劉 娜，崔 琰，李春密

1.中國(guó)人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100086

2.北京市海淀教師進(jìn)修學(xué)校，北京 100089

3.北京師范大學(xué)，北京 100091

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出了發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的四個(gè)方面：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。深度學(xué)習(xí)作為落實(shí)核心素養(yǎng)培養(yǎng)目標(biāo)的現(xiàn)實(shí)途徑，成為現(xiàn)階段所提倡的一種教學(xué)理念。深度學(xué)習(xí)的定義為：在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗(yàn)成功并獲得發(fā)展的有意義的學(xué)習(xí)過(guò)程。其最終目標(biāo)是培養(yǎng)優(yōu)秀的學(xué)習(xí)者和具備“未來(lái)社會(huì)歷史實(shí)踐主人”所應(yīng)有的素養(yǎng)和能力的人。深度學(xué)習(xí)既是教學(xué)理念，又是教學(xué)改進(jìn)的方向、思想方法、宏觀原則和策略。深度學(xué)習(xí)是“學(xué)習(xí)”這一“宏觀巨系統(tǒng)”的最優(yōu)整合，是“學(xué)習(xí)系統(tǒng)”的最優(yōu)化狀態(tài)，是學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)、提升關(guān)鍵能力、實(shí)現(xiàn)全面發(fā)展的必由之路。

1 單元教學(xué)設(shè)計(jì)的基本內(nèi)涵

物理學(xué)科自身的抽象性、邏輯性和系統(tǒng)性導(dǎo)致了它具有難度大、學(xué)習(xí)有效性低等問(wèn)題。在新課程實(shí)施的背景下，物理教學(xué)中存在課程目標(biāo)與有限學(xué)習(xí)時(shí)間的矛盾、學(xué)習(xí)活動(dòng)與學(xué)習(xí)進(jìn)度的沖突等實(shí)際問(wèn)題，而解決途徑之一就是開(kāi)展單元教學(xué)設(shè)計(jì)。單元教學(xué)設(shè)計(jì)是一種新型備課方式，面向一章或一個(gè)專題的內(nèi)容，將備課的重點(diǎn)從單個(gè)知識(shí)點(diǎn)的傳授轉(zhuǎn)向有意識(shí)地引導(dǎo)學(xué)生梳理知識(shí)之間的關(guān)聯(lián)，感受概念和規(guī)律的意義，感知物理思想方法在科學(xué)研究過(guò)程中的作用，體會(huì)物理學(xué)的本質(zhì)。單元教學(xué)設(shè)計(jì)要求教師在備課過(guò)程中將物理教學(xué)的關(guān)注點(diǎn)從思考“是什么”轉(zhuǎn)向“為什么”和“怎么辦”；從知識(shí)維度轉(zhuǎn)向認(rèn)知過(guò)程維度；從單純地教授學(xué)生學(xué)習(xí)概念、公式轉(zhuǎn)向引導(dǎo)學(xué)生思考在此處引入這一概念的原因及采用什么方法解決面前的問(wèn)題和任務(wù)，以期為學(xué)生提供能夠展開(kāi)分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)造的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生高階思維、發(fā)展物理學(xué)科核心素養(yǎng)、提升關(guān)鍵能力的目的。

2 單元教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)施路徑

單元教學(xué)設(shè)計(jì)可按照先整體分析、后統(tǒng)一設(shè)計(jì)兩個(gè)環(huán)節(jié)展開(kāi)，如圖1所示。

圖1 “單元教學(xué)設(shè)計(jì)”實(shí)施路徑圖

單元教學(xué)設(shè)計(jì)的整體分析主要從4個(gè)角度展開(kāi)：第一，完整地分析知識(shí)內(nèi)容之間的邏輯順序；第二，區(qū)別知識(shí)內(nèi)容的概念層級(jí)；第三，挖掘知識(shí)背后的核心素養(yǎng)；第四，分析學(xué)生的知識(shí)基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)、能力基礎(chǔ)、潛在的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)、思維障礙點(diǎn)以及在本單元所能達(dá)到的認(rèn)知極限。

在整體分析之后開(kāi)始統(tǒng)一設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)是單元教學(xué)設(shè)計(jì)的核心任務(wù)，是將整體分析成果外顯成教學(xué)活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)主要包括設(shè)計(jì)情境、任務(wù)、問(wèn)題和學(xué)習(xí)過(guò)程。首先，在整體分析的基礎(chǔ)上建構(gòu)統(tǒng)領(lǐng)整個(gè)單元課堂學(xué)習(xí)的真實(shí)大情境。情境學(xué)習(xí)要滿足學(xué)生的思維特點(diǎn)和認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)推理能力有積極作用，是促進(jìn)知識(shí)和能力同時(shí)增長(zhǎng)的有效途徑，是發(fā)展學(xué)科核心素養(yǎng)的重要手段。其次，由于真實(shí)情境是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題系統(tǒng)，在展開(kāi)科學(xué)研究前，就要先引導(dǎo)學(xué)生提煉其中具有“挑戰(zhàn)性”的核心任務(wù)?！疤魬?zhàn)性”任務(wù)應(yīng)“超越教科書(shū)水平”。根據(jù)“最近發(fā)展區(qū)”理論，學(xué)習(xí)任務(wù)既要與學(xué)生認(rèn)知相符合，又要達(dá)到“學(xué)生跳一跳才能夠得著”的要求，即任務(wù)必須能激發(fā)出學(xué)生的興趣和求知欲，需要教師在主題情境的基礎(chǔ)上用心設(shè)計(jì)。最后，將任務(wù)分解成若干適合研究的物理問(wèn)題：將日常問(wèn)題表征為物理問(wèn)題，隨后讓學(xué)生在教師設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)過(guò)程中經(jīng)歷提出猜想、驗(yàn)證猜想、形成概念、最終解決問(wèn)題的研究過(guò)程。

3 單元教學(xué)設(shè)計(jì)案例——“萬(wàn)有引力定律”

采用單元教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)施路徑討論“萬(wàn)有引力定律”單元教學(xué)設(shè)計(jì)。

（1）梳理單元的邏輯順序和知識(shí)關(guān)聯(lián)：既要分析單元內(nèi)部的知識(shí)內(nèi)容，也要兼顧在整個(gè)高中學(xué)習(xí)中的地位和作用；既要考慮單元內(nèi)知識(shí)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)，又要整合與其相關(guān)的單元外知識(shí)點(diǎn)，形成一種前后銜接的、最符合認(rèn)知發(fā)展路徑的學(xué)習(xí)邏輯順序，從而構(gòu)建相關(guān)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)體系。本單元的知識(shí)發(fā)展順序如圖2所示，力學(xué)討論的關(guān)鍵問(wèn)題是“力和相互作用的關(guān)系”。首先，分別單獨(dú)學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)、力及運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系；然后，討論已知受力研究運(yùn)動(dòng)情況的平拋運(yùn)動(dòng)和已知運(yùn)動(dòng)研究其受力情況的圓周運(yùn)動(dòng)；接著，人類把視線移向了天空，在歷代前輩觀測(cè)總結(jié)的基礎(chǔ)上提煉出了行星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律——開(kāi)普勒三定律；緊接著，思考行星為什么會(huì)做這樣的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推測(cè)出太陽(yáng)和行星之間力的形式；接下來(lái)，牛頓運(yùn)用對(duì)比思想提出了月地統(tǒng)一的偉大猜想，進(jìn)而通過(guò)月地檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)提出了萬(wàn)有引力定律；最后，提出這一理論的實(shí)踐檢驗(yàn)是通過(guò)其成就和應(yīng)用間接證實(shí)的，并不是理論的終點(diǎn)，隨著人類對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)的深入以及探測(cè)手段的提高，逐漸發(fā)現(xiàn)這一理論的局限性，這也是本單元最后一節(jié)內(nèi)容，體現(xiàn)了科學(xué)的暫時(shí)性。

圖2 “萬(wàn)有引力定律”知識(shí)發(fā)展順序

（2）分析知識(shí)點(diǎn)之間的概念層級(jí)，區(qū)分知識(shí)不同的層級(jí)。不同知識(shí)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的概念層級(jí)不一樣，分別為學(xué)科核心概念、學(xué)科下面的主題核心概念、主題核心概念下的重要概念和基本概念。對(duì)概念層級(jí)的分析有助于教師把握知識(shí)深淺層次。圖3表示了該單元在整個(gè)力學(xué)系統(tǒng)中的位置以及與其他知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，其中行星運(yùn)動(dòng)和萬(wàn)有引力是基本概念。行星運(yùn)動(dòng)屬于“圓周運(yùn)動(dòng)”，而圓周運(yùn)動(dòng)與平拋運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)都屬于“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”主題核心概念之下的“運(yùn)動(dòng)分類”這一重要概念。萬(wàn)有引力是相互作用的一種，相互作用涵蓋在“運(yùn)動(dòng)與相互作用的關(guān)系”主題核心概念之下，在此主題核心概念之上是“運(yùn)動(dòng)與相互作用”這一學(xué)科核心概念。在“萬(wàn)有引力定律”之后的學(xué)習(xí)內(nèi)容中與本單元相關(guān)的還有機(jī)械能、行星因運(yùn)動(dòng)而具有的動(dòng)能、星體之間萬(wàn)有引力產(chǎn)生的引力勢(shì)能，都涵蓋在“機(jī)械能守恒”規(guī)律下。機(jī)械能守恒是主題核心概念“功能原理”的一種。功能原理描述的是做功與能量轉(zhuǎn)化之間的關(guān)系，與“運(yùn)動(dòng)與相互作用關(guān)系”并列為“運(yùn)動(dòng)和力”之間的兩種不同表現(xiàn)形式，前者是功和能的角度，后者是牛頓運(yùn)動(dòng)定律的角度。功能關(guān)系屬于“能量”這一學(xué)科核心概念。

圖3 “萬(wàn)有引力定律”知識(shí)網(wǎng)絡(luò)圖

（3）挖掘知識(shí)背后隱藏的物理學(xué)科方法，并在此基礎(chǔ)上思考如何在教學(xué)過(guò)程中滲透核心素養(yǎng)。本單元的學(xué)習(xí)過(guò)程本身就是一個(gè)完整且真實(shí)的科研進(jìn)程，其背后蘊(yùn)含著豐富的思維方法和核心素養(yǎng)。這一科研進(jìn)程可分為七個(gè)環(huán)節(jié)，如圖4所示。首先要準(zhǔn)確觀察：精準(zhǔn)的觀測(cè)永遠(yuǎn)是科研的第一步；在此基礎(chǔ)之上歸納規(guī)律（開(kāi)普勒三定律）；形成假說(shuō)（月地統(tǒng)一的偉大猜想）；隨后通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證（月地檢驗(yàn)）進(jìn)而形成科學(xué)理論（萬(wàn)有引力定律）；之后對(duì)理論進(jìn)行檢驗(yàn)（成就及應(yīng)用）；最后闡釋其局限與發(fā)展（相對(duì)論初步）。以上七個(gè)環(huán)節(jié)也是科研過(guò)程中的必要操作和關(guān)鍵步驟。

圖4 “萬(wàn)有引力定律”科研進(jìn)程

為了將“萬(wàn)有引力定律”的科研進(jìn)程引入教學(xué)設(shè)計(jì)，需要從核心素養(yǎng)的視角來(lái)進(jìn)行分析。首先，討論本單元知識(shí)背后蘊(yùn)含的科學(xué)探究。科學(xué)探究是科研過(guò)程中的“淺表層”，其中的四個(gè)要素體現(xiàn)了研究者解決問(wèn)題的能力。比如，問(wèn)題意識(shí)是能夠提出科學(xué)假說(shuō)的前提，不僅要有提出問(wèn)題的意識(shí)，還要有提出指向明確且合理的科學(xué)問(wèn)題的能力。證據(jù)意識(shí)體現(xiàn)在月地實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，成功分析數(shù)據(jù)并進(jìn)行推理離不開(kāi)證據(jù)意識(shí)。此外，月地檢驗(yàn)中不能缺少解釋能力，解釋能力是解釋所提出的理論和想法的能力，包括自我批判、解釋和完善。同時(shí)，在一個(gè)理論不斷完善的過(guò)程中還離不開(kāi)交流能力。

其次，科學(xué)思維是科研進(jìn)程中的“深皮層”，體現(xiàn)了研究者的思維模式和認(rèn)知能力。比如，從自然現(xiàn)象到物理規(guī)律的過(guò)程、從歸納到產(chǎn)生假說(shuō)的過(guò)程離不開(kāi)建模能力和思維。從產(chǎn)生假說(shuō)到提出系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案需要科學(xué)推理的邏輯能力、概括能力、分析能力等。從科學(xué)理論的誕生到推廣發(fā)展需要科學(xué)論證的能力。不同于證據(jù)意識(shí)，科學(xué)論證是基于一定的事實(shí)進(jìn)行論述和辯證的能力。此外，在理論檢驗(yàn)的過(guò)程中還要有質(zhì)疑創(chuàng)新的能力。

僅具備上述素養(yǎng)還不足以推導(dǎo)出萬(wàn)有引力定律，在推導(dǎo)行星之間力的過(guò)程中還有大膽猜測(cè)的成分，在科研過(guò)程中體現(xiàn)為直覺(jué)意識(shí)或科學(xué)信仰（屬于物理觀念范疇）。

同時(shí)，本單元中有大量適合開(kāi)展課程思政的內(nèi)容，如航天載人、中國(guó)航天夢(mèng)。在學(xué)習(xí)過(guò)程中滲透科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，為學(xué)生全面發(fā)展提供了一個(gè)很好的學(xué)習(xí)場(chǎng)景。

（4）尋找學(xué)生在本單元學(xué)習(xí)過(guò)程中的思路發(fā)展和學(xué)習(xí)進(jìn)階路徑。學(xué)生在此之前學(xué)習(xí)了牛頓運(yùn)動(dòng)定律和圓周運(yùn)動(dòng)，有天體運(yùn)動(dòng)的科普經(jīng)驗(yàn)，大部分學(xué)生知道地心說(shuō)和日心說(shuō)，對(duì)中國(guó)航天的成就有所耳聞，并具備初步的推理分析能力和實(shí)驗(yàn)探究能力。本單元的認(rèn)知目標(biāo)是在學(xué)習(xí)知識(shí)的同時(shí)發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)和能力。如圖5所示，在學(xué)習(xí)開(kāi)普勒定律的過(guò)程中豐富學(xué)生的運(yùn)動(dòng)觀念，在討論星體之間力的過(guò)程中突出運(yùn)動(dòng)與相互作用的觀念；在日心說(shuō)和地心說(shuō)的爭(zhēng)辯中提高質(zhì)疑創(chuàng)新和科學(xué)論證的能力；在星體之間的力的推導(dǎo)和萬(wàn)有引力定律的應(yīng)用中鍛煉建構(gòu)模型和科學(xué)推理能力；在相對(duì)論的初步學(xué)習(xí)中感知科學(xué)本質(zhì)；在月地統(tǒng)一的偉大猜想和月地檢驗(yàn)過(guò)程中培養(yǎng)科學(xué)探究能力；在航天事業(yè)偉大成就的學(xué)習(xí)過(guò)程中樹(shù)立正確的科學(xué)態(tài)度和社會(huì)責(zé)任。

圖5 “萬(wàn)有引力定律”單元核心素養(yǎng)

在以上分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)本單元的學(xué)習(xí)活動(dòng)。首先，設(shè)計(jì)能統(tǒng)領(lǐng)整個(gè)單元的大情境：播放“天問(wèn)一號(hào)”發(fā)射到火星和“嫦娥”系列發(fā)射的視頻，閱讀中國(guó)探索太空的資料，了解近年來(lái)中國(guó)發(fā)射的衛(wèi)星和空間站建設(shè)。隨后，提出具有挑戰(zhàn)性的核心學(xué)習(xí)任務(wù)：如何把飛行器發(fā)射到其他行星或衛(wèi)星表面。之后教師追問(wèn)：為完成任務(wù)，需要研究哪些問(wèn)題？引導(dǎo)學(xué)生分析、分解任務(wù)。對(duì)此，學(xué)生可能給出的答案有：行星和衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是什么、運(yùn)動(dòng)的原因是什么、如何成功發(fā)射衛(wèi)星。接下來(lái)，在師生共同討論的基礎(chǔ)上確定本單元的具體問(wèn)題：①太陽(yáng)系的行星有何運(yùn)動(dòng)規(guī)律？②什么形式的力導(dǎo)致了行星如此運(yùn)動(dòng)？③行星及同步衛(wèi)星的周期、線速度、角速度以及加速度有何特點(diǎn)？④設(shè)計(jì)把“嫦娥五號(hào)”發(fā)送到月球表面的發(fā)射方案。最后，具體設(shè)計(jì)每一課時(shí)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。

4 總結(jié)

基于深度學(xué)習(xí)的單元教學(xué)是目前在有限課時(shí)內(nèi)深化高中物理教學(xué)改革較為可行的實(shí)踐措施。因此，單元教學(xué)設(shè)計(jì)成了眼下一線教師急需學(xué)習(xí)和轉(zhuǎn)變的新型備課模式。本文利用該實(shí)施路徑對(duì)“萬(wàn)有引力定律”展開(kāi)了單元教學(xué)設(shè)計(jì)的內(nèi)容分析，初步呈現(xiàn)了這一單元的設(shè)計(jì)雛形。