基于UbD理論的物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)
——以“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)為例

錢 霞

(江蘇省無錫市青山高級(jí)中學(xué)，江蘇 無錫 214036)

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版》明確提出：高中物理課程要注重體現(xiàn)物理學(xué)科的本質(zhì)，從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面提煉學(xué)科育人的價(jià)值，要充分體現(xiàn)物理學(xué)科對(duì)提高學(xué)生核心素養(yǎng)的獨(dú)特作用，為學(xué)生的終身發(fā)展，應(yīng)對(duì)現(xiàn)代和未來社會(huì)發(fā)展的挑戰(zhàn)打下基礎(chǔ)。[1][2]對(duì)高中物理教學(xué)如何作出調(diào)整？華東師范大學(xué)鐘啟泉教授提出撬動(dòng)課堂轉(zhuǎn)型的一個(gè)支點(diǎn)是基于核心素養(yǎng)的單元教學(xué)設(shè)計(jì)。[3]UbD理論是威金斯(G.Wiggins)和麥克泰格(J.McTighe)提出的以“理解為先”(Understanding by Design)框架為基礎(chǔ)的單元設(shè)計(jì)模式。[4]基于UbD理論的單元教學(xué)設(shè)計(jì)采用的是“逆向設(shè)計(jì)”，所謂的“逆向設(shè)計(jì)”就是“以終為始”，從學(xué)習(xí)的結(jié)果開始逆向思考，在開始時(shí)就明確預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果。逆向設(shè)計(jì)主要由三個(gè)階段組成，即確定預(yù)期結(jié)果——確定合適的評(píng)價(jià)證據(jù)——設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)。[5]筆者以“機(jī)械能守恒定律”單元教學(xué)為例，對(duì)基于UbD理論的物理單元教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行解析。

2 基于UbD理論的“機(jī)械能守恒定律”單元教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 根據(jù)教材分析確定預(yù)期結(jié)果

主要解決的問題為：學(xué)生應(yīng)該知道什么，理解什么，能夠做什么？什么內(nèi)容值得理解？什么是期望的持久理解？

物理課程標(biāo)準(zhǔn)的要求為：(1) 理解功和功率。了解生產(chǎn)生活中常見機(jī)械的功率大小及其意義。(2) 理解動(dòng)能和動(dòng)能定理。能用動(dòng)能定理解釋生產(chǎn)生活中的現(xiàn)象。(3) 理解重力勢(shì)能，知道重力勢(shì)能的變化與重力做功的關(guān)系。定性了解彈性勢(shì)能。(4) 通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。理解機(jī)械能守恒定律，體會(huì)守恒觀念對(duì)認(rèn)識(shí)物理規(guī)律的重要性。能用機(jī)械能守恒定律分析生產(chǎn)生活中的有關(guān)問題。[1]

“機(jī)械能守恒定律”是人教版必修第二冊(cè)第八章的內(nèi)容，它是對(duì)動(dòng)力學(xué)問題的進(jìn)一步展開，在牛頓運(yùn)動(dòng)定律的基礎(chǔ)上，引入功和能的關(guān)系，得出機(jī)械能守恒定律，為解決力學(xué)問題開辟新的途徑。同時(shí)它也是解決電磁學(xué)、熱學(xué)等問題的重要根據(jù)。利用極限的思想方法將功能關(guān)系、能量守恒由特殊推廣到一般。追尋能量守恒的過程為后續(xù)的其他守恒量的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，如：電荷守恒、動(dòng)量守恒等等。本章節(jié)內(nèi)容承上啟下，在整個(gè)高中物理學(xué)習(xí)中起著關(guān)聯(lián)性的作用。

鑒于上述分析，本單元的學(xué)習(xí)目標(biāo)可確定為：

(1) 在已有知識(shí)的基礎(chǔ)上把功的概念擴(kuò)展到力與運(yùn)動(dòng)方向有一定角度的情況，并能夠解釋正功、負(fù)功的實(shí)際意義。類比前面的知識(shí)，能夠利用極限思想從平均功率推導(dǎo)出瞬時(shí)功率。深度理解日常生活中各種功率的物理意義；

(2) 結(jié)合具體的實(shí)際問題，理解功能關(guān)系。利用動(dòng)力學(xué)分析方法、極限思想方法，從定量的角度學(xué)習(xí)并發(fā)展動(dòng)能、重力勢(shì)能等概念；

(3) 通過對(duì)真實(shí)情境的分析，體會(huì)守恒關(guān)系是自然界中客觀存在的重要關(guān)系，從而深入理解能量守恒定律，逐步學(xué)會(huì)從能量的觀點(diǎn)和守恒的觀點(diǎn)來分析力學(xué)問題；

(4) 在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，學(xué)會(huì)用實(shí)驗(yàn)對(duì)理論結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。學(xué)生需要在掌握功、功率、勢(shì)能、動(dòng)能這些概念之后，形成能量觀，理解做功的過程伴隨著能量的轉(zhuǎn)化，做了多少功，就有多少能量發(fā)生轉(zhuǎn)化。期望深刻理解能量守恒定律，能量守恒定律是自然界中最基本的規(guī)律。

2.2 從學(xué)情出發(fā)確定合適的評(píng)估證據(jù)

為證實(shí)學(xué)習(xí)者的預(yù)期學(xué)習(xí)是否完成，逆向設(shè)計(jì)要求根據(jù)搜集的評(píng)估證據(jù)來思考單元設(shè)計(jì)，即在設(shè)計(jì)特定的單元前，先要思考：如何知道學(xué)生是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)期結(jié)果？哪些證據(jù)能夠證明學(xué)生的理解和掌握程度？評(píng)估方式不是單一化的考試，而是呈現(xiàn)出多樣化特征，如：自主思考反饋(撰寫小論文、習(xí)題講解等)、小組合作互相評(píng)價(jià)、微課堂展示等。

在確定合適的評(píng)估證據(jù)之前，需要對(duì)學(xué)生已有的知識(shí)進(jìn)行了解，即分析學(xué)情。學(xué)生在初中已經(jīng)對(duì)功和功率有了初步了解，知道力和物體運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)功的計(jì)算，并且知道力與物體運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)，力對(duì)物體不做功。學(xué)生在初中階段已經(jīng)初步、定性地接觸了動(dòng)能、勢(shì)能的概念。在高中階段學(xué)生已經(jīng)掌握了勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移公式、矢量的合成與分解、牛頓第二定律等知識(shí)，初步了解了極限思想方法。

基于學(xué)情，本單元可以設(shè)計(jì)如下的評(píng)估內(nèi)容：(1)力與運(yùn)動(dòng)方向相同時(shí)，W=Fs，力與運(yùn)動(dòng)方向垂直時(shí)W=0。力和位移均是矢量。學(xué)生自主推導(dǎo)出一般情況下功的計(jì)算公式，以微課堂展示的形式進(jìn)行評(píng)估。(2) 類比瞬時(shí)速度，討論得到瞬時(shí)功率。(3) 學(xué)生自主思考，利用極限法歸納出重力做功的特點(diǎn)，以微型論文呈現(xiàn)。(4) 結(jié)合牛頓第二定律及運(yùn)動(dòng)學(xué)公式推導(dǎo)出合外力做功與動(dòng)能之間的關(guān)系，學(xué)生自主進(jìn)行習(xí)題講解。(5)閱讀相關(guān)資料，結(jié)合生活實(shí)際，追尋能量守恒，形成能量觀念。學(xué)生自我總結(jié)、反思。

評(píng)估方式可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，總體評(píng)價(jià)方式要注重符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，同時(shí)又能促進(jìn)學(xué)生的終身發(fā)展。

2.3 設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)活動(dòng)

教學(xué)設(shè)計(jì)者需要思考幾個(gè)關(guān)鍵的問題：學(xué)習(xí)者能夠有效開展學(xué)習(xí)，同時(shí)達(dá)成預(yù)期的結(jié)果，他們需要哪些相關(guān)的知識(shí)和技能？哪些活動(dòng)的開展可以使學(xué)習(xí)者獲得所需的知識(shí)和技能？需要選擇哪些合適的材料和資源，需要指導(dǎo)學(xué)生做什么？如何用恰當(dāng)?shù)姆绞介_展教學(xué)？根據(jù)上述分析設(shè)計(jì)出關(guān)鍵的教學(xué)問題和學(xué)習(xí)活動(dòng)，如表1所示。

表1

UbD理論下的物理單元教學(xué)活動(dòng)和學(xué)習(xí)體驗(yàn)設(shè)計(jì)是在合理的結(jié)果預(yù)期和恰當(dāng)?shù)脑u(píng)估證據(jù)下完成的；教學(xué)設(shè)計(jì)注重學(xué)情，符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，同時(shí)又能夠提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。雖然學(xué)生在初中已經(jīng)對(duì)功和能有了初步的接觸和了解，但更多的是停留在定性層面上，定量計(jì)算相對(duì)較少。

在學(xué)習(xí)體驗(yàn)的設(shè)計(jì)上，就需要更加重視調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，引導(dǎo)學(xué)生利用已有的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行自主探究，加深對(duì)新學(xué)知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解。探究實(shí)驗(yàn)不僅要求學(xué)生自主動(dòng)手完成，更注重實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，有利于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

3 教學(xué)反思

基于UbD理論的單元設(shè)計(jì)主要由確定預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果、確定合適的評(píng)價(jià)證據(jù)和設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)活動(dòng)三個(gè)階段組成。從預(yù)期結(jié)果出發(fā)，要求教學(xué)設(shè)計(jì)者先要對(duì)課程和學(xué)生有很好的了解，能夠準(zhǔn)確定位學(xué)習(xí)目標(biāo)，根據(jù)單元核心概念，結(jié)合學(xué)情進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，最后回歸到每個(gè)具體的任務(wù)上。

“機(jī)械能守恒定律”單元教學(xué)設(shè)計(jì)是根據(jù)教材分析確定預(yù)期結(jié)果，再從學(xué)情出發(fā)確定合適的評(píng)估證據(jù)，最后設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)活動(dòng)，注重學(xué)習(xí)過程的評(píng)價(jià)，始終以學(xué)生為主體，以發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)。這個(gè)教學(xué)過程還需根據(jù)學(xué)生的實(shí)際學(xué)情作出調(diào)整和修正，真正符合學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，滿足學(xué)生對(duì)物理學(xué)習(xí)的期待。