基于UbD理論的物理規律探究教學設計

摘" 要：在UbD理論的指導下，教師能夠通過“預期學習結果”“確定評估證據”“制訂學習體驗”等環節對牛頓第一定律進行逆向教學設計，從而促進學生深度理解物理規律、發展物理核心素養。

關鍵詞：UbD理論；物理規律；核心素養；牛頓第一定律

UbD理論是由美國課程專家格蘭特·威金斯（Grant Wiggins）和杰伊·麥克泰格（Jay McTighe）提出的，它是有關追求理解的教學設計理論（Understanding by Design，簡稱UbD）。［1］UbD理論的特點是“以終為始”，指從預期的學習結果開始，逆向思考，評估學生理解掌握學習結果的證據，最終根據學習結果和評估證據再制定相應的教學活動。依據UbD理論制定的教學活動過程如圖1所示。UbD的設計理念能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［2］，為學生深度理解物理規律、發展物理核心素養提供幫助。

牛頓第一定律將力與運動聯系起來，奠定了物理力學規律的基礎。《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）關于該內容的要求為“通過實驗和科學推理，認識牛頓第一定律。”［3］這里的“實驗”和“推理”分別對應物理學科核心素養中科學探究和科學思維兩個要素，該內容對“牛頓第一定律”的教與學提出了較高的要求。然而，以往教學的結果往往是學生能夠闡述定律的內容，但學生對牛頓第一定律的認識僅停留在機械記憶的層面；在解決實際問題時，學生仍然依靠生活經驗來進行判斷，缺乏對定律的本質理解。［4］為了解決這一問題，筆者在UbD理論的指導下，對“牛頓第一定律”一節進行逆向教學設計，以期幫助學生能深度理解牛頓第一定律，并學以致用。

1" 以終為始，預期學習成果

學習成果即學生的學習目標的達成，也是教學的最終目的。但在UbD理論下，學習目標變成了教學的起點，所有的教學設計都是圍繞學習目標來制定的。無論是《課程標準》還是教師教學用書，都涉及關于牛頓第一定律的學習目標。但教師還需進一步了解學生到底應該知道什么、理解什么、能夠做什么、什么內容值得理解。所以，教師要對這些綱領性質的目標大概念進行分解、轉化，從而繼續進行教學設計。

如果單純為了得到牛頓第一定律的內容，那么教學設計完全可以從亞里士多德的觀點出發，沿著歷史的軌跡提出伽利略的觀點，再至牛頓的思想，最后在實驗的基礎上分析、歸納得出牛頓第一定律。然而，這樣的教學設計對學生的邏輯思維和抽象思維的要求較高，大部分學生的學習都會出現困難。所以，學生學習牛頓第一定律的目標不應停留在了解內容層面，還應將總體目標轉化為更多、更細的分解目標。

2" 評價先行，確定評估證據

評估證據應圍繞核心素養的達成和學業質量標準的具體要求。［5］作業和考試并不是唯一的評估證據，有時學生雖然能順利通過小測驗或能正確回答問題，但未必能夠有效地運用知識。傳統的學習評估一般是在教學完成之后進行的；但是UbD理論卻將學習評估放在教學過程之前，目的是通過尋找合適的評估證據，使教學過程的設計更具有針對性。這就要求教師站在更長遠的角度進行思考，必須先找到能證明學生成功完成學習目標的證據后再考慮設計教學。［6］

UbD理論提出了理解的六個層面，即解釋、闡明、應用、洞察、升華和自我認知。本節課的學習并不僅包括牛頓第一定律這一定律本身的解釋、闡明和應用幾個層面，還包括在歷史長河中探究牛頓第一定律所經歷的科學探究方法、科學思維模式，以及在科學探究和科學思維過程中保持與科學家一致的科學態度與責任。物理教學的過程需要跳出知識本身，要在眾多知識的學習過程中洞察、升華和自我認知，這樣才能幫助學生形成一定的物理觀念、形成適應個人終身發展的必備品格和關鍵能力。

3" 素養導向，豐富學生學習體驗

當教師有了學習成果和評估證據后，就可以針對性地為學生制定豐富學生相應的學習體驗活動計劃。為了堅持《義務教育課程方案（2022年版）》提出的“變革育人方式，突出實踐”的基本原則，教師在制定學習體驗活動計劃時應加強其與生產勞動和社會實踐的聯系，充分發揮實踐的獨特育人功能。［7］UbD理論的第三階段是設計學習體驗和教學，不僅要保證學生有效地開展學習并獲得預期的結果，還要兼顧對學生學習過程中的建模、推理、論證和創新等能力以及問題、證據、解釋和交流等意識的培養，從而切實有效地養成和發展學生的核心素養，落實立德樹人。

學習體驗不等同于傳統的教學活動，因此學習體驗活動的設計要以學習者為中心，注重學生在學習和探究過程中對物理知識的產生、發展以及應用的真實體驗，同時還要關注學生在體驗過程中情感態度和價值觀的培養。牛頓第一定律并不能通過實驗證明，而是在可靠的實驗事實基礎上，通過科學推理總結得出的結論。教師可以將“探究真空能否傳聲”的實驗方法遷移到本節課，以降低學習者的學習難度。

4" 追求理解，逆向教學設計

基于UbD理論的三階段框架模版，以“牛頓第一定律”為例進行的逆向教學設計如下。

4.1" 第一階段：預期學習成果

根據物理學科核心素養以及《課程標準》對“牛頓第一定律”的要求，筆者確定如下學習目標：①通過實驗探究阻力對物體運動的影響，經過分析、歸納和推理建立牛頓第一定律；②通過解讀定律內容來理解牛頓第一定律，并能運用定律于分析實際現象；③通過觀察和歸納建立慣性的概念，并能解釋與慣性有關的現象。

由于以上學習目標相對比較抽象，教師還需要將學習目標進一步轉化并提煉為核心概念，即學生能夠理解：①力與運動的關系；②牛頓第一定律的內涵；③慣性是物體的一種物理屬性。

教師需進一步將學習目標分解為具體目標，即學生將會知道：①運動的物體最終停下是因為受到了阻力；②運動的物體，受到的阻力越小，運動的距離越遠；③運動的物體，不受阻力時，將永遠沿直線運動下去；④牛頓第一定律的內容；⑤慣性是維持物體運動的原因。

為了能夠達成目標，教師應該有針對性地提出一系列關鍵問題，以問題驅動學生科學思維的發展，例如，物體的運動需要力來維持嗎？物體的運動狀態為什么會改變？維持物體運動的原因是什么？哪些物體遵循牛頓第一定律？牛頓第一定律成立的條件是什么？不受力的物體到底保持靜止還是勻速直線運動？什么物體具有慣性？物體什么時候具有慣性？慣性的大小與什么因素有關？

教師還可以設計一些關鍵任務，以此驅動學生進行科學探究。學生將能夠根據演示實驗提出并更新關于力與運動關系的觀點；運用控制變量法和轉換法探究阻力對物體運動的影響；設計表格記錄實驗有關現象及數據；描述實驗現象，總結實驗結論，進行科學推理；利用慣性知識解釋生活中的相關現象。

由以上教學設計可以看出，UbD理論的第一階段包括“確定的學習目標”“學生將會理解”“提出的問題”“學生將會知道”“學生將能夠”等板塊組成，各板塊之間匹配協調，相互聯系（見圖2）。

4.2" 第二階段：確定評估證據

基于階段教學設計的預期結果，牛頓第一定律的教學可以制定如下評估證據：①列舉更多生活實例支持自己或質疑他人關于力與運動關系的觀點；②說明是否有其他方法反映阻力對運動的影響；③說明除了阻力外是否有其他因素影響物體的運動距離；④提取牛頓第一定律中的關鍵詞“一切”“總”以及“或”，并指出這些關鍵詞表達的含義；⑤列舉更多生活中的慣性現象，并指出哪些現象是如何利用慣性，哪些現象又是如何防止慣性產生的危害。

以上內容是通過表現性任務評價學生是否理解所學的知識。除此之外，教師還可以收集其他證據評估學生理解和掌握的程度，比如：①能夠回顧如何科學推理“探究真空能否傳聲”；②能正確推理判斷物體不受力后的運動狀態；③能正確分析慣性現象中各研究對象先后的狀態變化或不變化的原因。

學生也可以通過自我評價來檢測自己的學習效果。例如：是否了解從亞里士多德、伽利略、笛卡爾到牛頓關于研究力與運動關系的歷史過程？是否了解伽利略的理想斜面實驗在研究力與運動關系的歷史過程中的地位和作用？并對自己的實驗方案以及實驗過程進行總結評價。

《課程標準》倡導形式多樣的評價方式，并提出“教—學—評”一致性的要求。UbD理論第二階段的評估證據正是從理解的六層面出發，以多種評價方式將證據指向預期的學習目標，同時指導接下來的學習體驗設計，體現了“教—學—評”一致性的特點（見圖3）。

4.3" 第三階段：設計豐富學生學習體驗的活動

當教師頭腦中有了清晰的預期目標和合適的評估證據后，就應全面為學生設計最適合的學習體驗活動。牛頓第一定律的學習體驗設計如下。

4.3.1" 提出力與運動關系觀點

教師讓學生觀察“手推倒置小車”演示實驗，提出力與運動關系的觀點；介紹亞里士多德的觀點；觀察“手推正放小車”演示實驗，重新提出力與運動關系的觀點。

4.3.2" 探究阻力對運動的影響

教師帶領學生討論小車最終停下的原因，要求學生設計實驗探究小車不受阻力的運動情況（發現無法實施）；回顧“探究真空能否傳聲”的實驗，將實驗方法遷移至“探究小車不受阻力的運動情況”；將實驗目的改成“探究阻力對運動的影響”，要求學生設計實驗方案，繪制記錄表格，并對實驗方案進行評價；由實驗現象總結“阻力對運動的影響”，并在此事實的基礎上思考“當阻力為零時，物體將會如何運動”等問題。

4.3.3" 解讀牛頓第一定律內容

教師先向學生介紹伽利略的理想斜面實驗，再介紹笛卡爾對伽利略實驗結論的補充，最后介紹牛頓對前人的實驗的總結并得出牛頓第一定律。教師分析解讀牛頓第一定律的內容，并通過習題反饋學生對該定律的理解與掌握情況。

4.3.4" 認識慣性是物理屬性

教師帶領學生觀察慣性有關現象的實驗，從牛頓第一定律出發，分析原有運動狀態變與不變的原因；選擇給定的器材，設計一個能說明慣性的實驗，并利用慣性知識進行解釋觀察到的現象；了解生活中利用慣性以及防止慣性危害的例子，并用自己的語言對這些例子進行解釋。

以上學習體驗設計除了“介紹”的內容外，均從學習者的角度出發，用活動促進思維，以思維引領活動，充分發揮學生學習的主觀能動性。整個教學活動圍繞預期的目標，利用評估證據對課堂教學進行診斷與評價，以便及時調整教學節奏和策略，確保學生理解和掌握學習內容。

5" 結語

UbD理論是一種追求理解的教學設計理論，它將目標前置，通過評價先行，使得教學過程有效地避免了拼盤式活動和流水式灌輸的誤區。無論教學內容是什么，教師在運用UbD理論進行教學設計時，都要始終圍繞發展學生核心素養為目標。同時，評價也必須以學生發展為本，從而提升教學活動的目的性、實現教學結果的有效性。

參考文獻

［1］［美］格蘭特·威金斯，［美］杰伊·麥克泰格.追求理解的教學設計（第二版）［Ｍ］.閆寒冰，宋雪蓮，賴平，譯.上海：華東師范大學出版社，2017：8-9．

［2］陳民兵.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［J］.物理通報，2024（1）：61-64．

［3］［5］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，2022：15，45.

［4］陳潔.追求理解的逆向教學設計——以“牛頓第一定律”教學為例［J］.中學物理教學參考，2023，52（2）：33-36．

［6］連彬星.基于“UbD”模式的物理規律探究教學設計——以高一物理“勻變速直線運動的研究”單元為例［J］.物理教師，2020，41（5）：6-9．

［7］中華人民共和國教育部.義務教育課程方案（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022：5．