王美芹 柴麗蘋

(1. 北京市密云區(qū)教師研修學院,北京 101500; 2. 首都師范大學附屬密云中學,北京 101500)

2017年版普通高中各學科課程標準“凝練學科核心素養(yǎng)”“重視以學科大概念為核心,使學科內(nèi)容結(jié)構(gòu)化”．華東師范大學終身教授、博士生導師鐘啟泉教授認為單元設計在課程開發(fā)與教學實踐中起著舉足輕重的作用:“核心素養(yǎng)—課程標準—單元設計—課時計劃”是學校課程發(fā)展與教學實施環(huán)環(huán)相扣的4個鏈環(huán)．單元設計更被認為是撬動課堂轉(zhuǎn)型的一個支點．單元教學目標是單元教學設計的靈魂,是單元教學活動實施的方向和預期達成結(jié)果的綱要,是安排單元教學活動的出發(fā)點和歸宿點．因此如何緊緊圍繞學科核心素養(yǎng)進行單元教學目標設計,是一線物理教師必須面對和亟待解決的課題.

本文以人教版高中物理教材選修3-1第3章 “磁場”單元為例,探討高中物理單元教學目標設計的實施路徑與策略.

1 目前高中物理單元教學目標設計存在的主要問題

單元教學目標的設計存在以下一些值得思考和重視的現(xiàn)象:例如在教學設計中將教學過程及相應的活動作為教學設計的重點而忽略教學目標的設計;將課標中的相關要求照抄下來作為單元教學目標;顯性知識目標比較清晰,忽略隱性知識目標;在單元教學設計中,直接將每節(jié)課的教學目標匯總作為單元的教學目標;考試和評價與單元教學目標不相關等.

2 單元教學目標設計路徑

單元教學目標的確定主要有3個依據(jù):教材、課標和學生．教師應通過研讀課程標準和教學指導意見,分析教材以及學生情況,做出學生學習路徑的進階分析,依此確定單元教學目標.

2.1 依據(jù)內(nèi)容分析從大概念的視角聚焦整合單元教學目標

所謂大概念(big ideas)也被譯為大觀念、核心觀念、核心概念等,依據(jù)所適用的范圍不同,大概念有跨學科大概念和學科大概念之分．所謂學科大概念,是指能反映學科本質(zhì),居于學科中心地位,具有較為廣泛的適用性和解釋力的原理、思想和方法．從大概念的視角確定單元教學目標,可以幫助學生從整體上把握物理概念和規(guī)律,有利于學生建構(gòu)物理學知識體系和認知方法體系,使整個學科的知識與方法形成一個整體,在知識學習中領悟科學本質(zhì)、發(fā)展科學思維與科學探究能力．因此,在一段時間跨度內(nèi)圍繞核心概念組織建構(gòu)概念體系,規(guī)劃教學內(nèi)容,確定教學單元目標,既有利于學生圍繞核心概念建構(gòu)概念體系,更有利于在學習中體會物理知識的內(nèi)在一致與和諧,同時能夠強化物理學與實踐、物理學與生活之間的聯(lián)系,是學生提高物理觀念水平、提升物理學科核心素養(yǎng)的重要組成部分.

學習內(nèi)容分析是單元教學設計的重要準備工作．單元教學目標確定之前教師要根據(jù)課標要求,對教材的單元設計意圖進行深入研究,判斷教材安排的合理性,對本單元知識從背景、教育價值、功能以及具體概念之間的邏輯關系等方面進行分析.

解讀課標及教材,筆者的具體嘗試是:整合教學內(nèi)容,梳理出以大概念為核心的單元框架圖,然后對框架圖解讀.對于學習內(nèi)容的解讀可以從顯性知識和隱性知識層面進行:顯性知識包含知識體系的建構(gòu)過程,本單元知識與原有知識的聯(lián)系和對知識體系發(fā)展的作用等;隱性知識包括對于世界的認知方式、跨學科概念的整合與發(fā)展,對于學生思維能力的發(fā)展、思維方式以及價值觀念等產(chǎn)生作用的內(nèi)容.

2.2 依據(jù)學情分析確定單元教學目標

根據(jù)課標確定教學內(nèi)容之后,需要根據(jù)學生發(fā)展需要確定單元教學目標．在教材、課標與學生之間,要以學生需求為綱．學情分析是對學生的學習情況進行分析,主要包括: (1) 學生所學概念相關的前概念和生活經(jīng)驗．特別是學生頭腦中是否存在頑固的錯誤前概念．(2) 學生已有的知識基礎．包括形成科學概念所依據(jù)的物理現(xiàn)象與事實，相關的物理概念與規(guī)律,物理概念的建立方法,所應用的數(shù)學知識等內(nèi)容．(3) 學生經(jīng)歷的探究過程和學過的方法是否對新概念有幫助,學生是否具備概念的理解和應用所要求的認知能力,學生對概念的學習是否感興趣,概念容易與學生哪些生產(chǎn)、生活實際和已有的知識內(nèi)容相聯(lián)系.(4) 學習進階的關鍵點及其影響因素以及學習進階終點分析.

2.3 依據(jù)學習進階確定單元教學目標

學習進階是學生在各學段學習同一主題概念時所遵循的連貫的、典型的學習路徑的描述,一般呈現(xiàn)為圍繞核心概念展開的一系列由簡單到復雜、相互關聯(lián)的概念序列．圍繞大概念規(guī)劃單元教學內(nèi)容,就是把大概念統(tǒng)領下的大量具體概念、規(guī)律、原理等具體教學內(nèi)容按照一定的邏輯線索組織成由淺入深、由簡單到復雜的帶有層級的結(jié)構(gòu)化教學素材．[1]這樣組織起來的單元教學內(nèi)容從知識角度看是具有內(nèi)在邏輯關系的結(jié)構(gòu)化知識體系,從認知角度看更具有一定的認知層級,它們在認知水平上具有由淺入深、由簡單到復雜的特點．學習進階伴隨知識刻畫了思維過程由淺入深、由簡單到復雜的思維發(fā)展層級,為圍繞大概念結(jié)構(gòu)化知識體系,進行單元整體教學活動設計提供了強有力的支撐．因此建構(gòu)圍繞大概念建構(gòu)知識體系,基于學習進階理論規(guī)劃單元學習層級,設計每個層級包含的具體教學內(nèi)容,是設計單元目標的重要步驟．以學習進階為工具,根據(jù)科學的邏輯和認知發(fā)展線索,進行一個單元或主題的教學目標設計,[2]引用以下重要意義．第一有利于從宏觀層面規(guī)劃單元或主題內(nèi)容,形成核心概念統(tǒng)領的科學概念體系． 第二有利于整合教學內(nèi)容,厘清單元教學主線．第三有利于組織影響概念學習的相關因素,安排教學活動、制定教學策略．既有利于學生圍繞核心概念建構(gòu)概念體系,更有利于在學習中體會物理知識的內(nèi)在一致與和諧,有助于發(fā)展學科思維與科學探究能力等核心素養(yǎng)目標.

3 單元教學目標設計策略

3.1 單元知識目標設計需要挖掘上位概念,統(tǒng)領單元各環(huán)節(jié)

教師進行單元目標設計關鍵是要從大概念的視角尋找學生日常概念與科學概念之間的差距,是在學生原有認知的基礎上建構(gòu)新概念,是對基本概念的不斷追問,以及在追問中觸及的方法和態(tài)度．單元知識目標設計就是要確定學生學習的知識結(jié)構(gòu)而不是一個一個的知識點．而建立知識結(jié)構(gòu)的過程就是對更基本的概念不斷追問的過程．隨著知識理解的深入和知識水平的提高,逐漸感悟知識形成的思維方法、生活體驗和態(tài)度,才能真正培養(yǎng)學生的能力和態(tài)度,提升學生的素養(yǎng),才能真正體現(xiàn)知識學習的根本價值.

3.2 單元方法目標設計要體現(xiàn)對基本概念的方法論思考

單元目標的設計關鍵是要尋找學生已有思維方法與基本概念背后的科學思維方法的差別,以及將學生思維方法的發(fā)展過程顯性化．單元方法不應該是具體的方法,而應該是學科中重要的思維方法,例如物理學科中比值定義物理量的方法,理想化的思想方法、以及微元法等.這些方法蘊涵在學科基本概念的形成之中．方法的培養(yǎng)如同知識一樣,也是從學生已有的思維方法出發(fā)逐漸發(fā)展形成科學的思維方法,并且當學生的思維方法跟進的時候,新知識才會得到更好的理解．在教學設計和教學過程中,教師們往往關注學生知識的獲得,實際上,教學最重要的價值是將隱性的內(nèi)容顯性化．思維方法是比較隱性的內(nèi)容,通過直觀的方法將其顯性化,便于學生形成內(nèi)省能力,這對于學生發(fā)展是極其重要的.

3.3 單元態(tài)度目標設計要體現(xiàn)對基本概念和方法論背后態(tài)度的思考

單元目標的設計關鍵是尋找學生已有態(tài)度與基本概念和方法背后的科學態(tài)度的差別,以及將學生態(tài)度的發(fā)展過程顯性化．日常教學中教師們往往覺得科學態(tài)度是抽象的,當態(tài)度與概念和思維方法相聯(lián)系時,態(tài)度才是具體的,也才能被學生真正地理解．例如,學生在初學受力分析時往往忽略運動狀態(tài)分析,習慣用平衡觀點去分析受力.這大大影響了他的解題能力．當用聯(lián)系的觀點分析力和運動,解題能力有所提高時,對“聯(lián)系”的思想和態(tài)度才有深入理解．經(jīng)常和學生一起分析自己的情感態(tài)度價值觀,對于學生真正成為學習的主人,是非常必要的.

4 單元教學目標設計案例

單元教學目標的設計應包括:學習內(nèi)容分析、學情分析、單元重難點及分析、單元教學目標.下面以人教版高中物理選修3-1“磁場”單元為例進行說明.

4.1 學習內(nèi)容分析

4.1.1 對課標[3]要求的理解

課標要求通過對磁場相關知識的學習,讓學生了解磁場的物質(zhì)性,培養(yǎng)學生的物質(zhì)觀念．通過建構(gòu)電流的微觀模型,分析安培力與洛倫茲力的關系．分析帶電粒子在勻強磁場中運動規(guī)律,分析安培力做功與能量轉(zhuǎn)化的關系,培養(yǎng)學生運動與相互作用觀念和能量觀念．通過建立磁感線模型,體會物理模型在研究實際問題中的重要作用,通過磁感應強度概念的建立,進一步理解比值定義物理量的方法.

課標要求通過實驗認識磁場;通過實驗探究安培力和洛倫茲力的大小和方向的規(guī)律;通過實驗研究帶電粒子在勻強磁場中的圓周運動,體現(xiàn)重視探究過程,重視引導學生對實驗現(xiàn)象進行分析與歸納,概括實驗結(jié)果的本質(zhì)特征,提升學生對實驗結(jié)果進行定性和定量分析的能力.

課標要求通過觀察磁電式電表的內(nèi)部結(jié)構(gòu),了解磁電式電表的工作原理．通過觀察陰極射線在磁場中的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象,了解帶電粒子在磁場中偏轉(zhuǎn)的原因．觀察洛倫茲力演示儀的結(jié)構(gòu),定性討論電子束偏轉(zhuǎn)的原理．了解質(zhì)譜儀和回旋加速器的工作原理．體現(xiàn)重視物理實驗的研究方法、重視知識與生產(chǎn)生活的緊密聯(lián)系,讓學生了解科學知識在人類發(fā)展史上的重要地位和作用,提升科學態(tài)度與社會責任.

4.1.2 內(nèi)容分析

內(nèi)容分析的具體操作是在以課程標準為標為綱明確設計意圖的基礎上,以教材為基礎梳理出以大概念為核心知識結(jié)構(gòu)圖及認知思路圖,然后對本單元知識從顯性與隱性兩個層面進行解讀,接下來以“磁場”單元為具體實例說明對教學內(nèi)容的整合分析與解讀方式.

(1) 整合單元知識,梳理出以大概念為核心的單元框架圖并進行解讀,如圖1所示.

圖1 圍繞大概念建構(gòu)《磁場》單元知識結(jié)構(gòu)圖

本框架圖展示了以學科大概念“能量”和“相互作用”為核心的簡要電磁學體系,其中電場、磁場、電流、以及電磁感應是學科大概念統(tǒng)領下的與電荷相關的4個主題概念．電流是運動電荷的宏觀表現(xiàn);電磁場、電磁波是能量的不同存在形式的;電磁感應則是其他形式能與電能的轉(zhuǎn)換;電磁場通過電荷、磁極、電流之間的相互作用來認識與表征．單元主題概念與學科大概念、與單元其他概念之間的關系比較清晰地呈現(xiàn)出來．解讀本框架圖如下.

① 單元知識的產(chǎn)生和發(fā)展.本單元是在學習電場知識之后進一步學習磁場的相關知識．在學習電場、點電荷、電場線、電場強度、電場力等概念的基礎上,進一步學習磁場、電流元、磁感線、磁感應強度、磁通量、以及安培力和洛倫茲力等概念,后續(xù)將進一步學習電磁感應、電磁場和電磁波等知識.這些均圍繞相互作用與能量兩個核心主題展開.

② 對知識之間的聯(lián)系和知識體系分析.靜止的電荷產(chǎn)生電場,運動的電荷產(chǎn)生磁場．從奧斯特實驗開始的科學發(fā)展的歷史,揭示了電和磁有著密不可分的聯(lián)系,本框架梳理了中學物理電磁學:電場、電路、磁場、電磁感應、以及電磁波這些相關主題概念之間的邏輯關系以及它們之間蘊含的物理學認識方式．電場與磁場是對電荷“運動與靜止”兩個不同視角的認識的產(chǎn)物;磁場與電磁感應則蘊含變與不變的認識方式;電磁感應與電磁波則對應“實物”與“場”兩種認識對象的思考.

(2) 結(jié)構(gòu)化單元知識、梳理認知主線并挖掘隱性知識.

例如:梳理磁場單元知識結(jié)構(gòu)圖并結(jié)合學生認知發(fā)展梳理認知主線分別如圖2、圖3所示.

對上述結(jié)構(gòu)圖及認知思路圖的解讀:

① 本單元認知主線梳理:以類比電場的研究思路展開:磁現(xiàn)象(磁效應)、磁場性質(zhì)的描述、磁場力的性質(zhì)(對電流和運動電荷的作用)、安培力和洛倫茲力的應用．類比電場、點電荷、電場線、電場強度、電場力,建立磁場、電流元、磁感線、磁感應強度、洛倫茲力和安培力的概念,逐步形成對“場”物質(zhì)的認識方式,讓學生體會認識世界的“大思路”.

圖2 磁場單元知識結(jié)構(gòu)圖

圖3 磁場單元認知主線

② 本單元蘊含的物理思想方法.用類比的方法建立磁感線模型,利用“電流元”模型和比值定義法定義磁感應強度,對磁場從定性與定量兩個角度進行描述．從宏觀和微觀兩個視角解釋磁場產(chǎn)生、對安培力與洛倫茲力的關系進行推導,幫助學生建構(gòu)宏觀與微觀的本質(zhì)聯(lián)系,是對“場”物質(zhì)認識方式的一次飛躍,同時也進一步建構(gòu)電磁場知識體系和方法體系的聯(lián)系,為進一步學習和理解電磁感應以及電磁波的知識奠定了基礎.

(3) 跨學科概念及教育價值分析.

① 對“磁通量” 概念,可拓展至跨學科概念“通量”．“磁感線”定性描述某點磁場的強弱和方向,把“磁感線”對場的描述從點拓展到面,建立了“磁通量” 概念,進而發(fā)展至跨學科概念“通量”;在建立安培力與洛侖茲力關系時,重現(xiàn)了電流微觀解釋中“圓柱狀流體”模型,再次把“通量”概念從固體拓展到流體,視角從“面”延展至“體”,不僅幫助學生再次建構(gòu)流體微觀模型,建立“宏觀”與“微觀”的聯(lián)系,更能體會從“點”到“面”到“體”不同視角認識和描述事物屬性的大思路.

② 本單元通過實驗認識磁場.探究安培力、洛倫茲力的大小和方向,約定磁場的方向,有助于培養(yǎng)學生通過觀察實驗現(xiàn)象,分析本質(zhì)規(guī)律的思維習慣;幫助學生理解“場”物質(zhì)認識方式,發(fā)展“物質(zhì)觀念”“能量觀念”“運動與相互作用”觀念,提升學生實驗探究和分析、推理及論證能力.

③ 通過了解奧斯特實驗、STS的重要素材“指南針與鄭和下西洋”和安培力與洛倫茲力在現(xiàn)代科技中的應用等,了解人類認識世界過程中的艱辛與執(zhí)著,理解科學知識在人類發(fā)展史上的重要地位和作用,培養(yǎng)科學態(tài)度與社會責任并激發(fā)學生對科學本質(zhì)的探尋欲望.

4.2 學情分析

(1) 認知基礎(學習起點).

① 物理觀念層面:學生在初中已經(jīng)了解一些磁現(xiàn)象,對磁場有了初步的認識,能用磁感線粗略描述磁場．經(jīng)過電場知識的學習,學生對“場”的概念和“電場”是電荷間相互作用的媒介有了初步認識.

② 科學思維層面:經(jīng)歷質(zhì)點模型、點電荷模型、檢驗電荷模型等物理模型的建構(gòu)過程,學生已經(jīng)具備一定選用恰當?shù)哪Ｐ徒鉀Q問題的經(jīng)驗,能將簡單的實際問題轉(zhuǎn)化為物理模型、并用來分析常見的物理問題,獲得解釋和結(jié)論.

③ 科學探究層面:能通過物理現(xiàn)象提出要探究的物理問題,做出初步的猜想;能設計簡單的方案驗證自己的猜想,能通過分析數(shù)據(jù)形成正確結(jié)論,能通過交流,用語言和圖表陳述實驗過程,表達觀點和結(jié)論.

(2)學科前概念(有利概念和錯誤概念).

對于“磁相互作用”學生有比較豐富的生活經(jīng)驗,但與磁場的科學概念建立尚存在相當大的差距;由于電場與磁場存在相似性,也會造成一部分同學對磁場與電場相混淆,例如磁感線與電場線的性質(zhì)混淆,磁感應強度與電場強度的性質(zhì)、磁場力方向與電場力方向混淆;對于“通量”學生頭腦中有一定的生活經(jīng)驗,因此會有各種各樣的模糊認識,但“通量”大小與選取的面積無關的性質(zhì),正向與反向的磁感線條數(shù)之差等于磁通量等都是較難理解的,學生頭腦中缺乏這類模型,因此建構(gòu)“磁通量”比較困難.

(3)認知關鍵點(思維障礙).

① 對大部分學生來說,“場”是一個十分抽象的概念．場看不到,摸不著,因此學生感受不到場的存在,在理解“場是一種物質(zhì)”時,學生會存在一定困難.

② 在應用左手定則判斷安培力(洛倫茲力)的方向時,安培力的方向與磁場的方向、電流的方向3者不但不在一條直線上,而且不在一個平面內(nèi),由于學生缺乏三維空間想象的能力,會影響到對左手定則的理解和應用.

③ 磁感應強度的大小和方向:不理解電流元;不理解為什么定義磁感應強度的大小和方向,不都用磁極或電流元統(tǒng)一起來;磁感應強度為什么不叫磁場強度.

④ 學生對比值定義物理量未能上升到“是描述事物本質(zhì)屬性的物理量”的高度．對于比值定義物理量的重要意義,應在每次應用時循序漸進地逐步深化和理解.

4.3 單元學習重點和難點分析

(1) 磁感應強度概念.

(2) 安培力與洛倫茲力及其關系.

(3) 洛倫茲力在生活實際和科技發(fā)展中的應用.

重點分析:磁感應強度是電磁學的基本概念之一,是學生認識磁場,形成“場”的概念的基礎,且概念的定義過程蘊含重要的物理思想方法——比值定義法,所以是本單元的重點．安培力和洛倫茲力是場物質(zhì)與宏觀導體、微觀粒子的相互作用,是發(fā)展運動與相互作用觀念的重要知識載體．由安培力的表達式推導出洛倫茲力的表達式的過程,深化了柱狀流體通量模型,幫助學生建立起宏觀和微觀量之間的聯(lián)系,有助于學生從宏觀與微觀角度對磁場本質(zhì)進行理解,建構(gòu)微觀電流模型分析安培力與洛倫茲力的關系,分析安培力做功與能量轉(zhuǎn)化的關系,分析洛倫茲力在能量轉(zhuǎn)化過程中所起的作用,深入理解洛倫茲力不做功的含義．對培養(yǎng)學生邏輯思維能力和發(fā)展學生物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念有重要的意義,所以該內(nèi)容是本單元的重點．帶電粒子在勻強磁場中運動的實例,如質(zhì)譜儀和回旋加速器等,對培養(yǎng)學生綜合運用力學知識和電學知識的能力,培養(yǎng)學生科學推理和邏輯思維能力,以及了解物理學知識在現(xiàn)代科學技術(shù)領域的應用都有著重要的意義,所以是本單元的重點內(nèi)容.

難點分析:磁場對于學生來說很抽象,如何尋找描述磁場強弱和方向的物理量,磁感強度的定義的過程,是本單元教學的一個難點．建構(gòu)物理模型,分析宏、微觀之間的關聯(lián),對學生來說也是思維難點.

4.4 磁場單元教學目標

(1) 聯(lián)系生產(chǎn)生活實際認識磁場,再現(xiàn)并補充已有的事實經(jīng)驗,分析歸納磁現(xiàn)象的共同本質(zhì)是由運動電荷產(chǎn)生的．通過實驗探究、類比等研究方法,經(jīng)歷建構(gòu)磁場、磁感線、磁感應強度等概念過程,從定性與定量,宏觀與微觀兩個角度對磁場性質(zhì)進行描述,體會二者的區(qū)別與統(tǒng)一.

(2) 通過實驗探究歸納總結(jié)安培力和洛倫茲力大小和方向的規(guī)律,體驗探究過程并對實驗現(xiàn)象進行分析與歸納,師生合作概括實驗結(jié)果的本質(zhì)特征,體驗對實驗結(jié)果進行定性與定量分析過程,提升思維能力．觀察洛倫茲力演示儀與陰極射線在磁場中的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象,合作分析帶電粒子在磁場中的偏轉(zhuǎn)的原因并對其軌跡做出解釋．探究歸納帶電粒子在勻強磁場中做勻速圓周運動規(guī)律并建構(gòu)運動模型.

(3) 師生合作從力與運動的觀念和能量的觀念分析安培力與洛倫茲力做功與能量轉(zhuǎn)化．通過安培力和洛倫茲力的學習進一步認識場物質(zhì),體會“場”環(huán)境中的能量、運動與相互作用．結(jié)合原有知識對重力、電場力、磁場力進行分析和比較,掌握3種力的大小和方向的特點,能區(qū)分3種力在做功方面的異同．能從運動與相互作用和能量的角度處理帶電體在復合場中的運動問題．了解安培力和洛倫茲力在生產(chǎn)生活中的應用．體會科學技術(shù)對社會發(fā)展的意義.

總之,高中物理的單元教學目標設計作為高中物理課堂實施的行動綱要,是單元教學行為和學習成果的明確闡述．核心素養(yǎng)導向下的高中物理學教學單元目標設計必須體現(xiàn)物理學“物”的“基礎”和“理”的“靈魂”,融入學生的思維、態(tài)度以及情感,是在一個具體階段上達成的、有助于學生形成終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的關鍵能力和必備品格的階段目標.