基于大概念的单元逆向教学设计 ——以“万有引力与宇宙航行”为例.pdf

第2 0 卷总第114期中学理科园地教学探讨基于大概念的单元逆向教学设计以“万有引力与宇宙航行”为例杨敏芝，彭朝阳*（云南师范大学物理与电子信息学院）摘要：基于大概念的单元逆向教学设计是一种“以终为始”的教学设计，即先确定预期的学习结果，再确定合适的评价证据，最终设计具体的学习体验。通过分析新课标和新教材，再结合生活实际和概念派生提取出大概念。在大概念的统领下以“万有引力与宇宙航行”作为单元逆向教学设计的案例，为广大教师落实物理核心素养和提升教学效能提供方法参考。关键词：单元逆向教学设计；大概念；核心素养；万有引力与宇宙航行在“新课改”背景下，提高教学质量和效率的同时做到“减负”是值得思考的问题。广大教师不仅要与时俱进地更新教育理念，更要全面关注学生对知识有效且系统的理解。近年来美国课程改革中新出现了逆向教学设计模式，其又被称为“追求理解”的教学设计（Understanding By Design，简称UBD)1-2,它强调单元整体的教学设计与实施。有相关的脑科学研究证明，大脑处理的信息不是分散的，而是以概念的形式,这些概念处在认知机制的中心 3。所以,通过大概念统领的单元结构，能很好地凸显知识间的联系性和系统性，是单元逆向教学设计的有效方法支撑，这对广大教师而言是非常值得学习和借鉴的。1单元逆向教学设计的依据逆向教学设计是美国课程与教学领域专家格兰特威金斯和杰伊麦克泰格在他们的著作 1-2 中针对传统教学设计存在的问题而提出的教学设计模式，这为逆向教学设计提供课标分析教材分析学生分析生活实际概念派生了重要的理论依据。新课程标准要求教学要立足于新教材贯彻落实核心素养目标，所以新课程标准和新教材是有效教学设计的准则依据和素材依据。从万有引力与宇宙航行的单元内容来看，需要学生有逻辑推导、迁移运用、思考探究等能力。因此，学生现有的认知水平也是逆向教学设计的重要参考依据。2大概念的含义和提取路径2.1大概念的含义单元逆向教学设计注重知识间的联系，而这种联系主要通过大概念产生。大概念的“大”不是庞大，而是要突出其“核心”地位。它是各种条理清晰的关系核心，又是使事实更容易理解的一个概念锚点14。大概念可分为跨学科和学科大概念，具体而言，它又有概念、观念、论题这三种表现形式 5。2.2大概念的提取精准提取大概念能很好地为后续单元逆向教学设计奠定基础，图1反映了大概念的提取及其指引的设计框架，最终统领设计的始终。通过大概念可以把整个单元知识系统直观地联系起来，这样不仅充分考虑了核心素养目标，也有利于教、学、评一致性。3基于大概念的单元逆向教学设计本文以万有引力与航天单元为例,在文献 6 的基础上搭建了如图2 所示的单元知识框架，通过参考格兰特威金斯和杰伊麦克泰格著作中提出的UBD模板，依次展开逆向教学设计的三个阶段。学科大概念概念单（微观具体）元大量概念跨学科大概念（宏观抽象）图1基于大概念的逆向教学设计框架图物理观念表现形式科学思维观念科学探究科学态度论题与责任确定预期结果出示评价证据设计学习体验*通讯作者74第2 0 卷总第114期中学理科园地教学探讨观念树立大概念行星绕中心天体的运动模型建构轨道、速度、周期特点核心问题化近科学探索似为处开普勒三定律圆理基本问题3.1逆向教学设计的导向一一确定预期学习结果预期的学习结果是逆向教学设计的导向,是对学生所能达到的学习结果的预设 2 1。逆向教学设计模式主要从学习迁课标要求通过史实，了解万有引力定律的发现过程。知道万有引力定律，并认识其重要意义认识科学定律对人类探索未知世界的作用会计算人造地球卫星的环绕速度。知道第二宇宙速度和第三宇宙速度知道牛顿力学的局限性，体会人类对自然界的探索是不断深人的初步了解相对论时空观关注宇宙起源和演化的研究进展3.2逆向教学设计的关键评价证据是逆向教学设计中一个承上启下的关键阶段。本文根据UBD理论和课程标准中的评价设计建议，通过表现性任务来确定评价证据，分别对应表2 和表3。其中，表375运动圆周运动抛体运动牛顿经典力学批判认识、推陈出新图2 基于大概念的单元知识结构图移、理解意义、掌握知能这几个方面来确定预期学习结果。为了更好地贴合我国的核心素养目标，围绕新课程标准要求 4设计了表1所示的预期结果。表1基于UBD模板的预期结果设计表确定预期结果学习迁移(T1)学生能自主地将所学运用到：会联系跨学科知识探究行星的运行规律和推导相关定律会联系生活实际和借助现代软件技术模拟和验证科学家的猜想假设会从运动与相互作用的观念中明白宇宙天体的引力作用是相互的会运用科学的方法探究物理规律的实质通过了解科学家们艰辛的探究历程形成科学的态度与责任感会把解决物理问题的思维方法迁移运用到生活实际的问题解决中理解意义(M)学生将会深人持久地理解：学生将会不断思考以下核心问题：宇宙中物体运动与相互作用的奥秘太阳系中行星的运行规律是怎样的整个单元的物理学史演变历程行星绕中心天体运动的原因是什么单元内容中的物理观念和科学思维万有引力理论的成就有哪些相关定律的科学探究过程及其意义人类如何实现宇宙航行科学家刻苦钻研的精神价值所在相对论时空观与牛顿力学有何区别掌握知能(A)学生该掌握的知识是：学生应形成的技能是：万有引力与航天相关的物理学背景具有查阅资料和整合知识的能力，能概括和解释物理现天体运动与相互作用涉及的模型建构、推理论象证等相关知识会运用相关规律和原理解决实际问题相关定律的特点和影响因素等内容解决星体运动等相关问题时会构建相关图示和模型基于万有引力定律的航天知识有猜想假设和质疑创新的能力与单元内容相关的科学技术和社会生活知识有科学的思维方法和探究技能一确定合适的评价证据中的评价维度是根据布鲁姆教育目标分类学的六个认知维度设计的 7 。在评价样表中用字母ABCD对物理学科核心素养的四个维度来进行编码，最终评价效果可以通过项目得分来反映。相互作用原因？星体间的相互作用牛顿定律现象本质引力提供向心力月-地检验引力势能万有引力定律“称量地球质量推理论证应用发现未知天体依据宇宙航行对立相对论时空观能量功能关系势能问题机械能动能问题动量问题能量守恒问题预期目标学习迁移理解意义知识掌握技能掌握第2 0 卷总第114期表现性任务探究性任务课前调查探究：以一名调查员的身份设计调查方案和探究方案。搜集整理相关的资料，最后形成探究报告或者调查报告理论演说：假设自已是不同时期的科学家，根据历史的先后顺序叙述有关行星运动的理论分组辩论：辩论相关猜想，用科学的证据和科学的观点来支撑论点表达性任务科普交流会：观看相关的视频资料和阅读相关的科普资料，分享交流自己的观后感自我反思：要认识到自己掌握了哪些内容？哪些内容还没掌握，原因是什么课前识记任务：以填写知识清单的形式或者抽问的形式回顾前修知识识记性任务课堂趣味训练：如小组知识竞赛、看图猜知识、问答互动等总结知识：画思维导图、知识拓扑图、单元主题手抄报等方式应用性任务理解万有引力与宇宙航行单元的相关知识并能运用解决实际问题评价方式口学生自评口学生互评口教师评价（请在所选项目对应方框内打V）评价指标评价证据（根据任务完成情况，在学生的达到的水平下评价维度面打V）A物理观念B科学思维C科学探究D科学态度与责任水平1水平2 水平3水平4水平5记忆（7 分）通过查阅资料发现万有引力和宇宙航行的相关知识C会描述和解释相关物理定律、规律的定义和意义A会逻辑推导相关定律并举例说明其在生活中的应用B通过比较不同物理学说的特点形成质疑和创新意识B理解能将情境问题涉及的知识进行归类并适配策略B(每项6 分,共48 分）会联系生活实际概括一些抽象的物理现象C会根据相应物理规律解释和预测生活现象A有构建相关图示和知识模型的思维能力B能理解物理学对人类和社会的重要性，有社会责任感D运用（8 分）会运用不同知识方法多角度思考和解决实际问题AB分析(7 分)会分析解释相关物理现象并提出质疑，能自主探究相应问题BC评价会核查探究结论的正确性和判断解题程序的适当性B（每项6 分，共12 分）有实事求是的学习态度，有良好的科学素养和道德习惯D有猜想假设的能力且能对现实问题提出质疑B创造有设计和规划相关探究活动方案的能力C(每项6 分,共18 分)在探究活动中敢于挑战趣味任务并有一定能的实践创造能力BC总评优（9 0-10 0 分）注：评价指标对应的五个水平是物理学科核心素养的水平划分，具体见新课程标准附录7 8 页3.3逆向教学设计的根本一一设计具体的学习体验（教学活动）逆向教学设计是评价优先于活动的设计模式，上一阶段的评价依据将指引着学习体验的规划。通过大概念统领的核心问题可以划分为很多基本问题，由此做出的单元教学活动规划最终指向预设的学习结果。活动规划中采用了WHERETO要素编码1和AMT目标编码 2 1,具体的活动编码和活动规划如图3和表4所示。中学理科园地表2 表现性任务表任务内容表3评价量化样表良（8 0-9 0 分）中（7 0-8 0 分）差（7 0 分以下）W帮助学生知道此单元的方向(Where)和预期结果(What)H把握(Hook)学生情况和保持(Hold)学生兴趣武装(Equip)学生，帮助他们体验(Experience)主要观点和?探索(Explore)问题提供机会去反思(Rethink)和修改(Revise)他们的理解及学R习表现E2允许学生评价(Evaluate)他们的学习表现及其含义T2对于学生不同的需要、兴趣和能力做到个性化组织(Organize)教学使其最大程度地提升学生的学习动机与持续参与的热情，提升学习效果教学探讨得分掌握知能理解意义迁移运用图3活动编码76第2 0 卷总第114期章节核心问题太阳系中行星的运行轨道有何特点1运行规律是怎么样的运行速度有何变化特点运行的周期有何变化特点科学家们对行星运动原因有哪些猜想行星与太阳间有何引力特点行星绕中心天体2运动的原因是什月球为什么可以绕地球转动么“天上”和“地上”的力是同一种创设情境带领学生猜想和假设，通过逻辑推论验证自已的猜想假设力吗什么是万有引力定律如何计算中心天体的质量万有引力理论的3成就有哪些人类如何实现宇的4宙航行什么是相对论时的内容和意义是什么空观与牛顿力学相对论时空观和牛顿经典力学5时空观单元总结4结语单元逆向教学设计追求的是一种以撰写课程计划为目的思考方式，本文以万有引力与宇宙航行为例紧扣这一思考方式完成了此设计。随着大概念理论和核心素养目标的融合，单元逆向教学设计不仅能系统性地为学生搭建知识构架,还能减轻学生的认知负担从而做到真正的理解。特别在“新课改”的背景下，这对教师提高教学效能和帮助学生“减负 是有启发意义的。参考文献：1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 17.77中学理科园地表4活动规划表基本问题科学家们对行星运行规律有哪组织学生探究相关物理学史，让学生角色扮演并分组辩论科学家们的些猜想给出四季时长数据，让学生结合弟谷和开普勒的科学研究得出行星的轨道特点（A、W)通过Geogebra软件模拟演示，让学生结合四季时长数据猜想和推理得出速度变化的特点(A、H)给出太阳系八大行星的周期、半长轴等数据，引导学生猜想并运用Excel软件推理得出二者关系（A、E1）讨论并组织学生画椭圆，体会行星受束缚的原因（M、E1、O）根据牛顿力学理论，让学生理解行星间引力的相互作用，知道圆周运动运动向心力的本质（M、W）结合行星绕太阳的运动，让学生迁移思考发现月球绕地球运行的原因是受到了地球引力的作用（T1、E1）(A,R)归纳说明一切物体间都存在引力的作用，结合开普勒定律和牛顿定律推理万有引力定律的公式（M、E1）举例且辅以图示分析说明不同情况下如何运用万有引力定律求出中心天体的质量（T1、W）通过一些天文现象引发思考，让学生交流讨论，互相点评看法（A、E2、如何发现未知天体T2.0)引导学生从平抛运动迁移到圆周运动，实现星际航行分别需要什么的宇宙航行的速度条件是什么速度条件(T1、W、H)宇宙航行的轨道模型是怎么样让学生了解实现绕地航行、绕月航行和脱离太阳系分别要满足什么样的轨道运行条件（M、W）飞船航行时各物理量间的有何引导学生讨论并演算推导，教师适时提示，让其及时修正自已的问题，关系人类的宇宙航行探索历程是怎让学生查阅人类宇宙航行相关资并写成相关报告，鼓励学生互相分享样的相对论时空观和牛顿经典力学通的特点是什么教学探讨活动规划课时计划猜想(A,W、T 2)1课时1课时1课时2课时课后布置相关作业A、O、R、T 2)交流和点评（AH、E2)通过科幻电影引人课题，通过相关材料引导学生正确认识相对论时空观和牛顿力学时空观（A、H)组织学生交流讨论，引导学生列表归纳总结（A、T 2、O)通过问答互动带领学生回顾整个单元的科学探究历程，课后要求学生设计一份单元思维导图（A、T 2）2威金斯,麦克泰格.理解为先模式单元教学设计指南（一）M.盛群力，沈祖芸，柳丰，等译.福州：福建教育出版社,2 0 18.3焦尔当.学习的本质 M杭零，译.上海：华东师范大学出版社,2 0 15.4】中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2 0 17 年版2 0 2 0 年修订)S.北京：人民教育出版社，2 0 2 0.5刘徽“大概念视角下的单元整体教学构型：兼论素养导向的课堂变革 J.教育研究.2 0 2 0,41(6):6 4-7 7.6刘娜,崔琰,李春密.指向深度学习的高中物理单元教学设计：以“万有引力定律 为例 .物理教学探讨.2 0 2 2,40(9):30-33.7 安德森学习、教学和评估的分类学：布鲁姆教育目标分类教学修订版 M.皮连生，主译.上海：华东师范大学出版社,2 0 0 7.1课时