指向深度理解的高中物理單元教學設計

摘要：隨著新課程改革的不斷推進，單元教學逐漸成為培養學科核心素養，促成深度學習理解的重要途徑，但在具體的教學實踐中仍存在評價與教學活動關聯度不足，對知識理解促進性不夠等問題。UbD模式的單元教學設計基于對學習單元和學習者的深入分析，在確定預期學習目標之后，制訂對應的評估計劃，進而設計有利于學習目標達成和評估證據收集的挑戰性任務活動，能顯著促進對知識的深度理解。本文以“相互作用——力”這一學習單元為例，在UbD設計理論的指導下進行單元教學設計，并實施融合信息技術的教學活動。

關鍵詞：深度理解" 單元教學" 相互作用" Phyphox

本文系2022年度安徽省教育科學研究課題“活動與體驗：ADE模型支撐下物理單元學習中挑戰性任務設計的實踐研究”（項目編號為JK22094）；2023年度安徽省教育信息技術研究課題“Phyphox支持下高中物理實驗校本課程的開發與實踐”（項目編號為AH2023043）的研究成果。

一、單元教學與深度理解

（一）單元教學

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標）指出，普通高中教育應著重培養學生的科學文化素養、終身學習能力、自主發展能力、溝通合作能力等綜合素質，這要求我們在學科教學過程中不僅要關注學生對學科知識最終的理解和掌握，也要注意對知識理解的建立過程。學生的學科觀念和科學思維需要在較長的時間尺度內得到培育和發展，傳統課堂碎片式、分散式的課時教學已經不適用新形勢下的教學需求。單元教學可以用大概念、大情境、大方法等不同的整合方式來確定學習主題，在學習主題內，依托挑戰性大任務引領的連續性學習進程和情境化的學習環境，構建出一條學生學科能力提升和素養深化發展的有效路徑。

（二）深度理解

深度理解意味著一種對知識在智力層面的建構過程，相對于“知道事實”“了解規律”等學習層次，學習者能對事實與知識進行關聯，能解釋相關規律或者驗證理論的正確性，可以對看似分散、無關的元素或事實進行有意義的推斷。已達成深度理解的知識或方法具備明顯的可遷移性，學習者能在現實的任務情境中，合理運用知識解決問題。UbD模式是格蘭特·威金斯等人提出的教學設計模式，該模式倡導“目標—證據—活動”的逆向教學路徑，首先確定預期的學習結果，包括預期達成的學習目標，進而給出指向深度理解的可觀測的評估證據，并把評估證據的收集融入接下來的教學活動之中，對學生達成深度理解有顯著的正向促進作用。

二、“相互作用——力”單元教學設計

（一）明確預期結果

在單元教學設計中，教學目標起著對各個教學要素統領的作用，在一定程度上對課程資源的開發與實施有約束的作用，是教學設計的起點，也是教學過程的終點，因此指向深度理解的教學設計首先要在深入分析學習者和學習資源的前提下明確預期結果。

新課標指出本單元的教學要注重對學生物理觀念與科學探究素養水平的提升，此外相互作用與運動觀念兩者密不可分。學生通過本單元的學習，要初步意識到力與運動狀態的內在聯系，為下一單元動力學的深入學習打好基礎。本單元的主線教學邏輯是由感受現象到建立概念，由生成規律到遷移應用，單元內容自成一體，學生能在本單元學習中經歷完整的模塊化觀念和素養的建構過程?？梢钥吹?，本單元的知識結構基本遵循“概念—規律—應用”的演變路徑，學生從最基本的力學概念逐步接觸到平行四邊形定則、共點力平衡條件等物理規律，最終面對一些較復雜的問題場景，整體知識結構連貫、關聯而又富有進階性。通過對知識結構的深入分析可以發現，本單元知識的進階性與學生能力發展路徑緊密相連，最終指向了學生學科觀念的建立和能力的強化。綜合以上分析，單元教學設計階段1如下：

（二）確定評估證據

傳統的教學設計中，一般遵循“目標—活動—評價”的設計順序，評價措施主要以課時作業、單元檢測等階段性、終結性評價為主，與教學過程本身關聯度較低。UbD模式的教學設計由美國學者格蘭特·威金斯提出后，很快成為美國教育界大力推廣的教學模式，與傳統教學設計最大的區別在于評估設計的前置，體現評價對知識理解的監測和促進作用。本單元中，學生的學習路徑是在理解常見的力概念的基礎上，探究得到合力與分力的關系、共點力平衡的條件，最終能對實際生活中較復雜的過程進行抽象建模，解決一些力學問題。學習過程的評估證據要結合情境進行收集，一般以可觀測的表現性任務為主，以紙筆檢測為輔。下面是階段2教學設計：

（三）設計教學活動

新課標建議在進行概念教學或規律探究的過程中要注重情境的創設，教師引導學生基于對情境的分析來凝練概念、發現問題、探究規律。在單元教學中，教學活動可結合情境性的大任務呈現，具備挑戰性、結構性、導向性的特征，對整體教學活動起著的定位與導航的作用。綜合前兩個階段教學設計，本單元活動大任務最終設定為“定量設計模擬叢林穿梭項目”。

某幼兒園為了綜合鍛煉孩子們的心理素質和體能，準備建設一座模擬叢林穿梭的項目，可用場地尺寸為長14米、寬15米（約半個籃球場面積）。假設你是一名幼兒園環創設計師，請你在理解相關無動力設施力學知識的基礎上，提供一個3～5個環節的模擬穿梭項目的設計方案，包含設計圖紙，材料尺寸和相關參數。設施標準要求為最低高度0.5 m，最大高度3 m，支撐結構為中空鋼柱，保護措施為網狀環繞。

單元大任務將在單元教學第一課時向學生進行發布，學生通過閱讀文案，了解本單元基本的知識內容和最終完成的情境任務。在單元教學大任務發布之后，需要把大任務分解出的子任務對應到每一課時教學。

對于初入高中的學生，蹦床、吊環、滑梯等無動力游樂設施是他們比較熟悉的力學場景案例，其中的許多力學問題都可以成為一個獨立的探究性問題，可以很好地驅動學生主動學習，達成對基礎力學概念的深度理解。模擬叢林穿梭項目對于學生來說是一個趣味性和挑戰性并存的研究項目，在解決問題的過程中學生需要運用所學知識建構合理、科學的力學模型，并通過展示、交流來評估和改進方案，進一步加深對所學力學規律的理解。

（四）課時教學活動

依據單元教學設計的整體安排，可以對具體的課時教學進行設計，UbD的設計理念不僅指導學習單元的整體設計，同時也滲透在每個具體的課時教學中。在具體的教學課時中，學生的學習過程同時是評估證據的收集過程，教師從學生持續性的任務表現對學習成效進行及時的監測，以確定學生是否在該階段達到應有的理解層次，同時可以結合評價來正向促進學生的學習動機和效率，使學生能在能力范圍內對知識進行深度理解。以下是本單元第四課時“力的合成與分解”教學活動設計與分析。

表5" “力的合成與分解”教學活動設計與分析

環節一：研究問題的提出

情境：展示小朋友在兩個不同吊環上的活動。

問題：在視頻中，有什么相同之處和不同之處？

活動：學生認真觀察視頻，發現同一個小朋友在不同的吊環上堅持的時間不同，兩個吊環的間距不同。進而在教師的引導下設想并確定本節課研究問題：為什么同一人在不同的吊環上堅持的時間不同呢？這對于吊環裝置的設計有哪些現實啟示？

評價：通過對視頻的觀察結果評測學生感知事物間相互作用的能力，從問題的猜想中評價學生發現有價值問題的能力。

設計意圖：對知識的深度學習需要從一個有意義且富有挑戰性的問題開始，本環節中學生通過觀察相互作用案例并對研究問題進行提煉，鍛煉了學生發現有意義問題的能力。

環節二：概念建立

情境：展示小朋友吊環活動的靜態圖片。

問題：以小朋友為研究對象，受到哪些力？有什么特點？

活動：分組對小朋友的受力情況進行分析，并畫在學案上，交流這些力的特點，在教師的引導下構建共點力、合力、分力的概念。

評價：從受力分析的結果評價學生對重力、彈力的理解程度，從小組交流的表現評估學生從現象得到規律的歸納能力。

設計意圖：概念的建構需要學習者在多樣化的場景中準確把握物理量的本質特征，本環節教師基于學生已有的學習基礎，給予適當的引導，幫助學生完成概念的自我構建。

續表

環節三：規律探究

情境：提供學生彈簧、細線、橡皮筋、木板、刻度尺等常規實驗器材。

問題：合力與分力存在什么樣關系，能不能利用現有器材進行探究呢？

活動：學生分組討論交流，得到初步方案，在教師的指導下進一步對實驗方案進行完善。分組進行實驗探究，展示并交流組內的探究結果。教師使用基于Phyphox的力學傳感器進行教學演示，并鼓勵學生思考力學傳感器的工作原理。多功能力學傳感器的硬件結構包括懸臂梁式稱重傳感器、HX711力學模塊、ESP32開發板、電源模塊等。通電后能通過藍牙與手機Phyphox軟件進行通信，并實時生成力與時間的關系圖像，可以應用在高中物理力學的課堂教學中，幫助學生理解力學原理，提升學生跨學科的綜合素養。

評價：從初步方案的設計評價學生探究素養的發展情況，從方案的實施過程和結果評價學生對實驗器材的熟悉程度。

設計意圖：物理規律的探究過程應該是一個教師主導下，學生為主體的探究過程。本環節初步方案的制定和完善均由學生完成，方案的實施也是在教師的指導下由學生完成，保證了學生實驗探究能力的發展和對相關知識的深度理解，并在教學活動中滲透信息技術的使用，發展了學生跨學科的素養。

環節四：研究問題的解決與啟示

情境：再次回顧小朋友吊環活動的視頻。

問題：同一人在不同間距的吊環上堅持的時間為什么不同？這對于吊環裝置的設計有哪些現實啟示？

活動：學生各自獨立進行研究，對實際場景抽象建模之后，在學案上進行問題的解決，并在組內進行交流、展示。教師對各組的研究結果進行點評，最后總結結論：吊環的間距不同，導致重力的兩個分力大小不同，且夾角越大，分力越大，所以小朋友堅持的時間不同。在吊環設施的建設中，應充分考慮小朋友的臂力和體重范圍，從而確定合適的吊環間距。

評價：在問題解決的過程中，評價學生對真實情境問題的抽象建模能力和對物理規律的應用能力。用設計啟示的討論結果評價學生應用物理知識解決實際問題的能力。

設計意圖：本環節通過對課時問題的解決，驅動學生經歷了物理知識從生活中來，到生活中去的研究過程，提高了向學生解決真實問題的能力，促進學生達成對所學知識的深度理解。

三、小結

隨著廣大一線教師對單元教學模式的深入理解和實踐探究，如何在連續性的單元教學過程中對學生的學習理解進行有效的監測與評價是一個值得思考的問題。新課標明確了教學評價對深度理解的促進作用，因此在本單元教學的設計和實施階段，教師作為教學的主導者和引領者，在深入分析新課標和教材的基礎上制定了引領性的教學目標，確定對知識的預期理解，并以此來對教學活動與評價進行統整和指引，進而基于真實的生活情境進行挑戰性、表現性的大任務設計和子任務分解，使學生經歷結構化、連續性、進階性的學習過程。教師通過融合Phyphox的教學器材提升學生跨學科的綜合素養，可以通過課堂問答、小組展示等多種評價方式來獲取學生的學習成效，研判學生對學科知識的理解和掌握程度，同時也對學生的學習過程進行正向引導和鼓勵，最大限度地促進學生核心素養的發展，幫助學生達成對知識的深度理解。

參考文獻：

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責任編輯：黃大燦