UbD理论促进学生物理核心素养发展的教学探索--以“弹性碰撞和非弹性碰撞”为例.pdf

Ub D理论促进学生物理核心素养发展的教学探索 以“弹性碰撞和非弹性碰撞”为例张致远王长江(安徽师范大学物理与电子信息学院安徽 芜湖 )(收稿日期:)摘要:理解是物理学科核心素养的重要组成,是中学物理教学的重要目标 U b D理论以逆向设计为主要特征,注重对知识的深度理解本研究以Ub D理论为指导,以高中物理“弹性碰撞和非弹性碰撞”为例,开展逆向教学设计,为培养学生深度理解能力、促进物理学科核心素养的发展探索新途径关键词:Ub D;核心素养;碰撞;理解问题提出理解是学科核心素养的重要组成,是学科教学的重要目标近年来,“为理解而教”的教育理念逐渐被国内教育者接受,相关研究明显增多文献梳理了高中物理大概念,对大概念及其统摄下的知识逻辑与思维方法进行分析,力图帮助学生建立知识层级结构;文献 将逆向设计分别运用于物理和化学教学中,提升学生的学科能力等我们也注意到以往相关研究存在以下不足:()关注逆向设计的“形式”,忽略了注重理解的“本质”()缺乏将Ub D单元设计理论与我国本土学科核心素养相结合的案例基于此,本文将着重探究逆向设计的阶段与学科核心素养的关系,力图培养学生的深度理解能力Ub D理论的主要内容Ub D(u n d e r s t a n d i n gb yd e s i g n)是由美国课程改革专家格兰特维金斯(G r a n tW i g g i n s)和杰伊麦克泰格(J a yM c T i g h e)提出的新型教学模式这一模式强调通过“以终为始”的逆向设计达成学生“理解”的目的 重在理解(u n d e r s t a n d i n g)指向核心素养Ub D理论以理解“大概念”为核心目标其中“理解”是智力层面的建构,是人脑为了弄懂许多不同的知识片段而进行的抽象活动理解既包括了对大量事实进行整合、重组,使其具有新的意义;也包括了将已有的观念、知识和技能以合理的方式迁移应用于实际情境中理解在认知层面上可分为解释、阐明、应用、洞察、神入、自知个侧面大概念是学科的核心,是将所有子概念进行分析综合、抽象概括而获得的来之不易的结果,是所有基本概念的“领导”,是各领域专家思考和感知问题的方式理解大概念可以使知识系统化,形成知识网络框架,进而以“俯视”姿态看待一个个基本问题、基本概念,最终实现“理解”目标 逆向设计(d e s i g n)强调以终为始Ub D理论的逆向设计包括了预期结果、评估证据、学习计划个阶段若将逆向设计比作一棵树,那么个阶段的内涵和象征如下 预期结果预期结果强调从学习结果开始逆向思考 年第 期物理通报物理教学新思想 新视角安徽省 年度高等学校省级质量工程项目“物理教师教育课程促进师范生专业素养发展的探索与实践”,项目编号:j y x m 作者简介:张致远(),男,在读硕士研究生,研究方向为中学物理教学通讯作者:王长江(),男,博士,副教授,主要从事教师教育、物理教育研究为达到学习目标学生需要理解什么?学生需要做什么?并找到本单元的大概念;预期结果在既有目标的规范下明确知识聚合,按照抽象程度由低到高可划分个学习结果:习得知能、意义理解、学习迁移预期结果是逆向设计的基础和根本,象征树根部分 评估证据评估证据要求我们思考哪些证据能够表明学生已达到了学习目的,为“理解”的目标加了一层“保险”当我们既明确了学习结果,又有了判断达到预期结果所需要的完整评估证据后,便能以此为导向,设计出真正指向“理解”的教学活动评估证据根据预期结果的要求以及理解侧面的认知维度可分为表现性任务和其他证据其中表现性任务是指真实的、具有挑战性的实践任务;其他证据则包括了问答题、小测验、考试等评估证据在逆向设计中具有连接前后、统筹兼顾的作用,象征树茎部分 学习计划学习计划以“WHE R E TO”要素进行:W(w h e r e&w h a t)代表明确教学目标;H(h o o k&h o l d)代表吸引学生注意;E(e q u i p&e x p e r i e n c e&e x p l o r e)代表开展教学活动;R(r e t h i n k&r e v i s e)代表学生自我反思;E(e v a l u a t e)代表学生自我评价;T(t a i l o r)代表针对性教学;O(o r g a n i z e)代表组织教学活动学习计划是逆向设计的外显化和最终表现,象征果实部分,逆向设计树如图所示图Ub D逆向设计树图基于Ub D理论促进学生核心素养发展的教学设计思路 目标指向学科核心素养是Ub D“理解”目标的题中应有之义:我们需要将已有的知识和未知的问题情境相结合,用科学思维合理分析,用科学探究实践操作,最终解决问题,并理解科学本质和大概念而理解科学本质既有利于学生学习下属子概念,又可促进学生将知识应用迁移到现实情境中逆向设计的方针是“以终为始”,其出发点是以学生为主体、学生是学习的主人、从学生的角度看问题;这与学科核心素养中“促进学生的学习与发展”相一致因而基于Ub D理论的逆向教学设计是促进学生学科核心素养达成的有效途径,是实现“理解”和“立德树人”双重目标的重要方式 基本前提在逆向设计中实现“理解”目标,需要明确两个基本前提:第一,梳理本节基本概念、学科大概念和大概念间的进阶关系,使之具有联系的逻辑,从而准确提炼只有准确定位了大概念,才能保证个阶段是一个整体,一切指向大概念的理解;第二,在个阶段中挖掘学科核心素养核心素养的实现应该充分体现在预期结果、评估证据和学习计划的设计中如果逆向设计的个阶段都能够指向学科核心素养,将大大促进Ub D理论与我国本土核心素养教学的结合 设计框架基于Ub D理论,在逆向设计的个阶段中寻找有关学科核心素养要素根据课标的内容要求,将物理学科核心素养的要素有机融入,并表述为习得知能、预期理解、学习迁移个层面目标;在理解侧面中体现核心素养,并基于此来设计表现性任务和其他证据;在学习计划中既要以“WHE R E TO”要素展开,又要在设计意图中满足学科核心素养的要求,设计框架如图所示 年第 期物理通报物理教学新思想 新视角图U b D设计框架基于Ub D理论促进学生核心素养发展的教学示例“弹性碰撞和非弹性碰撞”选自人教版高中物理选择性必修一第一章第节本节既要求学生对碰撞进行分类和描述,又要求以弹性碰撞和非弹性碰撞为基础进行模型建构,解决其他物理问题 阶段一 明确预期结果逆向设计图的第一个阶段是明确预期学习结果(表)根据课程标准的要求,我们确定了预期结果个层次:()习得知能碰撞的定义、分类、运动状态和能量转化等观念需要学生将已有的物理情境、物理概念在头脑中提炼、升华而成因此指向相互作用观念、运动观念和能量观念()意义理解对碰撞的本质和学科大概念的挖掘需要学生将已有的概念、规律进行推理、论证,还要在生活中寻找灵感获得感性认识、在实验中操作验证获得严谨数据因此指向科学思维和科学探究()学习迁移对碰撞知识学以致用,将其迁移到生产生活、科研探究当中因此指向科学态度与责任表明确预期结果层次预期结果习得知能学生将知道弹性碰撞和非弹性碰撞的定义、类型以及分类依据各种类型的碰撞所对应的运动状态和能量转化特点学生将有能力:给定任意一组碰撞能够快速求解碰撞后速度大小与能量变化掌握物理模型建构基本方法、步骤,并用来分析、解决复杂的物理问题意义理解学生将真正理解:碰撞的本质是由物体间相互作用而引起的极短时间内运动状态的巨大改变碰撞伴随着能量的转化,相互作用是其根本原因学习迁移学生能够做到利用日常生活材料演示弹性碰撞和非弹性碰撞现象利用动量、能量的观点解决生产生活中与一维碰撞相关的实际问题利用碰撞知识分析、解决基本的科研问题 年第 期物理通报物理教学新思想 新视角 阶段二 评估证据 预期结果与学生表现如果学生要达成预期结果,需要在“解释”“阐明”等理解侧面中表现出来:()解释将已有的物理观念与未知的物理问题情境相结合,使概念具有新的意义本节中学生需要将已有的运动观念和相互作用观念应用于碰撞的问题情境中,经过科学推理、论证、交流,最终得到系统性、结构性的概念()阐明通过模型建构和一定的物理方法,对碰撞模型重新解构,最终以图像和数据的形式定量探究()应用培养学生应用迁移的能力本节以“比较个小球质量”的表现性任务作为课前引入,学生通过合作探究获得感性认识和直接经验,因此指向科学探究;并将碰撞知识学以致用于生产生活和科研探究中()洞察培养学生的批判性思维和从多角度看问题的能力本节从多方法、多角度分析碰撞过程;并将多本教材中的同一内容进行对比分析,给出建设性意见和改进方案()神入培养学生换位思考的移情能力本节学生将换位思考以往在学习碰撞时容易出现的问题,对教学难点“为什么难、难在哪里”产生共鸣,最后还要给出解决难点的学习方法()自知培养学生元认知能力本节末尾,学生将对碰撞知识的掌握情况和模型建构能力进行自评与反思,明确未解决的问题,并给出学习计划 表现任务和其他证据根据理解侧面,确定本节的表现性任务和其他证据如下:()表现性任务)探究中子的发现过程:扮演核物理学家,根据氢原子核碰撞的实例,探究中子的发现过程)生活碰撞实例演讲:扮演科学教师,对教材给出的陨石撞击地球、网球反弹两个碰撞实例向大家科普介绍,分析其运动状态和能量的变化)生活实际情境验证:扮演运动员,演示保龄球、乒乓球、冰壶间的相互碰撞,验证弹性碰撞中因质量不同而出现的各种结果)解决近似质量的比较问题:扮演质量检测员,对若干个体积、质量都相近的小球进行实验验证,比较孰轻孰重,并以说明书的形式呈现过程结果()其他证据)问答题:谈一谈本单元的收获?生活中还有哪些问题可通过碰撞知识来解决?)测试:对任意碰撞情境能够快速进行模型建构,列举碰撞后所有可能情况,并定量探究运动状态和能量转化)家庭作业:将引入部分的个小球带回家,结合本节知识再次判断孰轻孰重,并用电子天平验证结果()学生自我评估与反思)自我评估:对物理模型的建构能力进行自我检测)反思:回顾、反思本节采用的物理方法及推导过程 阶段三 学习计划 设疑激趣,引入新课基本问题:什么是碰撞?碰撞间的作用力有什么特点?教学活动:完成表现性任务,教师在本节初始给出上述个小球,比较三者质量大小学生分组探究,方式自拟(A组从同一高度自由下落,比较反弹高度;B组两两相互碰撞,观察碰撞后的运动状态)设计意图:解释层面,将已有的相互作用观念、运动观念与未知情境相结合,使学生对碰撞有了初步感性认识,易于开展之后课程;阐明层面,针对具体问题组内合作、组间讨论,对比分析两种设计思路,评价活动方案的可行性;应用层面,将表现性任务应用于本节开端和结尾,使学生从做中学、学做合一 年第 期物理通报物理教学新思想 新视角对应要素:H 通过诊断性评价初步判断学生思维情况,保持学习兴趣;E 在真实情境中主动探索并发现问题;E 对两小组所给的观念做初步评定 模型建构,探究碰撞本质基本问题:碰撞的分类依据是什么?弹性碰撞和非弹性碰撞 的运动状 态和能 量 转 化 各 有 哪 些特点?教学活动:两小球间加一根弹簧,延长作用时间,用于运动状态分析并以产生的弹性势能等效替代真实碰撞后损失的动能利用牛顿运动定律分析运动状态,并根据弹簧伸长和恢复原长的对称性做全程v t图像,对图中几个时间段分析,讨论对应的碰撞类型利用动量守恒定律得到二级结论:碰撞前后速度变化量的大小之比等于其质量反比,即vvmm再根据v t图像的对称性,可定量计算弹性碰撞和完全非弹性碰撞的碰后速度大小并完成测试评估证据设计意图:阐明层面,通过模型建构以及图像法、等效替代法使碰撞可视化、连续化将“动碰静”的特殊实例推广至任意碰撞情境的速度、能量求解,具有普遍性;洞察层面,一改传统对碰撞类型的死记硬背和只用数学方法求解碰后速度大小、能量转化的弊端,而是先用物理方法定性探究碰撞过程和本质,再利用数学方法定量探究,具有科学性与创新性对应要素:E 利用已有知识技能去探究基本问题,为学生提供必要的科学方法,实现对基本概念和科学本质的深入理解;E 对模型建构能力和物理方法的掌握情况进行自我评估,以便学生完成表现性任务和;R 学生反思对基本概念认识的不足,修改前面初步建立的学科大概念 拓展概念,科学推理基本问题:弹性碰撞和非弹性碰撞可以迁移到哪些未知的物理模型?这些物理模型和碰撞之间有什么联系?教学活动:自主模型建构,将碰撞模型类比于其他物理模型,并将碰撞产生的内能继续以各种形式的能量等效替代(弹性碰撞 斜面模型;完全非弹性碰撞 斜槽模型、板块模型、子弹打木块模型),最后自我评估本次模型建构的掌握情况设计意图:解释层面,将已有碰撞知识和未知物理模型相联系,培养学生科学解释能力;阐明层面,对碰撞模型进行科学推理、分析,建构出各种物理模型,并将内能等效代替为不同种类的能量;自知层面,学生需要对已学习的碰撞知识进行自我评价与反思,明确问题并设计改进方案,才能更加高效地探究拓展部分对应要素:E 对基本概念进行拓展探究、模型建构,深入钻研大概念的内涵;R 反思总结基本概念的探究过程,并再次修改对大概念的理解总结Ub D理论强调通过逆向设计促进学生的深度理解本文初步探索了在逆向设计的个阶段中如何达到物理学科核心素养的要求;并以“碰撞”为例,探索以Ub D理论为指导开展物理核心素养教学的新途径我们认为,以Ub D理论为指导开展核心素养教学,将是一项长期的、值得持续深入探索的课题参 考 文 献戴小民大概念统摄下的高中物理单元教学设计与实践 以“牛 顿 运 动 定 律”教 学 为 例 J物 理 教 学,():储怡婷高中物理逆向教学设计模板的建构及其应用J物理教学探讨,():倪胜军逆向、整体、可操作:U b D理论视角下化学单元教学涉及 以九年级“化学方程式”为例J化学教育,():格莱特维金斯,杰伊麦克泰格追求理解的教学设计M闫寒冰,译上海:华东师范大学出版社,王长江逆向设计:落实高中物理学科核心素养的可行途径J物理教师,():中华人民共和国教育部普通高中物理课程标准(年版 年修订)S北京:人民教育出版社,年第 期物理通报物理教学新思想 新视角