指向深度學習的單元教學設計與實踐

摘 要：基于單元設計的深度學習對促進學生學習方式的轉變和發展學生的物理核心素養具有重要意義.本文以“機械能守恒定律”單元為例，分別從單元教學任務分析、目標確定、結構創建、評價實施等方面闡述單元教學設計策略，旨在為高中物理教學實施深度學習提供參考和借鑒.

關鍵詞：核心素養;深度學習;單元教學;機械能守恒定律

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）23-0035-05

1 核心素養視角下的深度學習需要單元設計來實現

深度學習和單元教學既是深化教育教學改革過程中學者關注的內容，也是全面提高教學質量實踐中教師必須面對的問題[1].2014年9月教育部基礎課程教材發展中心“深度學習總項目組”對其界定為：在教師引領下，學生圍繞著具有挑戰性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發展的有意義的學習過程[2].上海市教委教研在相關的項目研究中將物理深度學習界定為：學生在素養導向的目標引領下，聚焦情境化學習主題，圍繞挑戰性學習任務，全身心參與活動體驗;運用模型建構、推理論證、質疑創新等科學思維方式，獲得物理學科核心知識，逐步形成物理觀念，發展科學思維和科學探究等關鍵能力;在持續性學習評價激勵下，完成任務或解決問題的同時體驗成功，形成積極的內在學習動機、正確的科學態度和責任，在物理學科核心素養方面獲得全面發展.

系統化的單元設計需要整體規劃單元教學任務，確立素養為核心的單元目標，重點設計單元教學活動、保障實施單元教學評價，落實“教、學、評”一致，促進深度學習，可見深度學習的四個核心要素和兩個支持要素（如圖1）的實現都需落實在單元層面.因此，深度學習是實施單元教學的目的，系統化的單元教學是促進深度學習的載體，兩者相互作用促進學生的核心素養發展.本文以“機械能守恒定律”單元為例，從單元教學任務分析、目標確定、結構創建、單元評價四個方面，闡述指向深度學習的單元教學設計策略.

2 基于深度學習的單元教學設計

2.1 單元教學任務分析

2.1.1 單元教學內容分析

本單元的內容由功和功率、動能和動能定理、重力勢能及機械能守恒定律等內容組成.本單元從能量的角度來研究機械運動，功和能是兩個重要的基本概念，其中“功是能量轉化的量度”是本單元的主線.機械能守恒定律是我們學習各種不同的能量轉化規律的起點，也是力學的重要組成部分，有助于能量觀念和守恒思想的形成，更為運用功能關系、守恒定律分析較為復雜的運動過程奠定基礎，本單元具體的知識結構如圖2所示.

2.1.2 學情分析

學生在初中學段已經初步學習了功、功率，對動能和勢能有定性的了解，對動能和勢能的轉化有感性的認識，并且對能量轉化與守恒定律有初步的認識，但還未形成定量的能量觀念，對從能量的角度分析解決問題并不熟悉.經過牛頓定律的學習，已經初步建立了運動和相互作用觀，學生習慣運用運動和相互作用的觀念分析解決問題.本單元學生用能量觀念分析解決實際問題時需要將過程和狀態結合起來，需要同時進行受力分析和做功分析，對學生來說跨度較大，思維鏈條較長，有一定的困難.同時學生已初步掌握了科學探究的思路，具備了一定的探究能力，能夠用圖像法處理數據，學生比較熟悉通過實驗進行探究，但對理論探究較為陌生，另外學生需要通過實踐來體會利用功和能的關系、機械能守恒定律等能量觀念分析物理問題的優越性.

2.1.3 單元內容與核心素養的關聯分析

2.1.4 單元核心任務分析

本單元的核心任務是研究分析模擬蹦極運動中的能量轉化情況.蹦極運動是學生熟悉的情境，將研究對象抽象為質點后，利用所學知識定性分析蹦極運動中每個階段的受力情況、做功情況和對應的能量轉化情況，然后設計實驗模擬蹦極運動，利用Tracker軟件[3]定量得出蹦極運動各過程中動能、重力勢能和彈性勢能隨時間變化的圖像，分析實驗圖像闡述能量轉化情況，最后各組在課堂上進行交流和分享.整個單元以生活中比較常見的蹦極運動為載體，分解其各個運動過程，通過定性分析和定量計算將做功和能量轉化的情況有效地展現出來，使學生在熟悉的真實情境中學習機械能的相關知識，并用其解決實際問題.

2.2 單元教學目標確定

單元教學目標設計是把學科核心素養具體化為單元學習目標的過程，是單元教學設計的靈魂，它在“物理核心素養—單元教學目標—課時教學目標”目標鏈中處于承上啟下的關鍵地位.單元教學目標的確定應以單元教學內容和學情的分析結果為基礎[4]，注重物理核心素養對教學的引領和導向作用，關注教學目標的可操作性、可檢測性.結合具體的知識和素養發展要求，本單元具體的教學目標如下：

（1）通過功和功率的學習研究，能夠解釋和解決生產生活中相關的現象和問題;通過對機械能及其守恒定律的學習研究，學會從機械能轉化和守恒的視角分析物理問題，形成初步的能量觀念.

（2）通過理論探究合力做功與動能變化的關系，推導重力做功與重力勢能變化的關系、機械能守恒定律，經歷模型建構、推理論證、質疑等思維活動過程，實現微元、極限、類比等思想方法的遷移應用，從而有助于科學思維的發展.通過經歷應用機械能守恒定律解決實際情景中問題的過程，體會守恒的思想，領悟從守恒的角度分析問題的方法，增強分析和解決問題的能力.

（3）通過驗證機械能守恒定律實驗及實驗圖像分析，歸納機械能總量守恒的特點;通過把實驗結論擴展到其它具體的機械能守恒的實例中，得出單個物體機械能守恒的條件.通過對實際情境的分析判斷，增強敢于思考與質疑、積極發表觀點的能力，基于證據作出解釋、對結果進行交流，從而培養問題意識和證據意識.

（4）在經歷實驗探究與理論推導的過程中，體會嚴謹認真、尊重事實的科學態度;從功和功率、動能和動能定理、重力做功和重力勢能到機械能守恒定律都與生產生活中的現象緊密結合，整個章節的概念和規律的得出都可以結合實際情景，從而認識到運用能量和守恒的思想研究機械運動是物理學研究自然現象的重要方法之一;通過對實際現象的分析研究，養成實事求是的態度，并了解科學、技術、社會、環境的關系.

2.3 單元學習活動設計

單元學習活動設計是單元教學的樞紐，它既是對單元教學目標達成的學習過程規劃，又是課時教學設計的實施藍圖，對課時教學設計具有統領作用.單元學習活動設計要能夠有效突破單元教學的重點和難點，要求教師著眼于結構化設計.該環節的設計可通過以下步驟完成：首先，設計單元學習活動框架，根據單元教學目標，尋找合適情境，設計單元核心任務，分析核心任務之間的結構和順序;然后，制定每個學習任務的具體實施策略;最后，構建課時學習任務.按照單元規劃制定的課時、素養要求將單元核心任務盡量平均地分布在各課時中，組成課時學習活動[5].需要注意的是，這里的學習活動不僅包括課時活動，也包括課外活動.

（1）按照上述設計步驟，本單元的單元學習活動框架和課時學習活動設計要點分別見表2和表3.

（2）下面以第五課時“機械能守恒定律”為例，詳述課時教學活動的開展思路.

①情境引入：搖擺中的海盜船、拉弓射箭和蹦極運動.

學生已有一定的知識基礎，觀察物體在做功過程中，有哪些能量發生相互轉化？此環節學生自行分析每個情境中的能量轉化情況，知道動能、重力勢能和彈性勢能之間可以相互轉化，建立機械能的概念.

②挑戰實驗“實心球來襲”.

教室天花板上懸掛一個2kg的實心球，在傳統碰鼻實驗的基礎上增加挑戰難度，即參加挑戰的學生靠墻站立，實心球從該學生的對面等高處釋放，看挑戰者的反應.因靠墻站立，實心球擺過來，挑戰者無處躲避，但結果是安全的，引發了學生的興趣.

③定性分析擺球擺動過程中動能和重力勢能的變化情況.

先定性分析，后引導學生猜想動能與重力勢能在相互轉化的過程中，機械能如何變化？

④學生實驗：用DIS實驗驗證機械能守恒.

采用最新的實驗裝置（如圖3），光電門傳感器固定在擺錘上，6個擋光片固定在有刻度板的不同位置.釋放擺錘，可分別測出擺錘經過6個擋光片時的速度大小，最終得到動能、重力勢能和機械能隨高度變化的圖像，學生自行分析圖像結果，體會利用圖像找規律是實驗探究的重要方法.課后探索實踐，還能設計哪些實驗來驗證機械能守恒.

⑤理論推導：擺球擺動過程中任意兩個位置的機械能大小.

引導學生利用動能定理、重力做功與重力勢能的關系等，推導任意兩位置的機械能相等.

⑥再次展示實驗情境：實心球換成塑料球.

擺球換成塑料球，機械能為什么不守恒了？或在驗證機械能守恒的實驗中，給擺錘上增加與運動方向相反的繩子拉力，再次進行實驗得到圖像，發現機械能也不守恒了，討論機械能守恒的條件到底是什么？造成機械能變化的原因是什么？此活動旨在培養學生的科學推理和論證能力.

⑦實例分析：滑雪、勻速轉動的摩天輪、蹦極等運動的圖片或視頻.

判斷各個情境中的機械能是否守恒.分析說明蹦極運動中哪些過程中運動員的機械能守恒，哪些過程中運動員的機械能發生變化？變化的原因是什么？系統的機械能如何變化？

2.4 單元教學評價實施

單元教學評價是依據某些標準來判斷單元教學設計在多大程度上實現了單元教學目標的過程，通常包括過程性評價和形成性評價兩部分[5]，單元評價的整體結構如圖4所示.考慮評價的可操作性，單元過程性評價通常與單元活動、單元作業的實施交融在一起.在單元活動中，教師可以通過學生的活動記錄、活動表現對學生進行過程性評價，讓不同主體共同參與評價，使評價更好地促進學生的學習過程.在單元作業中，教師應對學生作業的完成度、投入度和準確度等進行過程性評價，特別是對學生作業的準確度、實踐類作業的獨創性等方面進行激勵和肯定.

“機械能守恒定律”單元的過程性評價主要包括兩個方面：（1）活動開展情況的評價.以本單元最后一節課為例，各小組分別從實驗設計方案、tracker軟件的分析結果等方面進行交流和分享，可以從學生的實驗操作規范、tracker軟件的熟練程度、實驗圖像的分析和對問題的闡釋等角度進行評價;（2）課時作業的評價.對作業的評價可從學生作業的正確率、課堂反饋等角度展開.本單元的形成性評價，應以抽象思維、科學推理、能量觀等素養為中心，以真實情景為載體，形成單元測試卷，考查學生對功能關系的理解和運用機械能守恒定律解決實際問題的能力.根據評價結果，對本單元的教學設計進行反思與修改，這樣一來，目標、評價與教學之間的一致性就得以體現，為目標的達成提供了根本的保障.

3 結束語

深度學習是一種教學理念，它的目標是人的全面發展，它的內容是有挑戰性的單元，它的學習過程是學生作為主體的主動學習過程.本文以機械能守恒定律單元教學為例，通過尋找合適的情境、設計核心任務、分解核心任務和設置任務評價等方面系統地設計單元教學內容.通過核心任務串聯起整個單元的教學內容，把核心任務分解到具體的課時教學中，從第1課時發布任務到第6課時完成方案，為教學目標的實現提供了可操作的路徑和符合實際的單元教學設計模板.在本單元的學習中，學生一直保持著濃厚的學習興趣和熱情，從蹦極運動的視頻情境入手，引發功和能量轉化的關系，讓學生設計實驗方案和用視頻軟件分析能量轉化，學生有了思考的起點和落點.在整個單元系統學習和探究過程中，讓體驗在活動中獲得，思維的廣度和深度都有了很大的提升，促使學習真正發生，學科素養的發展也水到渠成.

參考文獻：

[1]郭華.如何理解“深度學習”[J].四川師范大學學報（社會科學版），2020，47（01）：89—95.

[2]崔允漷.學科核心素養呼喚大單元教學設計[J].上海教育科研，2019（04）：1.

[3]周琴，方德鑫.Tracker軟件在學生探究實驗中的應用——以“拋體運動的探究”為例[J].中學物理，2019，37（15）：47—49.

[4]王美芹，柴麗蘋.基于核心素養的高中物理單元教學目標設計——以“磁場”單元為例[J].物理教師，2020，41（06）：15—19.

[5]上海市教育委員會教學研究室.中學物理單元教學設計指南[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-08-02）

作者簡介：鄭小青（1983-），女，山西人，博士，中學一級教師，研究方向：中學物理學科教學.