文∣談馬平

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》頒布以來(lái)，物理教學(xué)的邏輯起點(diǎn)變?yōu)槲锢韺W(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)。核心素養(yǎng)的落地成為每一個(gè)物理教師亟須思考、實(shí)踐的問(wèn)題。華東師范大學(xué)崔允漷教授認(rèn)為，學(xué)科核心素養(yǎng)呼喚單元教學(xué)，單元教學(xué)是實(shí)現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)的必由之路。[1]逆向教學(xué)設(shè)計(jì)是一種典型的單元教學(xué)設(shè)計(jì)思路，是實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、評(píng)一致的必要路徑。因此，在物理課堂中實(shí)施以逆向教學(xué)設(shè)計(jì)為架構(gòu)的單元教學(xué)，不打折扣地實(shí)施，是物理學(xué)科核心素養(yǎng)真正落地的重要途徑。

一、單元教學(xué)

單元教學(xué)作為一種教學(xué)法，具有長(zhǎng)程意識(shí)，體現(xiàn)學(xué)習(xí)的進(jìn)階性。例如在培養(yǎng)學(xué)生用物理觀念認(rèn)識(shí)、解釋自然界的過(guò)程中，觀念的形成不能一蹴而就，是在體驗(yàn)生活、設(shè)計(jì)完成物理實(shí)驗(yàn)、感悟科學(xué)思維過(guò)程中一點(diǎn)點(diǎn)形成的。這個(gè)形成過(guò)程可能是一年，可能是三年，也可能是十幾年。單元教學(xué)目標(biāo)要以深入分析學(xué)生學(xué)情為基礎(chǔ)，以物理課程標(biāo)準(zhǔn)、物理學(xué)科核心素養(yǎng)為邏輯起點(diǎn)，以促進(jìn)學(xué)生思維發(fā)展為宗旨。教學(xué)目標(biāo)要細(xì)化課程標(biāo)準(zhǔn)，充分挖掘物理學(xué)科的育人價(jià)值，培養(yǎng)物理學(xué)科方法、科學(xué)思維方法、物理思想、科學(xué)態(tài)度與精神，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)，培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力。單元設(shè)計(jì)要考查學(xué)生在真實(shí)情境中分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。學(xué)生是否習(xí)得知識(shí)、掌握方法、提高能力、獲得素養(yǎng)，關(guān)鍵要看在面對(duì)復(fù)雜的、不確定的真實(shí)情境時(shí)是否能夠調(diào)動(dòng)自己腦海中的觀念、思維、技能、知識(shí)來(lái)解決問(wèn)題。單元教學(xué)要實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、評(píng)一致，只有教、學(xué)、評(píng)一致，才能考查出教師教的有效性、學(xué)生學(xué)的有效性，才能真正培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)，發(fā)展學(xué)生的高階思維能力。

單元教學(xué)主題是知識(shí)結(jié)構(gòu)、學(xué)科思想方法的聚合器，是培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力的載體。單元主題的確定影響著學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、素養(yǎng)目標(biāo)。確定單元主題的方法有很多種，可以以大概念作為主題，也可以直接采用教科書(shū)單元主題，或是多版本教材整合后形成核心目標(biāo)作為主題。單元教學(xué)中的上位概念學(xué)習(xí)要體現(xiàn)引領(lǐng)性、示范性，同位概念抽象概括時(shí)要體現(xiàn)思維一致性;下位概念的學(xué)習(xí)要提供先行組織者，與大概念之間體現(xiàn)聯(lián)結(jié)性、包涵性。課程標(biāo)準(zhǔn)注重教學(xué)的情境創(chuàng)設(shè)，單元教學(xué)應(yīng)該選取一個(gè)典型的、可拓展的情境作為單元核心情境，這個(gè)情境可以在不同章節(jié)內(nèi)容講授中使用，體現(xiàn)思維進(jìn)階的一致性，也可以作為單元學(xué)習(xí)總結(jié)、學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)的素材。

二、物理教材“機(jī)械能守恒定律”分析

“機(jī)械能守恒定律”是高中物理必修力學(xué)部分的最后一章，是在牛頓第三定律基礎(chǔ)之上，用“能量”這一全新的視角更加深入地研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)與相互作用的關(guān)系，是力學(xué)三大主線之一，是形成學(xué)生系統(tǒng)觀念中關(guān)鍵的一環(huán)。人教版2019年版物理教材這一章的編寫(xiě)傳承并整合了2004年版物理教材的知識(shí)內(nèi)容，沿襲了“重力勢(shì)能”“動(dòng)能與動(dòng)能定理”“機(jī)械能守恒定律”“實(shí)驗(yàn)：驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”三節(jié)，將功與功率整合成一節(jié)，并刪除了“追尋守恒量”“探究彈性勢(shì)能的表達(dá)式”“實(shí)驗(yàn)：探究功與速度變化的關(guān)系”“能量守恒定律與能源”四節(jié)。這樣處理簡(jiǎn)潔明了、緊湊合理，學(xué)生易形成知識(shí)結(jié)構(gòu)，但是在知識(shí)深度理解上不足，后續(xù)的功能關(guān)系學(xué)習(xí)會(huì)存在一定的障礙。

人教版2019年版物理教材沿用了2004年版的一貫思想，即通過(guò)做功來(lái)研究能量變化，能量觀念的形成不是一蹴而就的，是需要逐步滲透、大量積累的。2019年版教材幫助學(xué)生形成能量觀的思路是,圍繞功能關(guān)系這一基本線索(如圖1)，逐步建立“可以通過(guò)做功的多少，定量地研究能量及其相互轉(zhuǎn)化”的觀念，進(jìn)而理解機(jī)械能守恒定律。如果將這一章內(nèi)容作為單元教學(xué)，教師可以從整體上把握、設(shè)計(jì)，形成初步的能量觀、守恒觀，培養(yǎng)分析與綜合、抽象與概括、演繹推理、極限方法等科學(xué)思維，在生活、生產(chǎn)的具體應(yīng)用過(guò)程中形成科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

圖1 教材中“功能關(guān)系”線索

三、“機(jī)械能守恒定律”單元逆向教學(xué)設(shè)計(jì)

《追求理解的教學(xué)設(shè)計(jì)》一書(shū)中提出了 “逆向教學(xué)設(shè)計(jì)”的理念。“逆向教學(xué)設(shè)計(jì)”強(qiáng)調(diào)“以終為始”，進(jìn)行結(jié)果導(dǎo)向的教學(xué)模式。它分為“確定預(yù)期結(jié)果”“確定合適的評(píng)估證據(jù)”“設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)體驗(yàn)和教學(xué)”三個(gè)階段，旨在從目標(biāo)出發(fā)，評(píng)價(jià)先行，活動(dòng)實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)教學(xué)、評(píng)價(jià)、活動(dòng)一致化，強(qiáng)調(diào)學(xué)生對(duì)知識(shí)的深度理解。一節(jié)有效教學(xué)的課堂必須是經(jīng)過(guò)深入設(shè)計(jì)的課堂，其有效性取決于教學(xué)設(shè)計(jì)是否合乎知識(shí)內(nèi)在邏輯、教學(xué)邏輯、學(xué)生認(rèn)知邏輯。激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣和動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)物理學(xué)科育人價(jià)值，是物理課堂永恒的追求。表1是基于UbD逆向設(shè)計(jì)模板對(duì)人教版“機(jī)械能守恒定律”一章進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計(jì)。

表1 基于UbD逆向設(shè)計(jì)模板的“機(jī)械能守恒定律”單元教學(xué)設(shè)計(jì)

(續(xù)表)

四、“機(jī)械能守恒定律”單元學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

學(xué)生學(xué)的效果，需要有一定的評(píng)價(jià)來(lái)體現(xiàn)，評(píng)價(jià)任務(wù)的設(shè)計(jì)是檢驗(yàn)教師的教、學(xué)生的學(xué)有效性的載體。課標(biāo)倡導(dǎo)在情境中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在問(wèn)題解決中發(fā)現(xiàn)新情境，促進(jìn)知識(shí)、能力雙重遷移。所以，筆者設(shè)計(jì)了基于“目標(biāo)+關(guān)鍵問(wèn)題+情境+評(píng)價(jià)”的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)(見(jiàn)表2)，將評(píng)價(jià)任務(wù)嵌入教學(xué)過(guò)程，促進(jìn)教、學(xué)、評(píng)一致化。

表2 基于“目標(biāo)+關(guān)鍵問(wèn)題+情境+評(píng)價(jià)”的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)

五、具體章節(jié)逆向教學(xué)實(shí)施——以“重力勢(shì)能”為例

(一)情境創(chuàng)設(shè)，引發(fā)探究，定性得出重力勢(shì)能的特征

學(xué)習(xí)的目標(biāo)是促進(jìn)學(xué)生高階思維能力的發(fā)展，這種發(fā)展是從量變到質(zhì)變、從直觀到抽象的過(guò)程；所以，教學(xué)的起點(diǎn)應(yīng)該是創(chuàng)設(shè)合乎學(xué)生認(rèn)知水平的、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣的情境。情境是引發(fā)探究的“導(dǎo)火索”，引發(fā)教師的教和學(xué)生的學(xué)。

情境：觀看雪崩視頻，思考能量從哪里來(lái)？

體驗(yàn)活動(dòng)1：用“動(dòng)能勢(shì)能演示儀”,如圖2所示,可以定性、直觀地反應(yīng)出重力勢(shì)能大小的影響因素。實(shí)驗(yàn)時(shí)，高度不變，改變質(zhì)量(鋼球與玻璃球)，觀察小球下落后將圓筒打入玻璃管的深度；讓學(xué)生操作、觀察、分析、論證實(shí)驗(yàn)，教師引導(dǎo)補(bǔ)充。

圖2 動(dòng)能勢(shì)能演示器

體驗(yàn)活動(dòng)2：將同一鋼球從不同高度釋放，觀察圓筒打入玻璃管的深度。

以生活中常見(jiàn)的、能引起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的情境出發(fā)，回憶已有知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，逐步論證，回到主題；再借助物理直觀實(shí)驗(yàn)，抽絲剝繭，總結(jié)出結(jié)論。該過(guò)程符合物理學(xué)科邏輯、學(xué)生認(rèn)知邏輯，有助于促進(jìn)其學(xué)習(xí)的同化、順應(yīng)過(guò)程。

(二)師生互動(dòng)，運(yùn)用極限方法探究重力做功的特點(diǎn)

教學(xué)是教師、學(xué)生、教材與學(xué)習(xí)環(huán)境之間的交互活動(dòng)，在互動(dòng)中進(jìn)行知識(shí)的學(xué)習(xí)、問(wèn)題的解決、思維的形成。其中教師工作的中心在于“傾聽(tīng)”

“串聯(lián)”“反芻”[2]。在突破教學(xué)難點(diǎn)的過(guò)程中，教師應(yīng)利用生生互動(dòng)綜合不同觀點(diǎn)，讓學(xué)生在講臺(tái)展示、表達(dá)交流。學(xué)生暴露錯(cuò)誤后，教師再引導(dǎo)、傾聽(tīng)、鼓勵(lì)他們，會(huì)收到意想不到的效果。

【教學(xué)過(guò)程】

教師出示問(wèn)題1：分析下面實(shí)例中物體的重力勢(shì)能變化情況和重力做功情況。學(xué)生填寫(xiě)表3。

表3 實(shí)例分析

結(jié)論：重力勢(shì)能的變化總是伴隨著重力做功。想要定量研究重力勢(shì)能，就要先研究重力做功。

教師出示問(wèn)題2：小球沿不同路徑從高度為h1的起點(diǎn)A下降到高度為h2的終點(diǎn)B，求甲、乙、丙三種情況下重力做的功。學(xué)生對(duì)圖3中的情況做分析。

圖3 小球重力做功

教師出示問(wèn)題3:如何求“小球從高度為h1的起點(diǎn)A沿一般路徑下落到高度為h2的終點(diǎn)B，重力做的功”呢？讓學(xué)生進(jìn)一步拓展。

極限方法的運(yùn)用把整個(gè)路徑分割成許多段間隔很小的過(guò)程，由于間隔很小，每小段可以近似看作一段傾斜的直線，然后求出每小段傾斜直線過(guò)程中重力做的功，由于功是標(biāo)量，所以全段重力做的功等于各小段重力做功的代數(shù)和，進(jìn)而解決問(wèn)題。最終求得，小球從高度為h1的起點(diǎn)A沿一般路徑下落到高度為h2的終點(diǎn)B，重力做的功還是等于(mgh1-mgh2)。重力做功只跟它的起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置有關(guān)，而跟物體運(yùn)動(dòng)的路徑無(wú)關(guān)，重力做功的大小等于物體重力和初位置高度的乘積mgh1與末位置高度的乘積mgh2兩者的差。

極限方法的運(yùn)用是本節(jié)課的難點(diǎn)，突破過(guò)程中要多進(jìn)行師生互動(dòng)、生生互動(dòng)，暴露出學(xué)生認(rèn)知障礙，層層推進(jìn)，讓學(xué)生多表達(dá)、交流，培養(yǎng)他們運(yùn)用物理語(yǔ)言表達(dá)的能力、合作能力，做到邏輯鏈條完整。

(三)推理論證，抽象概括，探尋重力勢(shì)能的表達(dá)式

科學(xué)推理與科學(xué)論證是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，也是概念建構(gòu)、規(guī)律建立過(guò)程中不可缺少的一部分。抓住推理論證的契機(jī)，不遺余力地進(jìn)行挖掘、延伸，就能得到抽象概念的定量表達(dá)式。

前面我們得到重力做功只跟它的起點(diǎn)和終點(diǎn)的位置有關(guān)，而跟物體運(yùn)動(dòng)的路徑無(wú)關(guān)，重力做功的大小等于物體重力和初位置高度的乘積mgh1與末位置高度的乘積mgh2兩者的差，即WG=mgh1-mgh2。由此可知，mgh是一個(gè)很特殊的物理量。特殊在“既與重力做功有關(guān)，還滿足重力勢(shì)能的特征”。所以可抽象出重力勢(shì)能的表達(dá)式Ep=mgh。進(jìn)而完善概念的定義、表達(dá)式、單位、標(biāo)量等。

推理論證、概括抽象、得出重力勢(shì)能的表達(dá)式是本節(jié)內(nèi)容最鍛煉思維的環(huán)節(jié)，是探尋到“寶藏”的最后一步。這一步不要著急，步步為營(yíng)，進(jìn)行深度思考、批判性思考，教學(xué)會(huì)收到意想不到的效果。

(四)回歸生活，挖掘重力勢(shì)能的內(nèi)涵，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度

教師從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，幫助學(xué)生建構(gòu)物理概念、規(guī)律體系，再回歸生活，用物理視角解釋自然，解釋生活現(xiàn)象，最終上升到社會(huì)責(zé)任，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)價(jià)值觀。這無(wú)疑是落實(shí)物理學(xué)科育人價(jià)值的重要路徑。

教師給學(xué)生出示實(shí)際問(wèn)題：若一個(gè)雞蛋置于七樓窗臺(tái)上，試估算相對(duì)七樓地面與相對(duì)樓外地面，雞蛋的重力勢(shì)能是多少？

一個(gè)高處的物體具有重力勢(shì)能，靜止時(shí)平淡無(wú)奇，如果給以條件，讓重力勢(shì)能釋放出來(lái)，可能會(huì)對(duì)其下方的物體造成毀滅性打擊。教學(xué)中播放高空拋物視頻，警醒學(xué)生不要高空拋物。教師同時(shí)告訴學(xué)生：2021年3月1日，《中華人民共和國(guó)刑法修正案(十一)》生效，“高空拋物”正式入刑。

由生活中的實(shí)際問(wèn)題解決，既得出重力勢(shì)能的性質(zhì)，又能延伸出社會(huì)問(wèn)題，讓學(xué)生從生活、物理、社會(huì)三方面理解高空拋物，是培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度與價(jià)值觀的好素材。

(五)拓展延伸，探究重力做功與重力勢(shì)能變化的關(guān)系

學(xué)生初步形成某個(gè)概念后，應(yīng)該要解決實(shí)際問(wèn)題來(lái)鞏固。在解決問(wèn)題過(guò)程中，把握概念的內(nèi)涵，才能深度理解概念。教師應(yīng)該選取生活中常見(jiàn)的問(wèn)題情境帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究，延伸到相關(guān)情境，進(jìn)行學(xué)習(xí)正向遷移。

新情境：如圖4所示，質(zhì)量1.0 kg的小球，從桌面以h1=2.0 m的A點(diǎn)落到地面的B點(diǎn)，桌面高h(yuǎn)2=1.0 m。請(qǐng)按要求填寫(xiě)表4(g=10 m/s2)。

表4 情境分析表

圖4 示意圖

通過(guò)一個(gè)新情境，進(jìn)行概念的深化、應(yīng)用，既能鞏固、拓展所學(xué)，又能在新的問(wèn)題解決中檢驗(yàn)?zāi)芰Φ牧?xí)得，進(jìn)行有效遷移。

(六)學(xué)以致用，動(dòng)手設(shè)計(jì)，完成實(shí)操任務(wù)

實(shí)操任務(wù)是逆向教學(xué)設(shè)計(jì)異于其他教學(xué)設(shè)計(jì)的核心部分，旨在完成具體任務(wù)，在任務(wù)完成中檢驗(yàn)學(xué)生是否真正理解、習(xí)得。教師雙重評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)、問(wèn)題解決、動(dòng)手能力等核心素養(yǎng)。本節(jié)課設(shè)計(jì)了以下實(shí)操任務(wù)，如表5所示。

表5 實(shí)操任務(wù)

(七)融入物理學(xué)科核心素養(yǎng)的板書(shū)設(shè)計(jì)

板書(shū)是學(xué)生通過(guò)視覺(jué)理解知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要渠道，有利于直觀看見(jiàn)概念的形成主線，讓學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)。物理教育已經(jīng)進(jìn)入“物理學(xué)科核心素養(yǎng)”時(shí)代，如何將學(xué)科核心素養(yǎng)融入板書(shū)是需要每位物理教育工作者探索的事情。核心素養(yǎng)的培育，要從全方位進(jìn)行，從教師理念、教學(xué)語(yǔ)言、教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)板書(shū)等環(huán)節(jié)開(kāi)展，顯性化物理學(xué)科核心素養(yǎng)。筆者也進(jìn)行了積極探索，將傳統(tǒng)的以“知識(shí)發(fā)展”為主的板書(shū)拓展為“知識(shí)發(fā)展線、科學(xué)方法線、科學(xué)思維線”三線合一的板書(shū)。三條線可以以三個(gè)模塊獨(dú)立延展，教學(xué)過(guò)程中可以同時(shí)進(jìn)行，也可以將三個(gè)模塊整合同時(shí)進(jìn)行。圖5為“重力勢(shì)能”板書(shū)設(shè)計(jì)，旨在落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)，逐漸在教學(xué)中顯性核心素養(yǎng)。

圖5 板書(shū)設(shè)計(jì)

在物理教學(xué)中以單元為單位開(kāi)展逆向教學(xué)設(shè)計(jì)，設(shè)置實(shí)作任務(wù)，促進(jìn)深度理解，并在章節(jié)教學(xué)中實(shí)施，促進(jìn)教、學(xué)、評(píng)一致；從教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)過(guò)程、課堂任務(wù)、板書(shū)設(shè)計(jì)各個(gè)方面落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)，使其真正落地。