UbD理论指导下的高中物理单元逆向教学设计——以“静电场中的能量”为例.pdf

第2 0 卷总第1 1 5 期中学理科园地科学素养UbD理论指导下的高中物理单元逆向教学设计以“静电场中的能量”为例石美,陈阁,许林*（云南师范大学物理与电子信息学院）摘要：UbD理论指导下的逆向教学设计强调大概念和单元教学，把预期学习结果当作设计起点，评价先于学习活动，有利于促进学生的理解和迁移应用，符合新课标强调学习以大概念为核心、重视核心素养的要求。以普通高中教科书物理(2 0 1 9)必修第三册第十章“静电场中的能量 为例，在UbD理论指导下对该单元进行逆向教学设计，指在落实物理学科核心素养，提高学生的理解和迁移应用能力。关键词：UbD；高中物理；逆向教学设计引言UbD的全称是Understanding by Design,译为追求理解的教学设计!l。新课标强调学生学习以大概念为核心，重视学生学科核心素养。UbD理论下的逆向教学强调大概念和单元教学，需要从理解性目标来逆向设计单元教学目标，旨在促进学生的应用迁移能力，达到长期性理解，落实核心素养，符合新课标的要求。传统的教学设计过于注重教材内容和课堂活动，虽然这两种教学导向使学生能够应对考试，但很难真正实现为学生的理解而教。UbD理论指导下的高中物理单元逆向教学设计，能够更好地解决在物理教学当中存在的学生理解不深人之类的问题，使学生达到长期性理解，促进学生深度学习，落实物理学科核心素养。1UbD理论与逆向教学设计1.1 UbD理论UbD理论是在美国课程改革过程中近些年出现的新理论和新实践，其强调的是理解和逆向教学。UbD理论强调逆向和单元整体设计，首先以预期学习结果为起始，其次预设评估证据，最后再设计学习活动，评价先于教学，旨在促进学生能够真正理解所学知识，并将其迁移应用到真实的情境当中 2 1。1.2逆向教学设计基于UbD的逆向教学设计框架强调以单元为整体进行设计，突出大概念和基本问题，逆向教学设计以输出端为起始，评价先于学习体验与教学，促进学生对所学内容的理解和迁移应用。逆向教学设计与传统教学设计的顺序不同，传统的教学是从教学内容开始设计的，教学以学习内容为导向；而逆向教学是从预期结果为起点设计，教学以学习结果为导向 3。如图1 所示为逆向教学设计三个阶段的设计思维导图，要求设计者事先确定学习迁移、理解意义、掌握知能三个方面的学习结果，围绕大概念和表现性任务进行教学设计。逆向教学设计确定预期结果确定合适的评估证据设计学习与体验学习迁移理解意义掌握知能图1 逆向教学设计的三个阶段2UbD理论指导下的高中物理逆向教学设计示例关系及应用条件；了解电容器及其应用，能够分析带电粒子以普通高中教科书物理必修第一册第十章“静电场中在电场中的运动情况，解释相关的物理现象 4 1。从教材上看，的能量”为例,基于UbD理论对该单元进行逆向教学设计。“静电场中的能量”是连接力学和电磁学的一个单元，该单元2.1阶段一：确定预期结果要求学生掌握的知识与技能既能够联系前面学过的力学内2.1.1迁移目标容，也能为此后电磁学的学习奠定良好的基础。考虑到“静电迁移目标的确定需要从课程标准、教材等方面综合考场中的能量”单元教学应该聚焦“静电场中的能量”和“带电虑。从课标上看，本单元的课程内容要求学生知道电势能、电粒子在电场中的运动”两大内容，学生在学习后能够应用所势以及电势差的含义和相关应用,以及电势差与电场强度的学内容去分析、解释相关物理问题以及生活中常见的电磁现*通讯作者29表现性任务其他证据教学活动教学监控第2 0 卷总第1 1 5 期象，由此确定迁移目标。2.1.2理解意义理解意义包括理解目标和基本问题两部分，首先要从课程标准、教材以及学情三方面进行分析，提炼教学内容大概念，基于大概念确定理解目标和核心问题 5。根据新课标提出的“物质观念、能量观念、运动与相互作用观念”三个核心观念 4,对“静电场中的能量 进行大概念提炼（见图2),根据提炼出来的两个大概念，确定本单元中的理解目标优先次序，对应展开基本问题。2.1.3掌握知能知能目标的确定需要结合设计好的理解目标与基本问题，要考虑哪些知识与技能可以有效地促进学生达到理解目标和持续地思考基本问题，从而确定学生将会掌握什么样的知识和形成的什么样的技能，由此来确定学生在预期学习结果阶段的知识目标和技能目标。理解静电场中电势能、电势、电势差等能量，形成初步的能量观，并且能够应用其解决实际问题；能举例说明电容器的运用，能够分析带电粒子在电场中的偏转现象，理解运动与相互作用观静电力做功和重力做功具有相同的特点；电势能、电势和电势差的概念和计算方法；电容的定义式和决定式；带电粒子在电场中的运动规律知识目标WA r-E p i-E B;的适用条件；d电容是描述电容器存储电量的本领的物理量；带电粒子在电场中运动受到电场力的作用2.2阶段二：确定适合的评估证据围绕大概念和基本问题设计评估证据，本案例评估证据能够解释为什么沿着电场线方向，正电荷和负电荷的电势是逐渐降低的？静电力做功的正负与电势能的变化具有怎样的关系？会运用反证法准确讨论出等势面和电场线的关系。能对不在一条电场线上电势差与电场强度的关系进行分析与计算。对比分析不同组实验的现象，应用类比法总结出C=%U能够准确分析带电粒子在加速电场和偏转电场中的运动2.3阶段三：设计学习体验和教学在设计逆向教学的第三个阶段时，需要考虑什么样的教学活动与学习体验能够有效采取阶段二所确定的评估证据对学生的表现进行监控与反馈。本案例的该阶段根据WHERETO元素为教学活动编码，即W(W=What/Where:教学中学理科园地大概念1：能量观静电场中的能量大概念2：运动与相互作用图2“静电场中的能量”大概念提取根据以上分析，由此阶段一：确定预期结果的设计如表1所示。表1 确定预期结果学习迁移理解目标重力做功与静电力做功之间的有什么联系？电势能、电势和电势差之间有什么关系？如何运用比值定义法得到电容的定义式？带电粒子在电场中受到静电力的作用，会做什么运动掌握知能通过类比重力做功，能够解决静电力做功的问题；能计算电荷在电场中某一点的电势能；能结合数学知识推导出UAB=Ed或者E=d根据决定式，能定性分析影响平行板电容器电容的因素；能从动力学、能量两方面分析带电粒子在电场中运动情况的设计采取最常用、最有效的真实、可视的表现性任务，如表2所示。表2 评估证据确定恰当的评估办法表现性任务方向、预期结果)、H(How/Hold:把握情况、保持兴趣)、E(Equip/Expe-rience/Explore:武装学生、体验观点、探索问题)R(Re-think/Revise:反思、修改）、E2(Evaluate:自评、互评)、T(Tailor:量体裁衣)、O(Organized:组织教学)。学生的预期学习结果(学习迁移、理解意义、掌握知能)的达成将取决于实际的学习体验30科学素养电势能和电势电势差电势差与电场强度的关系电容器的电容带电粒子在电场中的运动基本问题（核心问题）技能目标UAB课堂问答、观察；他评与自评；学生课后作业的完成情况其他证据第2 0 卷总第1 1 5 期与教学当中。以第十章“静电场中的能量 第5 节“电容器的电容”电容器教学片段为例，以WHERETO元素为教学活动活动编码教学活动创设情境,新课引人：物理学史引人，通过应用静电魔法给自制教具“莱特瓶(图3)充电，使得莱顿瓶存储电荷，然后让学生体验“触电”感觉。提问学生“为什么会有这种感觉呢？这种现象是怎样发生的呢？”W,O.H、E I中学理科园地编码设计学习体验与教学活动（见表3）。表3设计学习体验与教学“电容器的电容”学习体验与教学片段教学活动与学习体验科学素养核心素养学习体验学生体验触摸“莱顿瓶”，感受到触科学思维电的感觉图3自制简易莱顿瓶探究情境，讲授新课：激发学生的学习物理观念（一）电容器的概念O.T.H、R、1.通过类比“水可以用容器存储起来”让学生初步建立起“电荷也可以用容器存储起来”的概念，E2从而对电容器的功能有初步的认识。结合多媒体讲述富兰克林引电实验和莱顿瓶的制造，2.教师组织学生根据莱顿瓶制作的原理，利用事先准备好的材料现场制作一个简易莱顿瓶并让代表，教师引导学生注意观察实验现象，引导学生讨论还可以利用哪些身边常见的物品材料制作简易莱顿瓶，代表依次发言，其他成员可以进行评价和补充。让学生对莱顿瓶有感性认知，从而帮助学生建立起电容器的概念。(二)了解电容器的基本构造教师为学生展示提前拆解的电容器内部构造照片，引导学生注意观察电容器内部结构照片，让学生自主总结电容器的基本0构造，教师补充完善。H,E1,0.E2随后教师提问是不是两个彼此绝缘的导体，贴在一起，就能够“装进”电荷呢？老师现场演示验证：提前准备好了两片用普通包装袋密封起来的铝箔纸，且分别接一根导线，用胶布固定起来，然后给这样的装置（见图4)充电，引导学生注意观察。（三）实验：观察电容器的充放电现象既然电容器能够存储和放出电荷，那它是怎样“装进”和“倒出”电荷的呢？教师引导学生了解教材上的实验方案（见图5），抛出问题：开关掷到1、2 端时，电路图分别是怎样的呢？O.H.E11SW.T2ER兴趣然后组织学生带着问题“电容器内部的基本构造是怎样？”观看视频。学生对演示实验现象进行描述：充科学探究完电，将两根导线图4连接，有电火花的产生，并伴有放电声音。SE2R图5 教材实验电路图探究实验：教师引导学生在实验过程中注意观察电容器的充电现象和放电现象两个过程当中电流表和电压表示数的变化情况，让学生初步地感知在这两个过程中电容器电流、电压各物理量的变化情况。实验改进：由于在电容器的充电和放电两个过程当中，指针偏转较快，学生不仅要观察示数是否发生变化，还要观察指针的偏转方向，为了更直接地让学生观察到开关分别掷到1、2 端时电容器电流、电压的变化情况，教师引导学生对实验进行改进，将发光二极管连接到电路（如图6 所示)当中。学生思考改进实验发光二极管起到什么样的作用31图6 改进后的实验电路小组讨论分析教科学思维材电路图，观察实验现象第2 0 卷总第1 1 5 期活动编码为了更直观的观察当开关分别掷1、2 端时电流和电压的变化，将电流表和电压表分别换做电流传感器和电压传感器，设计电路图（见图7）。教师演示利用传感器测量这两个过程中电流、电压的变化情况，通过引导学生观察电流传感器和电压传感器在电脑上显示的数据变化情况，再结合电脑绘制出的图像，让学生自主总结出实验现象，让学生体会起电容器的充电过程和电容器的放电R.E2过程。中学理科园地表3(续)电容器的电容学习体验与教学片段教学活动与学习体验教学活动拨计算机1SO传感器E2R科学素养核心素养学习体验学生绘制表格，填电流写演示实验数据C变化情况，描述总科学态度电压接计算机传感器结演示实验现象与责任图7 利用传感器观察电容器充放电的电路图实验结束后，教师结合多媒体，为学生播放电容器充放电过程视频动画，深人分析到电容器在充电和放电两个过程中电荷量、板间电场强度以及能量的变化情况，引导学生总结出电容器充放电两个过程的特点归纳小结，升华素养：小组交流讨论总结所学内容，教师补充完善。R.H学生运用所学内容，解释引入新课环节教师提出的问题，加深学生对所学内容的理解，培养其迁他评移应用能力，强化学生的科学探究意识课后作业，巩固提升：查阅资料，拓展学习，了解通过利用传感器来观察电容器的放电过程现象，解释此过程中得到的查阅资料，完成课科学态度T.H图像面积的物理意义，并设计出充电过程的电路图。课后制作简易电容器“莱顿瓶”；查阅资料，了解电容器及电容发展的物理学史，并撰写小报告3结语UbD理论指导下的逆向教学设计，要首先弄清楚“理解”和“逆向设计”两个基本概念，在此基础上，重视课程对内容大概念的理解。逆向教学设计的三个阶段形成教学目标决定教学评价，教学评价引导教学活动的因果回归关联。由此，新课标下的物理教学要转向“为理解而教”,而采用以UbD理论为指导的逆向教学设计是促进学生实现真正理解和迁移的有效途径。只有学生对所学内容达到真正的理解，并且能够将其运用到相关的真实情境当中，才能实现学习上的迁移。参考文献：252585252828525252525252585252552552525252525525525252525255255285252285252528525285(上接第2 2 页）参考文献：1 赵慧臣,周昱希，李彦奇，等.跨学科视野下“工匠型”创新人才的培养策略：基于美国STEAM教育活动设计的启示 J远程教育杂志,2 0 1 7,35(1).2申在韩.STEAM融合教育的理论与实践 M.首尔：教育科学社,2 0 1 3.3金镇秀.探索技术教育新的综合教育方法STEAM教育J,韩国技术教育学会杂志,2 0 0 7,1 1(2).4李文智.高中化学、物理、生物跨学科知识整合与实践研学生进行自评与科学思维后学习任务与责任1董明明，曾早早.UbD理论指导下的高中地理逆向教学设计：以“中国的能源安全”为例 J.地理教学,2 0 2 2(1):38-4 1.2威金斯,麦克泰格.追求理解的教学设计（第二版)M.闫寒冰，宋雪莲，赖平，译.上海：华东师范大学出版社,2 0 1 7.3威金斯,麦克泰格.理解为先模式单元教学指南(一)M.沈祖芸，陈全慧，张强，译.福州：福建教育出版社,2 0 1 8.4 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2 0 1 7 年版2 0 2 0 年修订)S.北京：人民教育出版社,2 0 2 0:5.5逢型玉，王义梁.高中物理单元逆向教学设计探讨：以“静电场中的能量”教学为例 J.物理之友,2 0 2 1,37(5):2 7-30.究 D.银川：宁夏大学,2 0 2 2.5王永红.物理与地理学科融合教学策略探讨 J.中学地理教学参考,2 0 2 3(2 1):8 4.6胡双.高中化学中渗透物理学科知识的交叉教学实践研究 D.天津：天津师范大学,2 0 2 2.7金成元,郑永汉,禹爱子,等.融合人才教育(STEAM)理论模型的建议 J.韩国科学教育学会,2 0 1 2,32(2).8陈晨.融入通用技术课程理念的高中物理跨学科综合实践研究 D.南充：西华师范大学,2 0 2 1.32