基于深度學(xué)習(xí)的初中物理大單元教學(xué)智能設(shè)計(jì)模型研究

隨著時(shí)代的飛速發(fā)展，教育教學(xué)改革不斷向縱深推進(jìn)，以契合社會(huì)發(fā)展的多元需求。然而，在當(dāng)下傳統(tǒng)教學(xué)模式的框架下，學(xué)生的綜合素養(yǎng)與能力發(fā)展未能得到切實(shí)有效的提升。在積極探尋新型教學(xué)模式以扭轉(zhuǎn)這一局面的過(guò)程中，深度學(xué)習(xí)被證實(shí)能夠有力促進(jìn)學(xué)生更好地發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)。大單元教學(xué)作為推動(dòng)深度學(xué)習(xí)的有效載體，從整體維度對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，有助于學(xué)生迅速把握核心知識(shí)脈絡(luò)。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)的研究尚處于發(fā)展階段，尤其是在具體教學(xué)設(shè)計(jì)方面的研究相對(duì)匱乏。本研究基于深度學(xué)習(xí)理論與大單元教學(xué)的整合優(yōu)勢(shì)，緊密結(jié)合初中物理學(xué)科的特點(diǎn)，創(chuàng)新性地融入AI技術(shù)手段，構(gòu)建全新的大單元教學(xué)模式，旨在有效破解知識(shí)碎片化、學(xué)生知識(shí)遷移能力不足等教學(xué)難題。

一、深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)的概述

（一）深度學(xué)習(xí)

Marton和Saljo將“深度學(xué)習(xí)\"引人教育領(lǐng)域，與“淺層學(xué)習(xí)\"形成對(duì)比。淺層學(xué)習(xí)聚焦機(jī)械記憶、被動(dòng)接受，而深度學(xué)習(xí)強(qiáng)調(diào)學(xué)生主動(dòng)理解，在充分理解知識(shí)的基礎(chǔ)上，重視新舊知識(shí)的關(guān)聯(lián)，指向知識(shí)實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)關(guān)注學(xué)習(xí)過(guò)程中的反思。在培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的大背景下，深度學(xué)習(xí)理念走進(jìn)了大中小學(xué)課堂，比如項(xiàng)目式學(xué)習(xí)（PBL）在教學(xué)實(shí)踐中推廣，學(xué)生通過(guò)協(xié)作探究學(xué)習(xí)、反思性實(shí)踐，深度參與知識(shí)體系構(gòu)建。

深度學(xué)習(xí)在機(jī)器學(xué)習(xí)中是實(shí)現(xiàn)人工智能的技術(shù)手段，而在教育學(xué)中是培養(yǎng)高階思維的學(xué)習(xí)范式。盡管領(lǐng)域不同，但二者均追求通過(guò)層次化處理提升效能。未來(lái)，二者的融合或?qū)榻逃齽?chuàng)新提供新的可能性，如通過(guò)AI個(gè)性化賦能，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)能力提升。

（二）大單元教學(xué)

在教育領(lǐng)域，大單元教學(xué)是一種以整體性、系統(tǒng)性和深度整合為核心的教學(xué)設(shè)計(jì)理念，強(qiáng)調(diào)打破傳統(tǒng)以單一知識(shí)點(diǎn)或單篇課文為單位的教學(xué)方式，轉(zhuǎn)而圍繞一個(gè)主題、問題或項(xiàng)目，整合學(xué)科內(nèi)或跨學(xué)科的知識(shí)、技能、方法，構(gòu)建連貫且完整的學(xué)習(xí)單元。以任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)真實(shí)或模擬的復(fù)雜情境，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)探究、合作等方式解決問題，強(qiáng)調(diào)“做中學(xué)”。其核心目標(biāo)是通過(guò)結(jié)構(gòu)化、情境化的學(xué)習(xí)任務(wù)，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，發(fā)展核心素養(yǎng)和提升綜合能力。

大單元教學(xué)的提出，首先可以解決知識(shí)碎片化的問題，通過(guò)整合內(nèi)容，幫助學(xué)生理解知識(shí)間的聯(lián)系，避免孤立學(xué)習(xí)。其次能適應(yīng)復(fù)雜社會(huì)需求，培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境中綜合運(yùn)用知識(shí)解決問題的能力。

（三）深度學(xué)習(xí)理念與大單元教學(xué)融合

在物理學(xué)科中傳統(tǒng)分課時(shí)教學(xué)方式會(huì)導(dǎo)致知識(shí)割裂，題海戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)致學(xué)生“會(huì)解題不會(huì)解決問題”，同時(shí)學(xué)科間缺乏聯(lián)動(dòng)，學(xué)生難以理解知識(shí)的現(xiàn)實(shí)意義。面對(duì)這些問題，深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)的結(jié)合，直擊傳統(tǒng)教育中“知識(shí)碎片化、學(xué)習(xí)淺表化、評(píng)價(jià)單一化”的頑疾。

深度學(xué)習(xí)理念與大單元教學(xué)相互契合、設(shè)計(jì)邏輯互補(bǔ)，符合整體認(rèn)知規(guī)律。深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)結(jié)合的核心在于通過(guò)結(jié)構(gòu)化、整合性的單元設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在充分理解知識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)知識(shí)進(jìn)行批判性理解與應(yīng)用，促進(jìn)學(xué)生高階思維發(fā)展、知識(shí)深度建構(gòu)及素養(yǎng)遷移。

本研究以電流做功與電功率為研究對(duì)象，主要研究深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計(jì)。在AI技術(shù)的幫助下，深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)結(jié)合是當(dāng)前教育改革的重要?jiǎng)?chuàng)新方向，其意義不僅在于優(yōu)化教學(xué)模式，更在于直擊傳統(tǒng)教學(xué)的痛點(diǎn)，推動(dòng)學(xué)生核心素養(yǎng)的實(shí)質(zhì)性發(fā)展。

二、大單元教學(xué)與深度學(xué)習(xí)融合教學(xué)設(shè)計(jì)的要點(diǎn)

（一）圍繞學(xué)生展開教學(xué)設(shè)計(jì)

多數(shù)研究表明，相對(duì)靈活、以學(xué)生為中心的教學(xué)設(shè)計(jì)可以有效促進(jìn)大單元教學(xué)的實(shí)施。在大單元教學(xué)設(shè)計(jì)中，教師要巧妙串聯(lián)各個(gè)單元知識(shí)點(diǎn)，而不是簡(jiǎn)單地將知識(shí)點(diǎn)拼湊起來(lái)，挖掘單元知識(shí)點(diǎn)之間的銜接點(diǎn)，使物理知識(shí)的學(xué)習(xí)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(biāo)分層。以“電能驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代生活\"為主題，串聯(lián)電功、電功率、焦耳定律等知識(shí)點(diǎn)，以素養(yǎng)導(dǎo)向?yàn)槟繕?biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)教學(xué)。創(chuàng)設(shè)與生活緊密關(guān)聯(lián)的問題情境，例如“家庭電路能耗審計(jì)\"“校園節(jié)能燈改造”，激發(fā)學(xué)生探究動(dòng)機(jī)；融人社會(huì)性科學(xué)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(gòu)建整體性教學(xué)思路

大單元教學(xué)設(shè)計(jì)要符合教育規(guī)律，避免課堂出現(xiàn)應(yīng)試化特征。教師需要構(gòu)建整體性教學(xué)思路，設(shè)計(jì)相關(guān)的深度學(xué)習(xí)任務(wù)鏈，避免學(xué)生成為課堂中的學(xué)習(xí)機(jī)器，發(fā)揮大單元教學(xué)作用。

深度學(xué)習(xí)任務(wù)鏈以問題鏈為導(dǎo)向，從觀察現(xiàn)象到收集數(shù)據(jù)進(jìn)行模型建構(gòu)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行遷移質(zhì)疑。教師可利用AI技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀分析，幫助學(xué)生培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)探究能力，為深度學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

同時(shí)，探究實(shí)驗(yàn)任務(wù)可以分層設(shè)計(jì)：基礎(chǔ)任務(wù)聚焦課標(biāo)必做實(shí)驗(yàn)，比如測(cè)量小燈泡電功率，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)記錄與誤差分析；進(jìn)階任務(wù)拓展延伸，比如“光控報(bào)警電路設(shè)計(jì)”，融合電路分析、元件選型與調(diào)試優(yōu)化；或者跨學(xué)科設(shè)計(jì)“太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)”，整合物理、數(shù)學(xué)（成本核算）、工程思維，幫助學(xué)生進(jìn)行知識(shí)遷移，對(duì)單元知識(shí)進(jìn)行整合。

三、大單元教學(xué)與深度學(xué)習(xí)融合教學(xué)策略

（一）以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，重構(gòu)大單元主題

依據(jù)核心物理觀念整合單元內(nèi)容，同時(shí)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境驅(qū)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，選擇與學(xué)生息息相關(guān)的場(chǎng)景，滿足課標(biāo)“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的要求。

在重構(gòu)大單元主題時(shí)，不但要關(guān)聯(lián)前導(dǎo)知識(shí)，還要進(jìn)行跨學(xué)科延伸，融人數(shù)學(xué)建模（電功率計(jì)算）、工程思維（電路設(shè)計(jì)）、倫理討論（能源可持續(xù)發(fā)展）等內(nèi)容。以“電流做功和電功率\"為例，可以布置分層任務(wù)，如表1所示。

（二）深化實(shí)驗(yàn)探究，促進(jìn)深度思考

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分為必做實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)驗(yàn)。必做實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究和動(dòng)手能力，幫助學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)深度理解知識(shí)；教師可借助拓展實(shí)驗(yàn)解決開放性問題，可以進(jìn)行項(xiàng)目式教學(xué)，解決生活中的實(shí)際問題。例如在電路中，利用PhET仿真工具模擬復(fù)雜電路，輔助學(xué)生理解抽象概念。

（三）技術(shù)賦能與資源整合

1.虛擬仿真工具應(yīng)用

教師可使用PhET或Labster模擬電路變量關(guān)系，使實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)可視化呈現(xiàn)。同時(shí)，利用智慧課堂進(jìn)行AI輔助學(xué)習(xí)，幫助分析學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)學(xué)生水平推薦分層任務(wù)。這不僅能實(shí)現(xiàn)師生深度交互，還促進(jìn)深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)融合。

2.跨學(xué)科資源開發(fā)

通過(guò)項(xiàng)目化設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生知識(shí)遷移，例如物理工程案例——太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)；物理社會(huì)案例——高壓輸電的利弊分析。

四、借助AI技術(shù)融合大單元教學(xué)與深度學(xué)習(xí)的教學(xué)設(shè)計(jì)

本研究選取“電流做功和電功率”為研究對(duì)象進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)。教學(xué)設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

（一）課程標(biāo)準(zhǔn)的核心要求

以2022年版物理課標(biāo)要求及核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)以下教學(xué)目標(biāo)，如表2所示。

（二）大單元主題與知識(shí)融合

依據(jù)本單元的特點(diǎn)，確定大單元主題為“電能驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代生活——從家庭用電到節(jié)能革命”。圍繞這一主題，整合本單元知識(shí)內(nèi)容：

1.電流做功：電能轉(zhuǎn)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(shí)際功率。

3.焦耳定律：電熱計(jì)算（ Q=I²Rt ）與安全用電。

4.跨學(xué)科延伸：能源效率（物理）、成本核算（數(shù)學(xué)）、可持續(xù)發(fā)展（社會(huì)學(xué)科）。

（三）教學(xué)流程與深度學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)

1.知識(shí)融合與概念建構(gòu)

a.情境導(dǎo)人

在開展實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程中，教師可以設(shè)計(jì)問題鏈情境，引導(dǎo)學(xué)生自主學(xué)習(xí)。比如“閉合開關(guān)后，燈泡發(fā)光，但燈絲瞬間被熔斷，這是為什么？\"“閉合開關(guān)后，兩個(gè)電表的指針左右搖擺、燈泡忽亮忽暗是什么原因？”。通過(guò)這種方式讓學(xué)生將整個(gè)單元的知識(shí)進(jìn)行整合，并通過(guò)分析和解決實(shí)驗(yàn)中的問題，建立完整的物理知識(shí)體系。

教師也可以展示真實(shí)問題——展示家庭電費(fèi)賬單，提問“為什么空調(diào)比燈泡耗電多？如何計(jì)算電器的能耗？\"通過(guò)對(duì)比不同電器銘牌（額定電壓、功率），引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo) W=Pt 與 P=UI 的關(guān)系，結(jié)合歐姆定律分析電路參數(shù)對(duì)電功率的影響。

b.核心概念可視化

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

在課后，還可以通過(guò)開展?fàn)幾h討論來(lái)幫助學(xué)生養(yǎng)成批判性辯證思維，例如辯論“電熱毯是否浪費(fèi)能源？”（關(guān)聯(lián)焦耳定律與能量利用效率）。

2.實(shí)驗(yàn)探究與問題驅(qū)動(dòng)

完成課標(biāo)要求的實(shí)驗(yàn)任務(wù)“測(cè)量小燈泡電功率”，在此實(shí)驗(yàn)中融合深度學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行誤差分析，并引導(dǎo)學(xué)生討論“為何額定電壓下實(shí)測(cè)功率可能偏離標(biāo)準(zhǔn)值？”（如燈絲溫度變化導(dǎo)致電阻變化）。此實(shí)驗(yàn)可以利用PhET仿真工具模擬理想條件下的電功率曲線，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)變量關(guān)系的理解。

在分析與討論環(huán)節(jié)設(shè)置挑戰(zhàn)性問題鏈：閉合開關(guān)后燈泡發(fā)光但燈絲瞬間熔斷，為什么？閉合開關(guān)后，電表指針搖擺、燈泡忽亮忽暗，原因是什么？若更換為L(zhǎng)ED燈，電路參數(shù)與現(xiàn)象會(huì)有何不同？通過(guò)多方向探究，推動(dòng)學(xué)生深入思考。

3.遷移應(yīng)用與創(chuàng)新設(shè)計(jì)

結(jié)合項(xiàng)目任務(wù)“家庭節(jié)能方案優(yōu)化”，教師組織學(xué)生分組調(diào)查分析家庭月度電費(fèi)賬單，識(shí)別高耗能電器（如電熱水器、空調(diào)），并提出改進(jìn)方案（如更換節(jié)能電器、調(diào)整使用習(xí)慣），計(jì)算預(yù)期節(jié)能量與成本回收周期。在此調(diào)查中融合深度學(xué)習(xí)，首先進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，利用 W=Pt 計(jì)算電器日耗電量，結(jié)合電價(jià)計(jì)算節(jié)省費(fèi)用；其次形成工程思維，權(quán)衡“節(jié)能效果”與\"改造成本\"（如LED燈價(jià)格高但壽命長(zhǎng)）；最后進(jìn)行社會(huì)調(diào)研，調(diào)查家庭對(duì)節(jié)能措施的接受度，撰寫建議報(bào)告。

通過(guò)大單元整合知識(shí)、實(shí)驗(yàn)問題鏈驅(qū)動(dòng)深度思考、項(xiàng)目化遷移應(yīng)用，學(xué)生不僅能掌握電功與電功率的計(jì)算，更能形成“能量一技術(shù)一社會(huì)\"的系統(tǒng)認(rèn)知。此設(shè)計(jì)將傳統(tǒng)“點(diǎn)狀知識(shí)傳授\"轉(zhuǎn)化為“網(wǎng)狀素養(yǎng)生成”，真正實(shí)現(xiàn)“從解題到解決問題\"的深度學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（四）多元化評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

整個(gè)教學(xué)過(guò)程中，對(duì)學(xué)生的評(píng)價(jià)不能只是單一評(píng)價(jià)最終的學(xué)習(xí)結(jié)果，而應(yīng)該融合過(guò)程性評(píng)價(jià)、表現(xiàn)性評(píng)價(jià)和反思性評(píng)價(jià)。如表3所示。

五、反思與總結(jié)

本文主要研究了在AI技術(shù)支持下，將深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，并將其應(yīng)用于教學(xué)設(shè)計(jì)之中。鑒于深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)在特點(diǎn)與核心目標(biāo)方面有許多相似點(diǎn)，我們開展了深度學(xué)習(xí)下的初中物理大單元教學(xué)智能設(shè)計(jì)模型研究。二者結(jié)合可以有效革新傳統(tǒng)的教學(xué)理念和教學(xué)模式，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提高。教師需要充分了解深度學(xué)習(xí)理念和大單元教學(xué)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，同時(shí)還需要與時(shí)俱進(jìn)，積極運(yùn)用AI技術(shù)、智慧課堂等技術(shù)手段，讓原本抽象難懂的物理知識(shí)更加生動(dòng)形象。最后還需要融合思維導(dǎo)圖進(jìn)行教學(xué)，強(qiáng)化單元知識(shí)的整體性，降低學(xué)生的學(xué)習(xí)難度，最大化發(fā)揮深度學(xué)習(xí)與大單元教學(xué)的價(jià)值。

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責(zé)任編輯：趙瀟晗