以單元目標為導向的初中物理學習活動設計
——以“大氣壓強”為例

朱 英 馮 杰

（1.上海市位育初級中學，上海 200031；2.上海師范大學數理學院，上海 200234）

上海市教委教研室中小學物理學科啟動了單元整體設計的研究.以單元目標為導向的學習活動設計可以幫助學生構建知識結構體系，圍繞單元目標設計的學習活動能夠大大提升教學內容的邏輯性，這是培養學生的物理學科核心素養的重要途徑.

1 理論基礎及概念分析

1.1 認知理論

學科核心素養是人才需求的轉變產生的，而“具身認知理論”和認知發展階段理論為核心素養的培養提供的理論依據.以單元目標為導向的學習活動設計的教學策略和這兩個理論又有著密不可分的關系，他們能有力的促進教學.

首先，“具身認知理論”認為認知活動不僅離不開生物的大腦，而且與人類身體及其所處的環境密切相關；“心智之所以從根本上是具身的，并非僅僅因為心智的所有過程必須以神經活動為基礎，而是因為我們的知覺和運動系統在概念形成和理性推理中扮演了一種基礎性的角色”.而作為人體最重要感覺之一的視覺在我們的認知世界中扮演了重要角色，對于科學知識的建構占據了關鍵性的作用.

其次，認知發展階段理論強調知識和經驗之間的轉換和改造，最具代表性的是皮亞杰理論，他認為個體自出生一直到成年的認知發展階段，在他看來，認知發展并不是一個簡單的數量累積過程，而是一個不斷創建新圖式的過程.從認知圖式的性質出發，皮亞杰將兒童的認知發展共劃分為4個階段，而第4階段就是（11～15歲以后）形式運算階段：可以不憑借具體的事物，作出符號形式的推理分析.初三學生就是處于這個階段，可以對表征的和抽象的物體進行邏輯思維運算，學生有能力將內容與形式分開，運用符號來代替其他東西.

初中生正處于表象與抽象過度的階段，學生能夠通過視覺來觀察生活中的物理，能夠通過視覺來觀察物理實驗現象，能夠通過視覺來觀察知識點的聯系，能夠憑借自己的認知發展對物理現象和知識進行推理分析.

1.2 單元目標

單元目標是基于教學基本要求設定的目標，是把握教學內容及重點內容的方向.初中物理單元目標是一個單元所要掌握的物理學科素養四維目標，初中物理單元目標需要明確學生掌握的物理觀念、落實好學生科學探究需要具備的科學思維、明確學生需要培養的科學態度與責任，需要通過整個單元學習讓學生達到預期的效果.

1.3 學習活動設計

以單元目標為導向的學習活動設計是根據單元大活動的教學目標和學情，確定教學單元的構建，從物理學科核心素養內涵出發，根據學生學習的認知特點找出相應的學習模式，形成物理學科特定的思維方式，以培養學生核心素養為目標設計的教學活動.以往的教學模式已經不能滿足新要求，我們必須通過以單元目標為導向的學習活動設計來激發學生的科學思維，培養學生的探究能力，明確學生的科學態度與責任，獲得科學觀念，落實初中物理核心素養.

2 初中物理學習活動設計策略

傳統的教學體現的是知識點的講解，忽略的是情境，導致在教學中科學思維方法的滲透度不夠，沒有突出科學思維方法，導致學生的實驗能力、對問題的處理和分析能力受到限制，缺乏提問的精神和對現象的深入思考.隨著基礎教育改革的推進，從雙基到三維目標到核心素養的轉變，以單元目標為導向的初中物理學習活動設計刻不容緩，筆者設計了初中物理學習活動設計導圖如圖1所示.核心素養下的物理教學重視對知識的整合，強調的是實現學生的全面發展.以單元目標為導向的初中物理學習活動設計有利于學生自主構建知識體系，強化物理觀念；有利于學生利用已有物理知識進行科學制作，逐步養成創新思維；有利于學生對探究環節總結經驗、歸納方法；有利于建立物理知識和生活的聯系.

圖1 初中物理學習活動設計導圖

2.1 初中物理學科單元核心素養目標分析與構建

單元目標的分析能夠將知識點整合在一個單元中進行融會貫通，能夠減少對單一知識的過度關注，更加注重提高學生的學科核心素養，教師通過對教材進行深入分析，制定教學目標，根據學生特點采用符合學情的方式進行整合教學內容，從整體把握教學需求，選用合適教學方法，完善教學過程，提高學生抽象和概括、分析與綜合、推理與判斷等思維方法，在概念和規律教學中滲透建構模型內容，提升學生模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新的科學思維.

案例1.教學目標分析：本節課是上教版初中物理九年級第一學期第6章第6節的內容，大氣壓強與固體壓強、液體壓強一起構成了一個相對完整的知識體系.由于大氣壓的產生與靜止液體內部壓強的產生原因類似，所以大氣壓強的學習是前者的延伸和鞏固.本節要求學生主動參與，通過假想實驗、模擬實驗、演示實驗這一系列知識形成的過程，感受觀察、分析、推理、間接測量、假想實驗等科學的思想和方法（表1），并體驗學習的樂趣.

表1 單元核心素養目標

初中生學情分析：學生已經掌握了學習本節課需要具備的基礎知識壓力和壓強的概念、壓強公式：p=F/S、液體內部的壓強公式：p=ρgh，這些都為本節課的學習做了很好的鋪墊.但是由于托里拆利實驗是應用了間接測量的方法，所以學生在理解上一直存在著困難.初三學生已經具備了一定的實驗探究能力和空間想象能力，形象思維和抽象思維都有了不同程度的發展，分析問題、解決問題的能力也更加進步.但是初三的學生往往是不愛發言，不主動表現自我，需要教師的積極、靈活的調動.初三年級學生心理和認知發展規律要求在教學中要充分調動他們的激情.他們不喜歡枯燥的理論分析和教條式的計算，但樂于參與動手實驗、觀察現象、了解與物理規律有關的圖片.在玩中學更能激發學生的情感.他們喜歡探索自己熟悉的或與所學知識有關的生活現象、科學事件.這樣才更能激發和培養他們的創造性.

（1）通過設計實驗證明大氣壓強的存在，感受“實驗、觀察、歸納”的科學方法.

（2）經歷“探究測定大氣壓強值”的活動，感受分析、推理、間接測量的科學方法.

（3）通過了解馬德堡半球實驗和托里拆利實驗，領略先輩崇尚科學、勇于探索的精神.

（4）通過大氣壓強的學習，激發興趣，感悟理論聯系實際、學以致用的重要性.

（5）通過測量大氣壓強值的一系列活動，提高學生動手動腦學習物理的興趣，激發探索未知世界的熱情.

設計單元教學目標要符合學生心理特點和認知規律，而難點的確立要基于學生的認知水平和思維障礙.如案例1中把作為托里拆利實驗中應用了間接測量的方法作為難點，這樣的單元目標設計導向的活動設計才能真正起到培養學生物理學科核心素養的作用.

2.2 初中物理學習活動設計要點

學習活動設計是單元教學設計的關鍵，是落實物理學科核心素養的重要步驟，能為學生的學習活動提供良好的基礎和方向.初中物理學科核心素養是通過物理教師對教學活動的設計，為學生創造學習環境，通過學習中的問題而不斷的交流的形式中慢慢培養出來的.在進行學習活動設計時應該注意以下幾點：

第一，創設意境，培養學生科學態度與責任.對于學習意境的尋找是為了讓學生的物理知識學習更加的貼近實際生活，讓學生感受到物理來源于生活，此外，也能讓學生感受學習的魅力，讓物理在學生眼中不再只是符號、公式，而是可以感知和觸摸的生活中的世界.

案例2.活動1：利用實驗桌上所給器材，分組設計并實驗：證明大氣壓強是存在的，學生分組實驗如圖2所示.

圖2 學生分組實驗1

活動2：馬德堡半球實驗的故事介紹.

活動3：學生演示馬德堡半球實驗.學生通過模擬馬德堡半球的實驗，親身感受大氣壓強存在且很大.學生模擬馬德堡半球實驗的分組實驗如圖3所示.

圖3 學生分組實驗2

第二，設計問題，培養學生科學思維與探究.讓學生在意境中發現物理問題，根據課堂教學中的重難點為學生創造出良好的問題，讓學生在創設的問題情境中進行思考，自主學習，通過物理模型的構建和實驗探究，提升學生物理模型建構的能力，從而開展分析、綜合、類比、歸納等科學思維活動，培養學生猜想、假設、科學推理、科學論證的科學探究能力.此外，通過生生合作，還能促進不同能力層次學生的發展.托里拆利實驗是物理學中的重要實驗之一，具有重要的教育價值.但是，由于原有教材對于本實驗為什么這么做缺乏必要的鋪墊，導致了學生理解上的困難.因此，為了突破這個難點，就必須在忠于教材的基礎上，對教材進行一定的處理，補充假想實驗和模擬實驗的步驟，幫助學生理解為什么這么做和怎么做，為托里拆利實驗的理解打下基礎，注重對學生進行思維能力的培養，重視對學生進行科學精神和科學思想方法的熏陶和培養，體現學生主體地位，并在此過程中感受觀察、分析、推理、間接測量、假想實驗等科學的思想和方法，并體驗學習的樂趣.

案例3.（1）大氣壓的產生原因.

提問：大氣對處于其中的物體是否產生壓強？

論據：類比液體內部壓強，由于大氣受到重力的作用，大氣會對處于其中的物體產生壓強，我們稱它為大氣壓強.同樣氣體具有流動性，所以大氣壓也應該是向各個方向的.

（2）通過假想實驗初步理解托里拆利實驗原理.

提問：紙片很容易落下導致實驗失敗，有沒有更加穩妥的方法呢？為什么沒有水流出來？水對管口有沒有壓強？是不是不論管子有多長，水都不會流下來呢？大氣壓強托不住多高的水柱呢？

論據：知道大氣壓強所能托起水柱的最大高度就能間接地測出大氣壓強的值.在此過程中，學生初步理解了托里拆利實驗測量大氣壓強的原理.

方法：引導學生首先從覆杯實驗中尋找測量大氣壓強的方法，通過假想實驗，使學生理解大氣壓強的原理：p大氣=p液=ρ液gh.

（3）模擬托里拆利實驗.

提問：如何利用液體壓強替代大氣壓強？

論據：玻璃管足夠長；選擇密度大的液體；玻璃管內要裝滿液體（不能有空氣）

實驗：將實驗用的瓶子加長直至1 m長，來試圖尋找大氣壓強所能托起水柱的最大高度.學生模擬托里拆利實驗如圖4所示，當發現1 m長仍然不是最大高度的時候，引導學生討論得出：換更長的管子或換用密度更大的液體，例如水銀，并確定第2種方法為最佳方案.

圖4 學生分組實驗3

（4）托里拆利實驗.

視頻：觀看托里拆利實驗錄像.

（5）大氣壓強的利用.

提問：同學們討論一下生活中大氣壓強的應用.

舉例：吸鋼筆水、注射器抽藥液、活塞式抽水機、離心式水泵等.

3 初中物理學習活動設計教學效果評估

課程標準在評價建議中倡導“立足過程，促進發展”的學習評價理念，所以多種評價方法，客觀地評價學生發展狀況才是目前的趨勢（表2）.課堂評價是動態的交互過程，是學習過程相隨的質性評價，要為課堂生成預留足夠的開放空間.此外，課程標準在評價建議中還指出：注意多種評價方式的有機結合.我們應合理利用評價的診斷、激勵、發展等功能，量化評價與質性評價、形成性評價與終結性評價相結合，激勵學生改進學習行為，課堂觀察、實驗操作、作品展示等多種評價方式能全面了解學生學科素養的發展狀況.通過以單元目標為導向的初中物理學習活動設計，學生對于托里拆利實驗有了深刻的理解，假想實驗和模擬實驗，幫助學生知其所以然，為托里拆利實驗的理解打下扎實的基礎，突破了教學難點.

表2 初中物理學習活動設計教學效果評估要素

核心素養下的以單元目標為導向的初中物理學習活動設計改變了以往的應試教育教學模式，讓更多的學生在快樂中學習，體驗到了物理學習的魅力，讓物理教學中的更多零碎的知識點有效的結合在一起，讓學生在學習過程中形成了良好的學習習慣，落實了教學目標，培養了初中學生物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任等學科核心素養，為學生提供了真正有意義的學習.