基于深度學習的初中物理大單元教學智能設計模型研究

隨著時代的飛速發展，教育教學改革不斷向縱深推進，以契合社會發展的多元需求。然而，在當下傳統教學模式的框架下，學生的綜合素養與能力發展未能得到切實有效的提升。在積極探尋新型教學模式以扭轉這一局面的過程中，深度學習被證實能夠有力促進學生更好地發展物理學科核心素養。大單元教學作為推動深度學習的有效載體，從整體維度對教學內容進行整合，有助于學生迅速把握核心知識脈絡。目前，國內關于深度學習與大單元教學的研究尚處于發展階段，尤其是在具體教學設計方面的研究相對匱乏。本研究基于深度學習理論與大單元教學的整合優勢，緊密結合初中物理學科的特點，創新性地融入AI技術手段，構建全新的大單元教學模式，旨在有效破解知識碎片化、學生知識遷移能力不足等教學難題。

一、深度學習與大單元教學的概述

（一）深度學習

Marton和Saljo將“深度學習\"引人教育領域，與“淺層學習\"形成對比。淺層學習聚焦機械記憶、被動接受，而深度學習強調學生主動理解，在充分理解知識的基礎上，重視新舊知識的關聯，指向知識實際應用，同時關注學習過程中的反思。在培養學生學科核心素養的大背景下，深度學習理念走進了大中小學課堂，比如項目式學習（PBL）在教學實踐中推廣，學生通過協作探究學習、反思性實踐，深度參與知識體系構建。

深度學習在機器學習中是實現人工智能的技術手段，而在教育學中是培養高階思維的學習范式。盡管領域不同，但二者均追求通過層次化處理提升效能。未來，二者的融合或將為教育創新提供新的可能性，如通過AI個性化賦能，促進學生深度學習能力提升。

（二）大單元教學

在教育領域，大單元教學是一種以整體性、系統性和深度整合為核心的教學設計理念，強調打破傳統以單一知識點或單篇課文為單位的教學方式，轉而圍繞一個主題、問題或項目，整合學科內或跨學科的知識、技能、方法，構建連貫且完整的學習單元。以任務為驅動，設計真實或模擬的復雜情境，引導學生通過探究、合作等方式解決問題，強調“做中學”。其核心目標是通過結構化、情境化的學習任務，促進學生深度學習，發展核心素養和提升綜合能力。

大單元教學的提出，首先可以解決知識碎片化的問題，通過整合內容，幫助學生理解知識間的聯系，避免孤立學習。其次能適應復雜社會需求，培養學生在真實情境中綜合運用知識解決問題的能力。

（三）深度學習理念與大單元教學融合

在物理學科中傳統分課時教學方式會導致知識割裂，題海戰術導致學生“會解題不會解決問題”，同時學科間缺乏聯動，學生難以理解知識的現實意義。面對這些問題，深度學習與大單元教學的結合，直擊傳統教育中“知識碎片化、學習淺表化、評價單一化”的頑疾。

深度學習理念與大單元教學相互契合、設計邏輯互補，符合整體認知規律。深度學習與大單元教學結合的核心在于通過結構化、整合性的單元設計，讓學生在充分理解知識的基礎上，對知識進行批判性理解與應用，促進學生高階思維發展、知識深度建構及素養遷移。

本研究以電流做功與電功率為研究對象，主要研究深度學習與大單元教學相結合的教學設計。在AI技術的幫助下，深度學習與大單元教學結合是當前教育改革的重要創新方向，其意義不僅在于優化教學模式，更在于直擊傳統教學的痛點，推動學生核心素養的實質性發展。

二、大單元教學與深度學習融合教學設計的要點

（一）圍繞學生展開教學設計

多數研究表明，相對靈活、以學生為中心的教學設計可以有效促進大單元教學的實施。在大單元教學設計中，教師要巧妙串聯各個單元知識點，而不是簡單地將知識點拼湊起來，挖掘單元知識點之間的銜接點，使物理知識的學習更立體化。

以“電流做功和電功率”為例，整體大單元框架分為兩部分：主題整合與自標分層。以“電能驅動現代生活\"為主題，串聯電功、電功率、焦耳定律等知識點，以素養導向為目標進行設計教學。創設與生活緊密關聯的問題情境，例如“家庭電路能耗審計\"“校園節能燈改造”，激發學生探究動機；融人社會性科學議題，例如“高壓輸電的利弊辯論”，連通物理、工程與倫理視角。

（二）構建整體性教學思路

大單元教學設計要符合教育規律，避免課堂出現應試化特征。教師需要構建整體性教學思路，設計相關的深度學習任務鏈，避免學生成為課堂中的學習機器，發揮大單元教學作用。

深度學習任務鏈以問題鏈為導向，從觀察現象到收集數據進行模型建構，引導學生進行遷移質疑。教師可利用AI技術對實驗數據進行客觀分析，幫助學生培養實驗探究能力，為深度學習打下基礎。

同時，探究實驗任務可以分層設計：基礎任務聚焦課標必做實驗，比如測量小燈泡電功率，強調數據記錄與誤差分析；進階任務拓展延伸，比如“光控報警電路設計”，融合電路分析、元件選型與調試優化；或者跨學科設計“太陽能路燈系統”，整合物理、數學（成本核算）、工程思維，幫助學生進行知識遷移，對單元知識進行整合。

三、大單元教學與深度學習融合教學策略

（一）以核心素養為導向，重構大單元主題

依據核心物理觀念整合單元內容，同時創設真實情境驅動學生自主學習，選擇與學生息息相關的場景，滿足課標“從生活走向物理，從物理走向社會”的要求。

在重構大單元主題時，不但要關聯前導知識，還要進行跨學科延伸，融人數學建模（電功率計算）、工程思維（電路設計）、倫理討論（能源可持續發展）等內容。以“電流做功和電功率\"為例，可以布置分層任務，如表1所示。

（二）深化實驗探究，促進深度思考

實驗設計分為必做實驗和拓展實驗。必做實驗培養學生實驗探究和動手能力，幫助學生通過實驗深度理解知識；教師可借助拓展實驗解決開放性問題，可以進行項目式教學，解決生活中的實際問題。例如在電路中，利用PhET仿真工具模擬復雜電路，輔助學生理解抽象概念。

（三）技術賦能與資源整合

1.虛擬仿真工具應用

教師可使用PhET或Labster模擬電路變量關系，使實驗動態可視化呈現。同時，利用智慧課堂進行AI輔助學習，幫助分析學生實驗數據，根據學生水平推薦分層任務。這不僅能實現師生深度交互，還促進深度學習與大單元教學融合。

2.跨學科資源開發

通過項目化設計，幫助學生知識遷移，例如物理工程案例——太陽能路燈系統設計；物理社會案例——高壓輸電的利弊分析。

四、借助AI技術融合大單元教學與深度學習的教學設計

本研究選取“電流做功和電功率”為研究對象進行教學設計。教學設計流程如圖1所示。

（一）課程標準的核心要求

以2022年版物理課標要求及核心素養為導向，設計以下教學目標，如表2所示。

（二）大單元主題與知識融合

依據本單元的特點，確定大單元主題為“電能驅動現代生活——從家庭用電到節能革命”。圍繞這一主題，整合本單元知識內容：

1.電流做功：電能轉化 W=UIt ）、電能表原理與使用。

2.電功率：定義（ P=UI ）、額定功率與實際功率。

3.焦耳定律：電熱計算（ Q=I²Rt ）與安全用電。

4.跨學科延伸：能源效率（物理）、成本核算（數學）、可持續發展（社會學科）。

（三）教學流程與深度學習活動設計

1.知識融合與概念建構

a.情境導人

在開展實踐教學活動的過程中，教師可以設計問題鏈情境，引導學生自主學習。比如“閉合開關后，燈泡發光，但燈絲瞬間被熔斷，這是為什么？\"“閉合開關后，兩個電表的指針左右搖擺、燈泡忽亮忽暗是什么原因？”。通過這種方式讓學生將整個單元的知識進行整合，并通過分析和解決實驗中的問題，建立完整的物理知識體系。

教師也可以展示真實問題——展示家庭電費賬單，提問“為什么空調比燈泡耗電多？如何計算電器的能耗？\"通過對比不同電器銘牌（額定電壓、功率），引導學生推導 W=Pt 與 P=UI 的關系，結合歐姆定律分析電路參數對電功率的影響。

b.核心概念可視化

學生分組繪制“電能轉化路徑圖”，標注家庭常見電器中的電能轉化形式（如電燈：電能 $$ 光能十熱能）。

在課后，還可以通過開展爭議討論來幫助學生養成批判性辯證思維，例如辯論“電熱毯是否浪費能源？”（關聯焦耳定律與能量利用效率）。

2.實驗探究與問題驅動

完成課標要求的實驗任務“測量小燈泡電功率”，在此實驗中融合深度學習，引導學生進行誤差分析，并引導學生討論“為何額定電壓下實測功率可能偏離標準值？”（如燈絲溫度變化導致電阻變化）。此實驗可以利用PhET仿真工具模擬理想條件下的電功率曲線，與實驗結果對比，強化學生對變量關系的理解。

在分析與討論環節設置挑戰性問題鏈：閉合開關后燈泡發光但燈絲瞬間熔斷，為什么？閉合開關后，電表指針搖擺、燈泡忽亮忽暗，原因是什么？若更換為LED燈，電路參數與現象會有何不同？通過多方向探究，推動學生深入思考。

3.遷移應用與創新設計

結合項目任務“家庭節能方案優化”，教師組織學生分組調查分析家庭月度電費賬單，識別高耗能電器（如電熱水器、空調），并提出改進方案（如更換節能電器、調整使用習慣），計算預期節能量與成本回收周期。在此調查中融合深度學習，首先進行數據建模，利用 W=Pt 計算電器日耗電量，結合電價計算節省費用；其次形成工程思維，權衡“節能效果”與\"改造成本\"（如LED燈價格高但壽命長）；最后進行社會調研，調查家庭對節能措施的接受度，撰寫建議報告。

通過大單元整合知識、實驗問題鏈驅動深度思考、項目化遷移應用，學生不僅能掌握電功與電功率的計算，更能形成“能量一技術一社會\"的系統認知。此設計將傳統“點狀知識傳授\"轉化為“網狀素養生成”，真正實現“從解題到解決問題\"的深度學習目標。

（四）多元化評價體系構建

整個教學過程中，對學生的評價不能只是單一評價最終的學習結果，而應該融合過程性評價、表現性評價和反思性評價。如表3所示。

五、反思與總結

本文主要研究了在AI技術支持下，將深度學習與大單元教學進行有機結合，并將其應用于教學設計之中。鑒于深度學習與大單元教學在特點與核心目標方面有許多相似點，我們開展了深度學習下的初中物理大單元教學智能設計模型研究。二者結合可以有效革新傳統的教學理念和教學模式，促進教學質量提高。教師需要充分了解深度學習理念和大單元教學設計要點，同時還需要與時俱進，積極運用AI技術、智慧課堂等技術手段，讓原本抽象難懂的物理知識更加生動形象。最后還需要融合思維導圖進行教學，強化單元知識的整體性，降低學生的學習難度，最大化發揮深度學習與大單元教學的價值。

參考文獻：

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責任編輯：趙瀟晗