指向深度學(xué)習(xí)的高中物理單元逆向設(shè)計(jì)
——以“靜電場(chǎng)中的能量”單元教學(xué)為例

任虎虎

(江蘇省太倉(cāng)高級(jí)中學(xué)，江蘇 蘇州 215411)

在平時(shí)的教學(xué)實(shí)踐中，一線(xiàn)教師關(guān)注較多的是課時(shí)層面的設(shè)計(jì)與實(shí)施，較少?gòu)恼w出發(fā)關(guān)注單元層面的設(shè)計(jì)與實(shí)施，即只關(guān)注局部而忽視整體。單元教學(xué)具有承上啟下的作用，其上承課程標(biāo)準(zhǔn)，下啟課時(shí)教案，逆向設(shè)計(jì)將為高中物理單元整體教學(xué)提供全新的視角。

1 深度學(xué)習(xí)和單元逆向設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

1.1 深度學(xué)習(xí)的內(nèi)涵

深度學(xué)習(xí)是指在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心投入、體驗(yàn)成功、獲得發(fā)展的有意義學(xué)習(xí)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)理解學(xué)科的核心知識(shí)、把握學(xué)科的本質(zhì)及思想方法、發(fā)展批判性等高階思維能力，形成積極的內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、高級(jí)的社會(huì)性情感和正確的價(jià)值觀。深度學(xué)習(xí)的基本特征包括聯(lián)想與結(jié)構(gòu)、活動(dòng)與體驗(yàn)、本質(zhì)與變式、遷移與應(yīng)用、價(jià)值與評(píng)價(jià)。

1.2 單元逆向設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

單元逆向設(shè)計(jì)是以單元為單位進(jìn)行“以終為始”的整體設(shè)計(jì)，即從單元最終輸出倒推輸入內(nèi)容和方式，尋求達(dá)成單元預(yù)期結(jié)果的最佳實(shí)施方案，追求意義建構(gòu)和靈活遷移。本研究將其分為四個(gè)有序階段：編寫(xiě)科學(xué)的單元預(yù)期目標(biāo)、確定適切的目標(biāo)評(píng)價(jià)證據(jù)、開(kāi)發(fā)有效的單元學(xué)習(xí)活動(dòng)、設(shè)計(jì)精準(zhǔn)的單元檢測(cè)作業(yè)。將目標(biāo)及對(duì)目標(biāo)達(dá)成的評(píng)價(jià)先于活動(dòng)而設(shè)計(jì)，有利于充分發(fā)揮評(píng)價(jià)的反饋與驅(qū)動(dòng)作用。

2 指向深度學(xué)習(xí)的高中物理單元逆向設(shè)計(jì)框架

為解決目前高中物理教學(xué)中存在的覆蓋內(nèi)容設(shè)計(jì)、活動(dòng)導(dǎo)向設(shè)計(jì)、課時(shí)之間割裂性、知識(shí)理解淺層性等問(wèn)題，倡導(dǎo)通過(guò)單元逆向設(shè)計(jì)與實(shí)施來(lái)促進(jìn)深度學(xué)習(xí)。圖1為指向深度學(xué)習(xí)的高中物理單元逆向設(shè)計(jì)框架，在明確單元主題的基礎(chǔ)上，首先整合課程標(biāo)準(zhǔn)、教材知識(shí)和學(xué)生學(xué)情的相關(guān)內(nèi)容作為單元預(yù)期目標(biāo)；其次確定具有挑戰(zhàn)性、真實(shí)性和開(kāi)放性的表現(xiàn)任務(wù)作為目標(biāo)評(píng)價(jià)證據(jù)；再次開(kāi)發(fā)協(xié)作探究、反思內(nèi)化和實(shí)踐遷移的思維進(jìn)階作為單元學(xué)習(xí)活動(dòng)；最后設(shè)計(jì)基礎(chǔ)類(lèi)、提高類(lèi)和拓展類(lèi)的階梯檢測(cè)作為單元鞏固作業(yè)，有效提升學(xué)生的思維品質(zhì)、高階思維能力和實(shí)際問(wèn)題解決能力，培育學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

圖1

3 指向深度學(xué)習(xí)的高中物理單元逆向設(shè)計(jì)流程

3.1 明確單元預(yù)期目標(biāo)

單元預(yù)期目標(biāo)是單元學(xué)習(xí)的“指揮棒”，決定了單元教學(xué)的層次。單元預(yù)期目標(biāo)應(yīng)該以學(xué)生在單元學(xué)習(xí)后真正理解了什么和做了什么為旨?xì)w，從單元整體視角整合課程標(biāo)準(zhǔn)、教材知識(shí)和學(xué)生學(xué)情。

人教版高中物理新教材將舊教材中“靜電場(chǎng)”一章拆成兩章：“靜電場(chǎng)及其應(yīng)用”和“靜電場(chǎng)中的能量”?！办o電場(chǎng)中的能量”包括5節(jié)內(nèi)容：電勢(shì)能和電勢(shì)、電勢(shì)差、電勢(shì)差與電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系、電容器的電容、帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)。

基于對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)的解讀、教材分析和學(xué)情把握，將“靜電場(chǎng)中的能量”單元的學(xué)習(xí)目標(biāo)確定如下：

(1) 學(xué)生將理解電勢(shì)是電場(chǎng)這種物質(zhì)的基本屬性，電場(chǎng)力對(duì)電荷做功會(huì)引起不同形式的能量發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步形成運(yùn)動(dòng)與相互作用觀、能量觀。

(2) 學(xué)生將經(jīng)歷電勢(shì)能、電勢(shì)和電容等抽象概念的建構(gòu)過(guò)程，體會(huì)批判性的內(nèi)化類(lèi)比、歸納、比值定義、從定性到定量等物理思想方法。

(3) 學(xué)生將通過(guò)猜想、操作、數(shù)據(jù)處理、展示交流、總結(jié)歸納等過(guò)程，體會(huì)科學(xué)探究的意義和價(jià)值。

(4) 學(xué)生能解釋照相機(jī)閃光燈、示波管等的工作原理，并查找資料解決如何制作超級(jí)電容等實(shí)際問(wèn)題，認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，體會(huì)科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)·環(huán)境(STSE)的關(guān)系，形成對(duì)科學(xué)技術(shù)正確的態(tài)度和責(zé)任感。

在單元總目標(biāo)的基礎(chǔ)上再編寫(xiě)分課時(shí)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，形成系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化和層次化的目標(biāo)體系。

3.2 確定適切的目標(biāo)評(píng)價(jià)證據(jù)

逆向設(shè)計(jì)倡導(dǎo)在目標(biāo)明確后，馬上設(shè)計(jì)能反映目標(biāo)達(dá)成情況的評(píng)價(jià)證據(jù)，突出表現(xiàn)性學(xué)習(xí)任務(wù)的設(shè)計(jì)，需要具有挑戰(zhàn)性、真實(shí)性和開(kāi)放性等基本特征。學(xué)習(xí)任務(wù)分為核心任務(wù)和子任務(wù)，子任務(wù)圍繞核心任務(wù)分層設(shè)計(jì)。本單元的核心任務(wù)是：從能量角度認(rèn)識(shí)和分析帶電粒子在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，下面通過(guò)三個(gè)具體例子進(jìn)行說(shuō)明。

學(xué)習(xí)任務(wù)1：一個(gè)正電荷在電場(chǎng)中只受到靜電力F的作用，它在電場(chǎng)中由A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)時(shí)，靜電力做了正功WAB，由動(dòng)能定理可知，該電荷的動(dòng)能增加了WAB。物體動(dòng)能增加了，意味著有另外一種形式的能量減少了，這是一種什么形式的能量呢?

設(shè)計(jì)意圖：這個(gè)挑戰(zhàn)性任務(wù)一方面評(píng)估學(xué)生對(duì)功能關(guān)系和動(dòng)能定理的理解程度，另一方面將以前所學(xué)的知識(shí)遷移到新情景(電場(chǎng))中，幫助學(xué)生建構(gòu)電勢(shì)能這一新概念。

學(xué)習(xí)任務(wù)2：要想利用直線(xiàn)多級(jí)加速器(新教材必修三第45頁(yè)做了相應(yīng)介紹)將電子加速到0.9倍光速，建造時(shí)加速器勢(shì)必要很長(zhǎng)，占地面積大，如何解決這一問(wèn)題？

設(shè)計(jì)意圖：一方面促進(jìn)理解運(yùn)動(dòng)與相互作用關(guān)系(學(xué)生會(huì)提出采用輻向電場(chǎng)使電子偏轉(zhuǎn))，另一方面為后面回旋加速器的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

學(xué)習(xí)任務(wù)3：通過(guò)觀察、上網(wǎng)查閱資料，了解并分析電容器在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用情況，解釋其作用，撰寫(xiě)一份研究報(bào)告。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生應(yīng)用電容器的相關(guān)知識(shí)解釋一些具體實(shí)例，評(píng)估學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解層次，并幫助學(xué)生做到在“用中學(xué)”，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)STSE的關(guān)系。

3.3 開(kāi)發(fā)有效的單元學(xué)習(xí)活動(dòng)

活動(dòng)是學(xué)生深度學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)和載體，學(xué)生只有充分參與到活動(dòng)中才能深刻體驗(yàn)和領(lǐng)悟物理概念、規(guī)律及思想方法的形成與發(fā)展。在活動(dòng)前讓學(xué)生明確活動(dòng)的內(nèi)容和注意事項(xiàng)；在活動(dòng)中激發(fā)學(xué)生興趣，切身參與和體驗(yàn)；在活動(dòng)后引導(dǎo)學(xué)生反思自己的體驗(yàn)過(guò)程和方式，內(nèi)化獲得意義和觀念。單元學(xué)習(xí)活動(dòng)要能夠凸顯協(xié)作探究、反思內(nèi)化和實(shí)踐遷移的思維進(jìn)階過(guò)程。

下面以“電容器的電容”課時(shí)的一個(gè)學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說(shuō)明。由于不同的電容器儲(chǔ)存電荷的能力會(huì)有所不同，儲(chǔ)存電荷的多少與兩板間電勢(shì)差和電容器自身特性有關(guān)。

對(duì)此提出研究問(wèn)題：要研究電容器儲(chǔ)存電荷量與兩板電勢(shì)差的定量關(guān)系，電荷量Q不好測(cè)定，怎么辦？提示：在前面的學(xué)習(xí)過(guò)程中也遇到過(guò)類(lèi)似的問(wèn)題，是如何處理的？在庫(kù)侖扭秤實(shí)驗(yàn)中，用相同不帶電的金屬小球與帶電小球接觸，均分電荷。

圖2

圖3

在教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生思考實(shí)現(xiàn)電容器A所帶的電荷量依次倍減的方案：(1) S1先接1，給電容器A充電，S1再接2，電容器B和A均分A原來(lái)所帶電荷量，實(shí)現(xiàn)A的帶電量減半；(2) 斷開(kāi)S1，閉合S2，讓B完全放電，此時(shí)B又變成了一個(gè)不帶電的電容器；(3) 斷開(kāi)S2，S1接2，電容器B和A再次均分A所帶電荷量，A的帶電量再次減半。(4) 不斷重復(fù)(2)、(3)步驟，實(shí)現(xiàn)電容器A的帶電量依次減半。

方案2：如果能得到充電或放電過(guò)程中的i-t圖像，類(lèi)比利用v-t圖像下的“面積”計(jì)算位移大小的方法求得電荷量。借助DIS的電流傳感器代替圖4中的電流表，畫(huà)出i-t圖像，利用軟件中的“積分”功能求得電荷量Q。實(shí)驗(yàn)中分別測(cè)兩個(gè)不同的電容器在不同充電電壓下的Q值，并利用作圖法得到Q-U圖像(圖4)。

從圖4中學(xué)生發(fā)現(xiàn)：同一個(gè)電容器Q與U的比值是一個(gè)定值，不同電容器的Q與U的比值不同。

圖4

3.4 設(shè)計(jì)精準(zhǔn)的單元檢測(cè)作業(yè)

作業(yè)主要是指教師依據(jù)一定的目的布置給學(xué)生并且要利用非教學(xué)時(shí)間完成的學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生幾乎每天都要花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)完成作業(yè)，同樣教師也要花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)批改作業(yè)，而且作業(yè)往往會(huì)成為學(xué)生喜不喜歡一門(mén)學(xué)科、喜不喜歡一位教師的重要依據(jù)。如果作業(yè)出現(xiàn)問(wèn)題，將導(dǎo)致連鎖反應(yīng)，不僅會(huì)影響教學(xué)效果，而且會(huì)抑制學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，單元學(xué)習(xí)中要根據(jù)學(xué)生層次的不同，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)類(lèi)、提高類(lèi)和拓展類(lèi)的分層檢測(cè)作業(yè)。

在本單元學(xué)習(xí)中筆者設(shè)計(jì)了一份單元檢測(cè)作業(yè)，由于篇幅限制，下面僅呈現(xiàn)三個(gè)具體例子。

基礎(chǔ)類(lèi)作業(yè)：圖5表示了某電場(chǎng)等勢(shì)面的分布情況。

圖5

(1) 如果把電子從b等勢(shì)面移動(dòng)到e等勢(shì)面，靜電力所做的功是多少?

(2) 在電場(chǎng)中的A、B兩點(diǎn)放置電荷量相等的試探電荷，試比較它們所受靜電力的大小和電勢(shì)能的大小。

提高類(lèi)作業(yè)：如圖6所示，在勻強(qiáng)電場(chǎng)中，將電荷量為-6×10-6 C的點(diǎn)電荷從電場(chǎng)中的A點(diǎn)移到B點(diǎn)，靜電力做了-2.4×10-5 J的功，再?gòu)腂點(diǎn)移到C點(diǎn)，靜電力做了1.2×10-5 J的功。已知電場(chǎng)的方向與△ABC所在的平面平行。

圖6

(1)A、B兩點(diǎn)間的電勢(shì)差UAB和B、C兩點(diǎn)間的電勢(shì)差UBC分別為多少?

(2) 如果規(guī)定B點(diǎn)的電勢(shì)為0，則A點(diǎn)和C點(diǎn)的電勢(shì)分別為多少?

(3) 請(qǐng)?jiān)趫D中畫(huà)出過(guò)B點(diǎn)的電場(chǎng)線(xiàn)方向，并說(shuō)明理由。

拓展類(lèi)作業(yè)：展示如圖7所示的水塔照片，創(chuàng)設(shè)待解決的實(shí)際問(wèn)題。王師傅是某自來(lái)水廠(chǎng)水電工，他一天要檢查自來(lái)水水塔水位好幾次，王師傅腿腳不便，而且水塔很高，他想如果能有一個(gè)自動(dòng)測(cè)定水位高度的儀器就輕松了。你能用今天所學(xué)知識(shí)幫他設(shè)計(jì)一個(gè)儀器嗎？課后用水瓶和身邊的器材模擬制作并進(jìn)行展示。

圖7

4 結(jié)語(yǔ)

指向深度學(xué)習(xí)的單元逆向設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)從“教”到“學(xué)”的根本轉(zhuǎn)向，讓教師真正成為學(xué)生學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)師與教練，能夠有效處理好課標(biāo)與單元、單元與課堂、目標(biāo)與評(píng)價(jià)、評(píng)價(jià)與活動(dòng)、目標(biāo)與作業(yè)間的多維關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從“課時(shí)教學(xué)”轉(zhuǎn)向“單元重構(gòu)”、從“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”轉(zhuǎn)向“結(jié)果逆推”、從“終結(jié)評(píng)定”轉(zhuǎn)向“評(píng)價(jià)驅(qū)動(dòng)”、從“單一作業(yè)”轉(zhuǎn)向“立體檢測(cè)”。