境，建立模型

學生活動：學生先列舉生活中動能和重力勢能的轉化實例以及動能和彈性勢能的轉化實例，例如下落的果子、過山車、蕩秋千、蹦極等，然后將自己聯想的實際情境理想化處理并自主構建模型，最后完成導學案（見圖3）中分組探究1的任務。

問題設計：你們所列舉的案例中有哪些能量轉化？有哪些力做功？怎樣衡量能量的大??？

設計意圖：讓學生體會解決問題的科學方法，通過問題引導學生聯系生活創設動能和勢能轉化的“大情境”，并簡化真實情境建立模型，深度思考能量的定量計算方法，為機械能守恒定律的建立提供情境模型和思想方法。

3.建立概念，探究論證

合作探究：在學生建立模型后，為了讓學生更好地探究動能和勢能轉化過程的不變量，教師與學生積極互動，建立機械能的概念，討論機械能的特點，即機械能是標量；機械能的大小是相對的；機械能具有系統性。依據機械能的概念，結合已建立的理想模型，通過功能關系尋找規律，并完成導學案中分組探究2的任務。

問題設計：在動能和勢能轉化的過程中，大家猜想的那個不變量（總量）叫什么？機械能有什么特點呢？利用功能關系如何驗證守恒猜想？

設計意圖：讓學生體會建立概念的必要性，通過問題引導學生利用模型和所學知識推導機械能關系，理解機械能守恒定律，培養學生的探究能力。

4.結合實境，拓展延伸

真實情境：一個小球在真空中做自由落體運動，另一個同樣的小球在黏性較大的液體中由靜止開始下落（見圖4），它們都由高度為h1的地方下落到高度為h2的地方。討論能量轉化情況，并總結機械能守恒的條件，即只有重力做功或彈力做功的系統。

問題設計：在這兩種情況下，重力勢能的減少量相等嗎？動能的增加量相等嗎？兩種情況下重力勢能分別轉化為什么形式的能？機械能還守恒嗎？研究機械能守恒還有意義嗎？

設計意圖：引導學生總結機械能守恒的條件，借助問題啟發學生通過真實情境拓展能量體系，促使學生深度學習，深度思考能量轉化的規律，形成守恒“大概念”。

5.初步構建能量體系，落實大單元教學理念

討論交流：列舉生活中不同形式能量（見圖5）的轉化情境，討論能量是否守恒。

問題設計：其他不同形式的能量可以轉化嗎？轉化過程中總量守恒嗎？

設計意圖：通過其他形式能量轉化的拓展，啟發學生對能量守恒進行思考，從而認識自然界的多樣性與統一性。

（三）總結歸納，實際應用

實際情境：蕩秋千（見圖6）時，在沒有人推且蕩秋千的人不動時，秋千擺動的幅度會逐漸變小。

問題設計：（1）秋千和人組成的系統能看成單擺模型嗎？秋千擺動過程中為什么擺幅會變??？秋千擺動過程中對應的能量轉化情況是怎樣的？機械能守恒嗎？能量守恒嗎？

（2）如果阻力可以忽略，秋千和人組成的系統機械能守恒嗎？

在（2）中所描述的情況下，已知秋千的繩長為L，秋千擺動的最大偏角為θ，則秋千擺動到最低位置時的速度是多大？

設計意圖：引導學生運用能量守恒定律分析生活中的一些實際問題，并讓學生依據核心問題忽略次要因素構建物理模型，結合物理模型運用機械能守恒定律解決問題，體會機械能守恒定律的優越性并感悟能量守恒。通過實際應用也讓學生回顧本節課的探究過程，形成解決實際問題的“大思維”，培養物理學科核心素養。

三、教學反思

通過本次教學研究和實踐，筆者發現“基于深度學習的物理大單元教學”是一種十分符合核心素養理念的教學方式。通過內在聯系和邏輯關系整合單元教學內容，不僅能讓學生掌握完整的、系統的學科知識，還能促進學生進行深度學習，提升學生解決問題的能力。為此，教師應進行基于深度學習的大單元教學的具體設計，從而有效提高教學質量和培養學生的核心素養。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 張玉峰.以大概念、大思路、大情境和大問題統領物理單元教學設計［J］.中學物理，2020（5）：2-7.

［2］? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［3］? 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發中心.普通高中教科書 物理 必修 第二冊［M］.北京：人民教育出版社，2020.