基于核心概念的高中物理單元教學設計探討

摘 要：高中課程結構凸顯知識的系統性，其核心概念的指向性非常明確。故筆者認為，高中物理教學設計不應倡導大單元教學設計，而應提倡實施單元教學設計。本文以“牛頓運動定律”單元教學設計為例，闡述了核心概念視角下的單元教學設計流程，為廣大一線物理教師提供單元教學設計案例參考。

關鍵詞：核心概念；單元教學設計；牛頓運動定律

1 基于核心概念的高中物理單元設計

基本概念是對事物現象或事實概括形成的反映對象本質屬性的觀念，如物理學中的質點、速度、加速度、電流、電壓、分子勢能等。核心概念是學科知識領域的核心，包括基本的概念、規律、原理，這些內容能夠展現學科的圖景，是學科結構的主干部分，如物理學中的機械運動、牛頓運動定律、機械能、分子運動論、熱力學定律等。大概念是反映學科本質的，具有抽象、概括、統攝和遷移價值的學科思想和學科觀念。大概念既不是事實性知識，也不是程序性知識，它是有關學科的一些基本思想和觀念，如物理學中的物質觀、運動與相互作用觀、能量觀、時空觀等。

按照當前基礎教育比較流行的大單元與大概念的說法，大單元教學設計是基于學科大概念進行構建和設計，單元教學設計是基于學科核心概念進行構建和設計，課時教學設計是基于學科某個（或幾個）基本概念、基本規律及其應用而進行構建和設計，即平時所說的教案、教學設計等。圖1是以大概念“運動和相互作用”構建的大單元教學設計，其教學目標是讓學生形成運動和相互作用觀，能夠解決生產和生活中的實際力學問題；圖2是以核心概念“勻變速直線運動”構建的單元教學設計，其教學目標是讓學生認識勻變速直線運動的規律，能夠解決生產和生活中的運動問題。

2 高中物理教學應該提倡單元教學設計

表1和圖3為初中物理課程內容框架與高中物理課程結構。對比發現，初中物理課程內容框架是以物質、運動和相互作用、能量等一級主題進行編排，大概念指向性比較強，故在初中比較適合開展大單元教學；高中物理課程結構基本是按照力學、熱學、電磁學、光學、原子物理學等知識體系進行劃分，突顯知識的邏輯性和系統性，核心概念指向性非常強，故筆者認為高中物理教學設計不應該倡導大單元教學設計，而應該提倡實施單元教學設計。

單元教學設計是從單元角度出發，根據單元知識點的需要，綜合運用各種教學形式、教學策略，保證學習者完成相對完整的知識內容的學習。單元教學設計包括學習目標、學習內容、學習方法、學習評價等要素。

傳統課時教學側重于知識、技能的學習，由于課時時間的限制，課堂教學難以保證學生擁有足夠的自主探究時間及深入思考空間，導致學生在學習知識的過程中存在內容碎片化等問題。單元教學設計立足于學生素養發展的高度，著眼于單元內容的完整性，從整個單元教學的時間跨度出發，進行教學設計與規劃，保證學習目標由割裂走向系統，學習內容由碎片化走向結構化，學習過程與評價由分離走向融合。

單元教學設計雖然是從整體角度對單元知識內容進行重組與整合，但常規學科教學中還是要將單元教學設計內容細化為課時安排，即單元教學設計最終還是要轉化為課時教學設計。

3 如何進行單元教學設計

在進行單元教學設計時，需要注意以下幾個問題：首先，單元教學設計中要體現對學生核心素養的培養，要依據《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）、學生情況、教材教參等因素進行單元目標的制定，要關注課時目標與單元目標的一致性，以實現學生知識能力與必備品格的融合；其次，單元教學設計的授課類型選擇、教學方式選取、學習活動設計等，都要為教學目標的落實服務，也都要與單元教學內容、單元教學目標相吻合；再次，單元教學設計中的學習活動設計要符合學生的最近發展區，體現從簡單到復雜、從基礎到深入的教學原則；最后，根據教學評價，單元教學設計要能夠完善教學設計與教學過程，在促進學生發展的同時，促進教師自身的專業發展。

單元教學設計一般包括教學分析、教學設計、教學評價三個方面，具體設計流程如圖4所示。

4 單元教學設計案例分析——以“牛頓運動定律”為例

本單元教學設計內容由粵教版高中物理必修第一冊第四章“牛頓運動定律”第一節至第六節和必修第二冊第五章第一節“牛頓力學的成就與局限性”組成，如圖5所示。

4.1 教學分析

4.1.1 《課程標準》分析

《課程標準》內容要求：“通過實驗，探究物體運動的加速度與物體受力、物體質量的關系；理解牛頓運動定律，能用牛頓運動定律解釋生產生活中的有關現象、解決有關問題；通過實驗，認識超重和失重現象^［3］；知道牛頓力學的局限性，體會人類對自然界的探索是不斷深入的。”^［4］

探究物體運動的加速度a與物體受力F、質量m的關系時，運用控制變量法從兩個方向進行實驗探究，即m一定，探究a與F的關系；F一定，探究a與m的關系。《課程標準》要求學生設計實驗方案，學會分析和處理實驗數據的方法，提高科學探究能力。同時要求學生理解牛頓運動定律的文字敘述及數學表達，明確其成立條件和適用范圍，能應用牛頓運動定律分析解決現實情境問題。在應用牛頓運動定律解決問題的教學中（包括超重與失重），學生應重點體會運用牛頓運動定律解決問題的思路，逐步形成運動與相互作用觀念，提升物理學科素養水平。學生還要知道牛頓運動定律具有局限性，體會科學是一個永恒的探究過程。

4.1.2 教材分析

4.1.2.1 整體編排分析

牛頓運動定律是動力學的核心內容，根據牛頓運動定律可以確定物體具體位置、速度大小和方向的變化，從而控制物體的運動。牛頓運動定律對直線運動、曲線運動都適用，但本單元教學設計只討論物體做直線運動的情況，旨在為后續學習牛頓運動定律在曲線運動中的應用奠定基礎。

牛頓運動定律單元的編排遵循先規律后應用的順序。牛頓第一定律是牛頓力學的基石，它提出了力、慣性兩個重要的基本物理概念；設置實驗探究a與F、m的關系，讓學生了解牛頓第二定律的實驗基礎，并在實驗的基礎上引導學生認識牛頓第二定律；牛頓第三定律是牛頓力學的基本組成部分，這部分的學習不僅深化了學生對力的作用相互性的認識，同時也使問題的研究對象從單一拓展為多元。牛頓運動定律的兩類基本問題和超重、失重問題，是牛頓運動定律的具體運用，是運用牛頓運動定律解釋、解決生產生活中的有關現象及問題。此外，牛頓運動定律只適用于宏觀尺度與物體低速運動的情況，無法解釋微觀粒子和接近光速運動物體的運動情況。

4.1.2.2 單元內容分析

教材是編寫專家在對《課程標準》的認識、理解的基礎上，對學科知識進行科學篩選、提煉與編排而成的。為落實《課程標準》的理念和要求，教材為學習內容設計了形式多樣的欄目，如“觀察與思考”“討論與交流”“資料活頁”等欄目，以及插圖、旁注等方式。教師在進行單元內容分析時，要理解教材編寫者的編寫意圖，理解單元內容和單元結構的特點，理解教材中欄目、插圖的呈現目的，理解單元內容所承載的核心素養培養目標。以下是對“牛頓第一定律”章節內容的教材分析（見表2）。

4.1.3 學情分析

學情分析是分析學生的實際情況，選擇適合學生能力水平的教學方式，設計符合學生認知傾向的教學活動，可以有效地提高教學效果。學情分析包括對學生的生理與心理特點、認知基礎和經驗、可能會遇到的困難等方面的分析。學情分析的方法包括：根據積累的教學經驗進行分析的經驗分析法；根據學生資料（如筆記本、練習、試卷等）及教學資料（如以往教案、教學反思等）進行分析的資料分析法；根據調查問卷、前測試題結果進行分析的前測法；根據與學生、其他任課教師的訪談情況進行分析的訪談法等。

筆者根據學生的心理特點、認知基礎等，綜合運用各種分析方法，得出“牛頓運動定律”單元的學情分析結果（見表3）。

4.2 教學設計

4.2.1 主題設計：為何要學此單元

單元主題是依據《課程標準》圍繞學科某一單元核心內容組織起來的核心話題，是在分析課程標準、教材內容、學生情況等各方面的基礎上得出的，其體現了學科單元知識的發展與學科思想的深化，并能夠激勵學生積極參與學習，促進學生素養的進階發展。通過上述分析，可以確定“牛頓運動定律”單元教學設計的主題是“牛頓運動定律”，核心概念是“力是改變物體運動狀態的原因”，核心問題是“力與運動的關系”。

4.2.2 目標設計：期望能學會什么

單元教學目標是依據《課程標準》要求和教材內容，融合單元主題所承載的學科知識、能力和方法，是結合學生情況和學習需求，多方論證生成的教學預判和假設。

單元教學目標的確定要注意以下幾個方面：首先，要突出學生的主體性，從發展學生核心素養和學科育人目標的角度去考慮，幫助學生找到學習的重點，讓學生知道需要學什么，想要取得哪些收獲等；其次，要體現內容的一致性，要與《課程標準》的教學內容要求和教材的主要知識及學生實際情況等各方面相統一；再次，要指向思維的發展性，著重發展學生遷移應用學科知識解決問題的能力；最后，要保證評價設置的可測性，評價目標應可檢測、可操作，能及時、準確反饋教學效果及學習效果。

確定單元教學目標路徑時可先構建單元教學目標，再分解課時目標；也可先梳理課時目標，再構建單元教學目標。無論采取何種路徑，都應明確單元教學內容的重點、難點，明確該單元需要學生了解什么、操作什么、理解什么、經歷什么，然后尋找出突破的教學策略、教學手段、學習活動等。

本文中的“牛頓運動定律”單元采取先梳理課時目標，再構建單元教學目標的路徑，設計的單元教學目標如下。

（1）形成運動與相互作用的物理觀念，掌握牛頓運動定律的內容及表達式，熟練運用其解決相關物理問題。

（2）經歷超重、失重等概念模型的構建過程，體會控制變量法和圖像法處理數據在物理研究中的意義，學會運用整體法和隔離法分析力學系統加速度問題。

（3）通過演示理想斜面實驗，探究a與F、m關系，探究作用力與反作用力關系，演示超重、失重實驗等，經歷“問題、探究、解釋、交流”過程，提升科學探究能力。

（4）培養規范實驗操作的意識，滲透科學嚴謹的態度，通過對牛頓第一定律、牛頓力學的成就與局限性等內容的學習，樹立敢于質疑、勇于探索創新的科學精神。

4.2.3 問題設計：讓學習真正發生

讓學生核心素養培養落地于課堂教學，實施素質教育的關鍵是有效提高課堂效果；由于學生思維過程往往從問題開始，故問題的設計是提高課堂效率的重要環節。單元教學設計中，教師要精心設計問題，點燃學生的思維火花，激發學生的探究欲望。學習問題的設計可以通過生活現象、實驗內容、實驗現象，也可以通過教育技術方式（如視頻、動畫等）進行，還可以通過歷史故事、生活案例等素材進行。

學習問題的設計應注意設計的問題要指向明確、適當開放，確保學生思維積極有效；要基于學生實際情況、難度適當，能激發學生深度思考；要挖掘教材內容，聯系實際，激發學生學習興趣；應富有邏輯，層層遞進，引導學生思維逐步深入。以下是對“牛頓運動定律”單元教學設計的學習問題（見表4）。

4.2.4 活動設計：讓物理回歸生活

學習活動是通過規定學生要完成的學習任務和實現的學習目標等，引發學生自我認知和思維的一種方式。學生在教師指導下開展自主學習、探究學習和合作學習，激發自身學習的積極性和主動性，最終實現學習最優化的目的。學習活動是提升學生核心素養的有效途徑，學習過程應該回歸到親身實踐、主動探究、深度思考、理性提升的充滿活力的育人軌道上。

優秀的單元學習活動設計應能夠激發學生的學習興趣，提高課堂的教學效果。優秀的單元學習活動設計應具備以下特點：首先，具有情境化的挑戰性學習任務，學生在學習中能調動、激活以往的知識經驗，提出有探究價值的物理問題，并能以問題為導向進行科學探究活動，達成提升深度思維的目的；其次，能夠讓學生積極開展合作交流，經歷“問題、探究、應用、遷移、創新”的知識形成過程和應用過程，達成內化學生情感的目的；最后，能夠讓學生以融會貫通的方式對學習內容進行構建、重組，達成使學生知識系統化、結構化的目的。以下是對“牛頓運動定律”單元教學所設計的學習活動（見表5）。

4.2.5 策略設計：需要怎樣的學習

單元教學策略設計就是教師根據單元教學內容、學習者特征、教學媒體和學習環境等，考慮選擇哪種教學方法，確定哪種教學程序和組織形式，從而解決教師“如何教”和學生“如何學”的問題。

李秉德教授根據學生認識活動的特點，將教學方法進行如下分類：以語言傳遞信息為主的方法，即講授法、談話法、討論法、讀書指導法等；以直接感知為主的方法，即演示法、參觀法等；以實際訓練為主的方法，即練習法、實驗法、實習作業法等；以欣賞活動為主的教學方法，即陶冶法等；以引導探究為主的方法：即發現法、探究法等。^［5］以下是“牛頓運動定律”單元教學設計的學習策略（見表6）。

4.3 教學評價

4.3.1 學習評價：如何知道學會了

教學評價是依據教學目標對教學過程及結果進行價值判斷，同時評價結果又為教學決策服務的活動過程；教學目標是教學評價的標尺，教學評價則為教學目標的調整提供反饋。教學評價包括對教學過程中教師、學生、教學內容、教學方法手段、教學環境、教學管理等因素的評價，主要是對學生學習效果和教師教學過程的評價。

針對學生學習效果的評價要堅持以下原則：首先，要堅持持續性評價，即評價應貫穿單元學習始終，包括課前、課中和課后，對單元學習目標達成情況進行測查，起到監測與調控學習過程、反饋與指導教學內容的作用；其次，要強化形成性評價，即教師要選有意義、有價值的學習活動進行學習表現評價，關注學生學習行為，關注教師指導學習行為的有效性；最后，要探索增值性評價，即教師要關注學生群體和個體在學習過程中的增值表現，進行評價、激勵和指導。

單元學習評價要根據單元教學目標、學生學習情況等因素來綜合考慮設計評價任務、制定評價量表，通過學生完成任務的情況來評估其知識、能力發展水平。在“牛頓運動定律”單元教學設計中，當學生完成對牛頓第二定律的學習后，筆者布置了“應用簡單的器材制作加速度測量儀”的課后作業，同時制定了相應的學習評價量表（見表7）。

4.3.2 學后反思：怎樣去管理學習？

學習的主體是學生，教師不能也不應該替代學生進行學習，教師應教會學生如何學習，引導學生做學習的管理者。學后反思是學習過程的重要環節，教師應設計好反思支架和反思路徑，讓學生去感悟、思考已學的內容，將知識轉化為能力，進而將能力內化為素養。例如，以單元為整體設計鞏固類、檢測類、提高類和拓展類作業，增強學生的學習效果；指導學生運用思維導圖等手段進行知識整理，構建知識體系，從而提高學習效率。

5 結語

提倡單元教學設計并不是忽視課時教學，單元教學設計最終還是落實于課時教學。單元教學設計是從更高站位對教學內容進行整體審視與規劃，基于核心概念視域對教學內容進行重組、構建，并將相對割裂、碎片化的知識有效整合起來，從而促進教學內容的結構化，最終達成培養學生核心素養的目標。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022：8．

［2］［3］［4］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，2020：9，12-13，16．

［5］李秉德.教學論［M］. 北京：人民教育出版社，1991：195.