基于UbD理論的初中物理問題式概念教學新樣態
——以“電功率”為例

陳民兵

(海寧市斜橋中學 浙江 海寧 314410)

“促進理解”模式又稱為“通過設計促進理解”模式(understanding by design,簡稱UbD),是美國課程改革中近年涌現出來的一種新理論、新實踐[1]．這一理論是由格蘭特·威金斯和杰·麥克泰伊(Grant Wiggins & Jay McTighe)從1998年開始創立的,主張的“逆向設計”“理解”“大概念”等理念能夠有效地幫助廣大教師走出傳統活動導向和灌輸式教學設計的誤區．問題式教學以“問題發現”和“問題解決”為要旨,創設真實情境,引導學生運用物理思維方式建立知識結構．

“電功率”是初中電學的基石之一,一直都是教學的重點．電功率的傳統教學中,一般先結合功率概念的復習,然后通過對電器實例的分析,以信息呈現的方式告知學生做功多少和做功時間之間的聯系,從而建構電功率概念．這種教學方式固然可以提高課堂效率,但學生遺忘起來也很快,用來解決復雜問題并不奏效．本文基于UbD理論,采用逆向設計并結合問題式教學的方式落實課堂教學,促進學生對電功率的理解和應用．

1 基于UbD理論的問題式概念教學思路

1.1 促進概念理解的教學維度

UbD理論強調圍繞重要概念和基本問題對課堂教學進行設計,首先需要理解教學目標,學生明確他們要達到什么樣的目標．所謂理解,是指善于明智有效地在變式的、關鍵的、聯系實際的和新穎的情境中運用知識技能[2]．根據UbD理論確定概念理解的6個維度:解釋、釋義、應用、洞察、升華和自知．教師引導學生進行反省和重新思考,通過學業表現和成果來展示和評價其理解核心概念的程度．

1.2 促進問題解決的思維過程

學生的思維能力發展,往往蘊含在知識的建構過程中,體現在真實問題的解決過程中．問題解決一般分為:發現問題、分析問題、提出假設和檢驗假設,這4個階段串聯起問題式教學的起點、過程和終點．而每個階段又包含以下3個環節:在真實情境中發現問題,并對問題進行表征;尋找問題的影響因素,診斷問題產生的具體原因;提出問題解決的目標,實施對策進行測量、評價[3]．

1.3 促進概念建構的教學框架

UbD理論強調圍繞重要概念和基本問題對課堂教學進行設計,需要詳細闡述預期目標;圍繞知識遷移和表現性評估任務設計教學和學習體驗,注重學生自我反思和評價[4]．在物理概念完整的教學中,教學任務應被置于循序漸進的實際問題解決情境中來完成,根據“逆向設計”的3個階段,以及《義務教育物理課程標準(2022年版)》中提出問題式教學的一般程序,整合出設計框架,如圖1所示．

圖1 基于UbD模式的問題式概念教學框架

2 基于UbD模式的問題式概念教學路徑

2.1 確定預期 構建框架 解釋概念

具體而清晰的學習目標有利于學習者展開真實的探究,UbD模式以具體的結果作為學習目標,幫助學生對物理概念進行意義建構．教師利用問題建立課堂教學基本結構,引導學生通過探索、表現和反思來掌握物理概念．學生以學習目標、概念以及基本問題為問題式教學的探究活動提供參考依據,圍繞物理概念進行學習．

【教學片段一】學生按照圖2,連接電路,并記下電壓表和電流表的示數．教師拋出以下兩個問題:(1)該小燈泡消耗的電能與教室內燈泡消耗的電能相同嗎?(2)該小燈泡發光情況與教室內燈泡有什么不同?教師在學生回答的基礎上,引導學生回憶:什么是功率?功率的公式和單位是什么?功率的物理意義是什么?

圖2 教學片段一圖

電功率是一個模糊抽象的概念,從連接電路并記錄電壓表和電流表示數入手,通過觀察小燈泡與教室內燈泡的亮度比較其大小．通過設置連續的問題,轉化學科核心素養及追問學科本質與學習意義等方式引導學生從電能過渡到電功率．通過學生回答“是什么、為什么和應如何”一類問題,闡明對電功率的初步認識．

2.2 規劃學習 制定計劃 釋義概念

根據確定的預期,教師應該指導學生設計學習活動,然后師生一起找到評估證據．依據問題式教學的流程,為學生提供必要的經驗、工具、知識等來制定學習計劃并開展具體的教學活動．對教學活動而言,教師為學生提供重新思考概念和反思進展設計的引導性問題,幫助學生進行深入持久的科學探究．

【教學片段二】依據小燈泡的亮度判斷其電功率大小,教師提出新問題:影響小燈泡電功率大小的因素有哪些?學生依據已有經驗,提出影響小燈泡電功率大小的因素可能有電壓、電流、電阻、時間……教師組織學生分小組討論,排除無關的猜想,確認影響小燈泡電功率大小的因素可能有電壓、電流．最后采取控制變量法,設計具體的實驗探究方案、電路圖和實驗數據記錄表．

對影響電功率的因素提出猜想,并對猜想預判,然后通過討論,表達自己對學習內容的理解,尋找影響電功率大小的因素,并對影響因素做測量、評估,以診斷問題產生的具體原因．通過融合課本知識與現實生活,促成學生對電功率的理解與洞察．

2.3 評估目標 收集證據 應用概念

為預期的學習結果制定合適的評估證據——學生探究學習過程中形成的證據,能夠幫助學生反思和評價學習．物理概念可選擇表現性任務進行評估,通過實驗或其他證據進行評估．要讓學生積累學習經驗,以此來探尋更為重要的證據和本質問題,并且讓他們不斷研究、實踐,最后發現問題的本質．

【教學片段三】

進行實驗1：按照圖3把2只不同的小燈泡串聯在電路上,用電壓表測量小燈泡兩端的電壓,并將獲得數據記錄表1．教師引導學生分析表中數據完成實驗結論．

圖3 實驗1圖

表1 研究小燈泡的電功率跟電壓的關系

進行實驗2：按照圖4把2只不同的小燈泡并聯在電路上,用電流表測量通過小燈泡的電流,并將獲得數據記錄表2．教師引導學生分析表中數據完成實驗結論．師生在實驗1、2基礎上,總結提煉出影響電功率大小的因素是電壓和電流[5]．

圖4 實驗2圖

表2 研究小燈泡的電功率跟電流的關系

應用是指一種能把所學知識有效地應用于新穎和變式的情境中的過程．本環節通過觀察小燈泡的亮度來判斷小燈泡的電功率,實驗1采用串聯電路是控制通過小燈泡的電流相同,得出小燈泡的電功率跟小燈泡兩端的電壓有關．同理,實驗2得出小燈泡的電功率跟通過小燈泡的電流有關．綜合實驗1、2可知電壓和電流均影響電功率的大小．

2.4 設計問題 開展探究 洞察概念

問題式概念教學應該圍繞核心概念解決下位概念問題,在下位概念中發現新問題加強對核心概念理解的過程．教學中設置具有挑戰性的問題能激發學生深入探究核心概念的內涵和外延的意愿,是保持學生注意力和反思概念的重要方式．教師根據教學的預期結果和學生已有知識,創設問題情境,開展問題深入的科學探究．

【教學片段四】教師講述:進一步實驗表明,用電器的電功率等于用電器兩端電壓與通過用電器電流的乘積,即P=UI．讓學生利用圖2記錄的電壓表和電流表示數,計算出小燈泡的電功率．然后,教師展示小燈泡的銘牌“3.8 V 1.5 W”,讓學生思考,為什么計算的電功率與小燈泡銘牌標示的電功率差別這么大?最后,教師在學生討論的基礎上,剖析實際電功率和額定電功率．

洞察是指一種深刻的具有批判性的觀點或見解,能夠理解他人的想法,具備一種質疑的精神．首先通過電功率的公式,計算出小燈泡的實際電功率,然后與標定的額定電功率比較,引發認知上的沖突．明確考慮什么樣的前提?哪些觀點需要闡明?通過開展問題式探究,讓學生體悟各種用電器上標有的電壓大小、電功率大小是選用電器的一個重要參數,進而能夠理解他人的想法,具備質疑的精神．

2.5 反思過程 展評收獲 升華概念

教師通過設置新問題情境來引導學生進行反省和重新思考,以更深入地挖掘核心觀念．在課后練習中指導學生根據反饋和自我評估的信息,自我反思并做出相應的調整．教師指導學生通過自我評價明確其優勢和不足,并提出今后物理概念發展的目標[6]．

【教學片段五】教師通過課件展示分別標有“220 V 40 W”和“110 V 40 W”的兩個節能燈泡,讓學生思考:如果兩盞燈泡均處于額定電壓下正常工作,那一盞燈更亮些?教師在學生回答的基礎上,進一步引導學生反思電功率的本質屬性．在小結本課后,完成課堂練習“已知教室內的燈泡功率為30 W,教室內燈泡兩端電壓為220 V,計算出此時通過燈泡的電流大小．”并與本節課開始根據圖2記錄通過小燈泡的電流進行比較,有什么啟示呢?

設置討論兩個節能燈泡正常工作時的電功率大小,通過討論交流,深入體會他人觀點．對比不同亮度小燈泡的電流大小,進一步加深學生對電功率大小是由電流和電壓同時決定的,而不是單個因素所能決定的認知．運用多種不同的方式來呈現對電功率的理解,并從多個角度用不同的方法進行解決．

2.6 推理延伸 問題生成 自知概念

科學方法中,實驗法較為普遍,實驗加推理的方法可以延伸許多新的問題．教師引導學生分析推理、延伸想象,以促使學生深入理解物理概念,生成新的知識．自知是指一種認識自己無知的智慧,能夠理智地認識到自己的思維與行為模式的優勢和局限性．

【教學片段六】教師再次通過課件展示分別標有“220 V 40 W”和“110 V 40 W”的兩個節能燈泡．讓學生思考,如果將這兩盞燈泡并聯接在110 V的電路中,這兩盞燈泡的實際電功率一樣嗎?說出您的理由．教師在學生回答后,繼續引導學生思考:如果將這兩盞燈泡串聯接在220 V的電路中,這兩盞燈泡的實際電功率又會怎樣呢?寫出您的推理過程．

通過層層的問題推進,讓學生在復雜條件下,熟練應用和推導電功率的公式．這類問題對提高學生創造性思維能力是大有幫助的,它能使學生在掌握研究方法的同時更好地理解電功率．由此可見,教師通過一個接一個的問題生成,在推理中求延伸,可以促使學生剖析自我對概念的誤解、思維的限制,理解那些原本不理解的概念．

3 結束語

UbD模式強調在真實情境中遷移運用知識,促進學生理解知識,問題式教學以真實的情境展開物理教學活動．基于UbD模式的初中物理概念教學聚焦問題,包含激活舊知、示證新知、應用新知和在現實生活中能做到融會貫通不同的學習階段．實踐證明,基于UbD模式的初中物理問題式概念教學模式能使學生深度參與教學,大大提高學生學習效果,加深學生對物理概念的理解．