指向深度学习的高中物理单元教学实施路径研究——以人教版高中物理“电能能量守恒定律”单元为例.pdf

2023年第8 期物理教学探讨Vol.41 No.8指向深度学习的高中物理单元教学实施路径研究以人教版高中物理“电能能量守恒定律”单元为例彭岳浙江省杭州第十一中学,杭州3 1 0 0 0 0摘要：深度学习是培养学生核心素养的重要路径。研究发现，教师关注单元教学设计，从单元层面实现深度学习对于落实核心素养是行之有效的。以新版人教版高中物理必修三第十二章“电能能量守恒定律”单元为例，阐述以深度学习为导向，从整体到局部，以教学目标规划主题，以主题引领任务，以情境构建任务的项目化教学实施路径。关键词：高中物理；深度学习；单元教学；实施路径中图分类号：G633.7新课改要求高中物理课程落实立德树人根本任务,培养和提升学生的核心素养1 ,而深度学习是课堂教学落实核心素养的重要路径。素养的培养与知识的学习实现方式不同，知识层面的学习经过教师讲解或学生阅读即可达成，但能力的提升和素养的落实必须要经过学生的深度学习，即对知识本质的理解以及对学习内容的批判性吸收和利用，经历分析综合、推理论证等高阶思维为主要的认知过程，体验富有挑战性和创新精神的学习活动和科学实验探究活动，形成积极的内在学习动机，高级的社会情感和价值观。深度学习强调学生进行有意义、有深度、持续性的学习,通过深度学习的过程，提高有效的学习迁移能力和真实问题的解决能力2 。研究发现，单元教学的设计与实施对于课程建设、培养和发展学生核心素养很有必要。在高中物理课堂教学中,教师往往着眼于某一课时或某一个知识点的设计与实施，很少关注单元层面。但学科知识不是孤立的知识点，而是系统的、有关联性的知识体系。以单元教学设计与实施为抓手有明显的优势，能宏观把握整个单元知识的关联结构，抓住课程核心主题，从整体再到局部进行问题整合，围绕解决问题展开学习活动，突出物理学科本质，促进学生对物理知识的真正理解、迁移和应用，使学生不断产生成就感和效能感，从而提升学生的物理学科核心素养。那么，如收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 1作者简介：彭岳（1 9 8 5-），女，中学一级教师，主要从事高中物理教学工作。-26-文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-6 1 4 8(2 0 2 3)8-0 0 2 6-5何以深度学习为导向开展单元整体教学呢？笔者认为，要以尊重学生的学习特点和认知规律为前提，按照知识关联性寻找单元教学的逻辑，建构单元知识框架，设计引领性的学习主题，通过项目化学习，即设计具有符合学生认知顺序，能加强学生学习的实践和体验过程的系列任务或活动，从而完成单元教学的设计。本文以新版人教版高中物理必修三第十二章“电能能量守恒定律”为例,具体阐述从整体到局部，以教学目标规划主题，以主题引领任务，以情境构建任务的项目化教学实施路径。1以教学目标规划主题，实现单元知识结构化教师设计单元教学时，首先要从整体分析单元教材内容，关注学生认知规律，找出知识脉络，设计合理的单元素养目标,从而规划出引领整个单元的主题。1.1对比教材，明晰差异教师要了解教材内容，尤其是新旧教材的变化和衔接关系，在教学中可以更好地明确教学目标。以“电能能量守恒定律”单元为例，对比人教版新旧版本教材可以发现，新教材将“电路”“电能”作为两个独立的单元，而旧教材则是把二者合为一个“恒定电流”单元。新教材重新“整合”的安排凸显了物理学科能量观的重要性。（具体区别参照表1)Vol.41 No.81.2依据标准，把握目标分析教材后，教师需要依据物理课程标准和单元教学内容，宏观把握核心素养学习目标。课标中本单元学生需掌握的主要内容有三个关键概念：电功、电功率、电动势；三个定律：能量守恒对比单元划分将“恒定电流”拆分为“电路”和“电能”两个单元“电路”单元共5 节内容：1.电源和电流2.导体的电阻3.实验：导体电阻率的测量4.串联电路和并联电路5.实验：练习使用多用电表单元内容“电能”单元共4 节内容：1.电路中的能量转化2.闭合电路的欧姆定律3.实验：电池电动势和内阻的测量4.能源与可持续发展1.“电动势”不再单列为一节，而是融入在“闭合电路的欧姆定律”二节中，电动势的概念表述更加准确、精练，不再类比抽水机，强调电动势是表征电源将其他形式的能转化为电能本领大小的物理量，依托的量度参量为过程中非静电力做的功。2.其次，实验顺序发生调整。“练习使用多用电表”实验放在前面“电路”单元，练习使用欧姆挡时不需要掌握原内容变化理，待学完“闭合电路的欧姆定律”后以拓展学习的方式补充，这样安排使每个单元对应一个实验，凸显科学实验的重要性和目的性，同时可以因材施教，根据所教学生程度调整对实验原理掌握的要求和难易程度。3.新教材增加了电动机工作时功率的讨论部分，增加了能量转化的方向性问题阐述，进一步完善了核心素养中的能量观。素养维度知道能量的不同形式之间可以相互转化，在转化过程中能量总量保持不变，而且能量转化是有方向的。知道在电源内部有非静电力做功导致的其他形式的能转化为电能，也有在内阻上将电能转化为物理观念热能。在电路外，由于用电器的不同，电能可以转化为内能或机械能等其他形式的能量。能用能量的观点解释生活中的现象。通过电路中的能量守恒定律演绎推理得出闭合电路的欧姆定律，经历“比较一概括一抽象”的思维过程，从功率、电动势的概念进一步体会物理学中比值法定义物理量的方法。具有证据意识，能利用证科学思维据对观点提出质疑和批判，进行检验修正，通过内外电路电势变化关系的证据检验闭合电路的欧姆定律的合理性。能通过观察实验现象和对实验现象的解释，理解焦耳定律和电动势的概念及物理意义。能利用闭合科学探究电路的欧姆定律选择合适的实验器材，设计实验电路，通过数据分析，正确测定电池的电动势和内阻。能认识到能量虽然守恒，但因为能量的耗散，可利用的能源是有限的，需要具有节约能源、促进可持科学态度与责任续发展的社会责任。鼓励学生辩证关注科技问题和科技发展，培养学生科技自信和爱国主义精神。物理教学探讨定律、焦耳定律和闭合电路的欧姆定律；一个实验：测量电源的电动势和内阻。结合物理核心素养和课程标准，将单元核心素养学习目标按核心素养四个维度设计如表2所示。表1 新旧教材内容的区别新教材只有“恒定电流”一个单元整个单元共1 1 节内容：1.电源和电流2.电动势3.欧姆定律4.串联电路和并联电路5.焦耳定律6.导体的电阻7.闭合电路的欧姆定律8.多用电表的原理9.实验：练习使用多用电表10.实验：测定电池的电动势和内阻11.简单的逻辑电路表2 单元核心素养学习目标具体素养学习目标2023年第8 期旧教材-27-2023年第8 期1.3理顺脉络，明确主题基于单元教学逻辑理顺单元知识脉络，通过综合分析单元的知识结构和核心素养目标，明确单元的主题。单元学习主题需要承担桥梁作用，连接课标和具体内容，比如贯穿“电能”单元的主题线索是电池,主要基于以下几点原因：(1)能量转化有很重要的一部分是在电池内部发生的，即通过非静电力做功将其他形式的能转化为电势能，这种本领与电池本身有关，从而提出电池电动势的概念。(2)闭合电路的欧姆定律包括外电路，也包括内电路(电池内部）。（3)本单元的实验探究也是测量电池的电动势和内阻。电池对学生而言，有一定的认识基础，但又不完全了解，将电池作为联系整个单元的线索，成为单元主题较为合理。单元主题设定可以生动有趣，例如“电池知多少”“熟悉而陌生的电池”等。2以学习主题引领任务，实现单元教学项目化主题确定后，根据单元主题，设计单元核心大任务。大任务是基于单元核心内容和关键问题而设定的。大任务能统领整个单元，以“电能能量守恒定律”单元为例，闭合电路的欧姆定律是本章的核心知识，是整个高中电学部分最重要的物理规律之一，延伸和完善了部分电路的欧姆定律，是分析实际电路和复杂电路的基础 3。闭合物理教学探讨电路中的功能关系和能量守恒定律是该定律的来源，测定电池的电动势、内阻是该定律的重要应用。综合以上分析，闭合电路的欧姆定律正是该单元的核心大任务。另外，定律的“来源”和定律的“应用”也各设定为一个任务。大任务是整体规划的结果，教学还需从整体放眼于局部，把大任务拆解成一系列具有关联性、启发性、合作性、趣味性、可操作性的小任务。小任务设置需要遵循学生学习顺序，能够满足知识的结构性，促进学生思维模式的习得、迁移创新能力的发展和学习内在动机的提升。图1 为“电能能量守恒定律”单元的任务图解。3以深度学习为导向，实现单元任务情境化深度学习的单元教学要求学生实现沉浸式学习，而任务或活动情境化有利于激发学生的学习兴趣，使学生已有的生活经验与物理概念、规律建立意义联系，培养和提高学生运用物理规律分析和解决实际问题的能力。任务情境设计可以是问题情境、实验情境或生活中的实际情境等。通过合理的情境设计活动，激发学生对于解决物理问题的兴趣和热情，促进学生进行深度思考，实现深度学习,培养学生的核心素养。表3为“电能能量守恒定律”的单元重要任务情境设计范例。Vol.41 No.8单元主题情境：电池知多少单元主题大任务：闭合电路的欧姆定律小任务1：电路中的能量小任务2：闭合电路的欧转化（物理观念，科学态姆定律(科学思维）度与责任）小任务3：定律应用（科学探究）子任务1:焦耳定律，电路中的能量转化-28子任务2：能量耗散，节约资源和可持续发展子任务1:电动势的概念图1 单元主题任务图解子任务2:电动势和内外电压的关系子任务3：路端电压与负载的关系探究子任务1:科学探究；测定电池的电动势和内阻子任务2:多用电表欧姆挡测电阻原理Vol.41 No.8小任务小任务1：定律子任务1：焦1.（问题情境）：在工厂或车间，倘若遇到电动机发生故障而停止转动的情况，工人师傅来源一一电路中耳定律，电路中会马上切断电源，停止电路工作，为什么？的能量转化的能量转化2.（演示定性实验情境）：将风扇与小灯泡串联，按住风扇再松开，观察小灯泡亮度的情况，分析原因。3.（有条件下的分组实验情境）：电动机M接人电路，电压表并联在其两端，电流表串联入电路。固定电动机M,让它不转时，测出电动机两端的电压U,和通过电动机的电流I1。然后放开手，让电动机转动，测出电动机两端的电压U2和通过电动机的电流1 2。提出问题：（1)哪个U除以是电动机的内阻？为什么？(2)两种情况下的热功率哪个大？分别是多少？(3)两种情况下的机械功率分别是多少？（层层递进，铺设思维台阶）小任务2：子任务1:电1.（类比情境）：在电源内部正电荷从定律得出：闭合动势的概念负极回到正极的情形可以类比将小电路的欧姆定球或重物由低处搬运到高处的情律形，如图2 所示。子任务2：电1.（演示实验情境）：相同的电源，同样的灯泡，让学生猜测如下两个电路的灯泡亮度源电动势和内（图3），然后观察实验现象。按照并联电压相同原理，亮度应该相同，但实验结果是并外电压的关系联的灯泡越多，灯泡亮度越暗，猜想与结果矛盾，引发学生认知冲突。（闭合电路的欧姆定律的发现与验证）物理教学探讨表3单元重要任务（活动）情境设计范例关键子任务（单元重难点）2023年第8 期情境设计（深度学习）正电荷持续移动一持续电流高电势到低电势静电力的作用低电势到高电势非静电力作用高电势到低电势低电势到高电势静电力做功非静电力做功电能凸其他能其他能电能图2 类比情境小球持续运动高地势到低地势重力的作用低地势到高地势非重力作用高地势到低地势低地势到高地势重力做功非重力做功重力势能一动能其他能重力势能图3实验电路2.（定量演示实验情境+问题情境）：根据稳定电路的特征，猜想内外电压、电源电动势之间的关系（图4)。提出问题，学生回答。PAPaR+AiPB.6-BB图4 内外电压、电源电动势的关系实验情境(1)电源外电压如何测量？（2）电源电动势如何测量？(3）电源内电压如何测量？(4)断开开关S，电压表V,的示数是多少，与电源电动势E有什么关系？(5)闭合开关S,调节电阻箱阻值，记下电压表V,和V2的示数，与电动势E又有什么关系？(6)保持电阻箱阻值不变,增加一条充当盐桥的棉线，改变其横截面积,从而改变电源内电阻，记下电压表Vi和电压表Vz的示数，寻找规律。-29一2023年第8 期续表3小任务3：定律子任务1：应用实验：测定电电池驱动发光二极管的实验，同时简略展示化学原电池工作示意图（图5）。提出本节池的电动势和课的实验目的，引发学生的思考。内阻水果池正极负极（石圣片）物理教学探讨1.（演示定性实验情境）：以一则用水果给手机充电的新闻吸引学生的兴趣。演示水果Vol.41 No.8（钱片）电解质（采酸）图5 水果电池实验电路小组思考讨论问题：(1)测量的原理是什么？(2）需要用的实验器材有哪些？（3)小组设计电路图并展示（图6），教师引导优化测量方案。RAETS2.（挑战性的高阶思维问题情境）（1)伏安法测水果电池的电动势和内阻有什么困难？如何解决？水果电池内阻大，滑动变阻器阻值一般偏小，引导学生思考，用电阻箱代替，电压表用数字电表的毫伏挡代替。(2)引导学生运用函数图像的方法解决问题。I-R,U-R是非线性的关系,涉及公式变形和数形结合的思想。如果选择伏阻法、安阻法测量，作图应该如何选择横、纵坐标才可以得到线性图像，从而利用斜率和截距计算电池的电动势和内阻。RET图6 小组设计电路图SSEr教师通过任务情境表格的设计与制订，能够明晰整个单元教学活动的重难点。通过不断筛选与完善情境的创设，使学生高度参与课堂活动，在围绕主题的不同情境中解决具体问题，实现深度学习，进而实现学生核心素养的培养与渗透。4结束语综上所述，深度学习为导向的单元学习活动实施路径可以总结为：以目标规划主题，以主题引领任务，以情境建构任务，这是一种创新式项目化学习策略，有利于提升学生构建物理概念和规律以及解决实际问题的能力，有利于落实对学生学科核心素养的全面培养。单元教学实施过程中，需要关注学生的认知规律和学习顺序，坚持-30-以学为中心，充分调动学生的学习兴趣和探究物理问题的热情，把提高学生的核心素养设为终极目标，从而实现教与学方式的深度变革。参考文献：1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)S.北京：人民教育出版社，2 0 1 8.2任虎虎.指向深度学习的高中物理大概念教学策略以“牛顿第一定律 教学为例 J.物理通报,2 0 2 0(1 0)：1 9-22.3人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.普通高中教科书物理必修第三册教师教学用书 M.北京：人民教育出版社,2 0 1 9.屏刘荣）(栏目编辑