指向深度学习的单元教学设计与实践

摘 要：基于单元设计的深度学习对促进学生学习方式的转变和发展学生的物理核心素养具有重要意义.本文以“机械能守恒定律”单元为例，分别从单元教学任务分析、目标确定、结构创建、评价实施等方面阐述单元教学设计策略，旨在为高中物理教学实施深度学习提供参考和借鉴.

关键词：核心素养;深度学习;单元教学;机械能守恒定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）23-0035-05

1 核心素养视角下的深度学习需要单元设计来实现

深度学习和单元教学既是深化教育教学改革过程中学者关注的内容，也是全面提高教学质量实践中教师必须面对的问题[1].2014年9月教育部基础课程教材发展中心“深度学习总项目组”对其界定为：在教师引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程[2].上海市教委教研在相关的项目研究中将物理深度学习界定为：学生在素养导向的目标引领下，聚焦情境化学习主题，围绕挑战性学习任务，全身心参与活动体验;运用模型建构、推理论证、质疑创新等科学思维方式，获得物理学科核心知识，逐步形成物理观念，发展科学思维和科学探究等关键能力;在持续性学习评价激励下，完成任务或解决问题的同时体验成功，形成积极的内在学习动机、正确的科学态度和责任，在物理学科核心素养方面获得全面发展.

系统化的单元设计需要整体规划单元教学任务，确立素养为核心的单元目标，重点设计单元教学活动、保障实施单元教学评价，落实“教、学、评”一致，促进深度学习，可见深度学习的四个核心要素和兩个支持要素（如图1）的实现都需落实在单元层面.因此，深度学习是实施单元教学的目的，系统化的单元教学是促进深度学习的载体，两者相互作用促进学生的核心素养发展.本文以“机械能守恒定律”单元为例，从单元教学任务分析、目标确定、结构创建、单元评价四个方面，阐述指向深度学习的单元教学设计策略.

2 基于深度学习的单元教学设计

2.1 单元教学任务分析

2.1.1 单元教学内容分析

本单元的内容由功和功率、动能和动能定理、重力势能及机械能守恒定律等内容组成.本单元从能量的角度来研究机械运动，功和能是两个重要的基本概念，其中“功是能量转化的量度”是本单元的主线.机械能守恒定律是我们学习各种不同的能量转化规律的起点，也是力学的重要组成部分，有助于能量观念和守恒思想的形成，更为运用功能关系、守恒定律分析较为复杂的运动过程奠定基础，本单元具体的知识结构如图2所示.

2.1.2 学情分析

学生在初中学段已经初步学习了功、功率，对动能和势能有定性的了解，对动能和势能的转化有感性的认识，并且对能量转化与守恒定律有初步的认识，但还未形成定量的能量观念，对从能量的角度分析解决问题并不熟悉.经过牛顿定律的学习，已经初步建立了运动和相互作用观，学生习惯运用运动和相互作用的观念分析解决问题.本单元学生用能量观念分析解决实际问题时需要将过程和状态结合起来，需要同时进行受力分析和做功分析，对学生来说跨度较大，思维链条较长，有一定的困难.同时学生已初步掌握了科学探究的思路，具备了一定的探究能力，能够用图像法处理数据，学生比较熟悉通过实验进行探究，但对理论探究较为陌生，另外学生需要通过实践来体会利用功和能的关系、机械能守恒定律等能量观念分析物理问题的优越性.

2.1.3 单元内容与核心素养的关联分析

2.1.4 单元核心任务分析

本单元的核心任务是研究分析模拟蹦极运动中的能量转化情况.蹦极运动是学生熟悉的情境，将研究对象抽象为质点后，利用所学知识定性分析蹦极运动中每个阶段的受力情况、做功情况和对应的能量转化情况，然后设计实验模拟蹦极运动，利用Tracker软件[3]定量得出蹦极运动各过程中动能、重力势能和弹性势能随时间变化的图像，分析实验图像阐述能量转化情况，最后各组在课堂上进行交流和分享.整个单元以生活中比较常见的蹦极运动为载体，分解其各个运动过程，通过定性分析和定量计算将做功和能量转化的情况有效地展现出来，使学生在熟悉的真实情境中学习机械能的相关知识，并用其解决实际问题.

2.2 单元教学目标确定

单元教学目标设计是把学科核心素养具体化为单元学习目标的过程，是单元教学设计的灵魂，它在“物理核心素养—单元教学目标—课时教学目标”目标链中处于承上启下的关键地位.单元教学目标的确定应以单元教学内容和学情的分析结果为基础[4]，注重物理核心素养对教学的引领和导向作用，关注教学目标的可操作性、可检测性.结合具体的知识和素养发展要求，本单元具体的教学目标如下：

（1）通过功和功率的学习研究，能够解释和解决生产生活中相关的现象和问题;通过对机械能及其守恒定律的学习研究，学会从机械能转化和守恒的视角分析物理问题，形成初步的能量观念.

（2）通过理论探究合力做功与动能变化的关系，推导重力做功与重力势能变化的关系、机械能守恒定律，经历模型建构、推理论证、质疑等思维活动过程，实现微元、极限、类比等思想方法的迁移应用，从而有助于科学思维的发展.通过经历应用机械能守恒定律解决实际情景中问题的过程，体会守恒的思想，领悟从守恒的角度分析问题的方法，增强分析和解决问题的能力.

（3）通过验证机械能守恒定律实验及实验图像分析，归纳机械能总量守恒的特点;通过把实验结论扩展到其它具体的机械能守恒的实例中，得出单个物体机械能守恒的条件.通过对实际情境的分析判断，增强敢于思考与质疑、积极发表观点的能力，基于证据作出解释、对结果进行交流，从而培养问题意识和证据意识.

（4）在经历实验探究与理论推导的过程中，体会严谨认真、尊重事实的科学态度;从功和功率、动能和动能定理、重力做功和重力势能到机械能守恒定律都与生产生活中的现象紧密结合，整个章节的概念和规律的得出都可以结合实际情景，从而认识到运用能量和守恒的思想研究机械运动是物理学研究自然现象的重要方法之一;通过对实际现象的分析研究，养成实事求是的态度，并了解科学、技术、社会、环境的关系.

2.3 单元学习活动设计

单元学习活动设计是单元教学的枢纽，它既是对单元教学目标达成的学习过程规划，又是课时教学设计的实施蓝图，对课时教学设计具有统领作用.单元学习活动设计要能够有效突破单元教学的重点和难点，要求教师着眼于结构化设计.该环节的设计可通过以下步骤完成：首先，设计单元学习活动框架，根据单元教学目标，寻找合适情境，设计单元核心任务，分析核心任务之间的结构和顺序;然后，制定每个学习任务的具体实施策略;最后，构建课时学习任务.按照单元规划制定的课时、素养要求将单元核心任务尽量平均地分布在各课时中，组成课时学习活动[5].需要注意的是，这里的学习活动不仅包括课时活动，也包括课外活动.

（1）按照上述设计步骤，本单元的单元学习活动框架和课时学习活动设计要点分别见表2和表3.

（2）下面以第五课时“机械能守恒定律”为例，详述课时教学活动的开展思路.

①情境引入：摇摆中的海盗船、拉弓射箭和蹦极运动.

学生已有一定的知识基础，观察物体在做功过程中，有哪些能量发生相互转化？此环节学生自行分析每个情境中的能量转化情况，知道动能、重力势能和弹性势能之间可以相互转化，建立机械能的概念.

②挑战实验“实心球来袭”.

教室天花板上悬挂一个2kg的实心球，在传统碰鼻实验的基础上增加挑战难度，即参加挑战的学生靠墙站立，实心球从该学生的对面等高处释放，看挑战者的反应.因靠墙站立，实心球摆过来，挑战者无处躲避，但结果是安全的，引发了学生的兴趣.

③定性分析摆球摆动过程中动能和重力势能的变化情况.

先定性分析，后引导学生猜想动能与重力势能在相互转化的过程中，机械能如何变化？

④学生实验：用DIS实验验证机械能守恒.

采用最新的实验装置（如图3），光电门传感器固定在摆锤上，6个挡光片固定在有刻度板的不同位置.释放摆锤，可分别测出摆锤经过6个挡光片时的速度大小，最终得到动能、重力势能和机械能随高度变化的图像，学生自行分析图像结果，体会利用图像找规律是实验探究的重要方法.课后探索实践，还能设计哪些实验来验证机械能守恒.

⑤理论推导：摆球摆动过程中任意两个位置的机械能大小.

引导学生利用动能定理、重力做功与重力势能的关系等，推导任意两位置的机械能相等.

⑥再次展示实验情境：实心球换成塑料球.

摆球换成塑料球，机械能为什么不守恒了？或在验证机械能守恒的实验中，给摆锤上增加与运动方向相反的绳子拉力，再次进行实验得到图像，发现机械能也不守恒了，讨论机械能守恒的条件到底是什么？造成机械能变化的原因是什么？此活动旨在培养学生的科学推理和论证能力.

⑦实例分析：滑雪、匀速转动的摩天轮、蹦极等运动的图片或视频.

判断各个情境中的机械能是否守恒.分析说明蹦极运动中哪些过程中运动员的机械能守恒，哪些过程中运动员的机械能发生变化？变化的原因是什么？系统的机械能如何变化？

2.4 单元教学评价实施

单元教学评价是依据某些标准来判断单元教学设计在多大程度上实现了单元教学目标的过程，通常包括过程性评价和形成性评价两部分[5]，单元评价的整体结构如图4所示.考虑评价的可操作性，单元过程性评价通常与单元活动、单元作业的实施交融在一起.在单元活动中，教师可以通过学生的活动记录、活动表现对学生进行过程性评价，让不同主体共同参与评价，使评价更好地促进学生的学习过程.在单元作业中，教师应对学生作业的完成度、投入度和准确度等进行过程性评价，特别是对学生作业的准确度、实践类作业的独创性等方面进行激励和肯定.

“机械能守恒定律”单元的过程性评价主要包括两个方面：（1）活动开展情况的评价.以本单元最后一节课为例，各小组分别从实验设计方案、tracker软件的分析结果等方面进行交流和分享，可以从学生的实验操作规范、tracker软件的熟練程度、实验图像的分析和对问题的阐释等角度进行评价;（2）课时作业的评价.对作业的评价可从学生作业的正确率、课堂反馈等角度展开.本单元的形成性评价，应以抽象思维、科学推理、能量观等素养为中心，以真实情景为载体，形成单元测试卷，考查学生对功能关系的理解和运用机械能守恒定律解决实际问题的能力.根据评价结果，对本单元的教学设计进行反思与修改，这样一来，目标、评价与教学之间的一致性就得以体现，为目标的达成提供了根本的保障.

3 结束语

深度学习是一种教学理念，它的目标是人的全面发展，它的内容是有挑战性的单元，它的学习过程是学生作为主体的主动学习过程.本文以机械能守恒定律单元教学为例，通过寻找合适的情境、设计核心任务、分解核心任务和设置任务评价等方面系统地设计单元教学内容.通过核心任务串联起整个单元的教学内容，把核心任务分解到具体的课时教学中，从第1课时发布任务到第6课时完成方案，为教学目标的实现提供了可操作的路径和符合实际的单元教学设计模板.在本单元的学习中，学生一直保持着浓厚的学习兴趣和热情，从蹦极运动的视频情境入手，引发功和能量转化的关系，让学生设计实验方案和用视频软件分析能量转化，学生有了思考的起点和落点.在整个单元系统学习和探究过程中，让体验在活动中获得，思维的广度和深度都有了很大的提升，促使学习真正发生，学科素养的发展也水到渠成.

参考文献：

[1]郭华.如何理解“深度学习”[J].四川师范大学学报（社会科学版），2020，47（01）：89—95.

[2]崔允漷.学科核心素养呼唤大单元教学设计[J].上海教育科研，2019（04）：1.

[3]周琴，方德鑫.Tracker软件在学生探究实验中的应用——以“抛体运动的探究”为例[J].中学物理，2019，37（15）：47—49.

[4]王美芹，柴丽苹.基于核心素养的高中物理单元教学目标设计——以“磁场”单元为例[J].物理教师，2020，41（06）：15—19.

[5]上海市教育委员会教学研究室.中学物理单元教学设计指南[M].北京：人民教育出版社，2018.

（收稿日期：2021-08-02）

作者简介：郑小青（1983-），女，山西人，博士，中学一级教师，研究方向：中学物理学科教学.