基于UbD理论的物理单元教学设计——以“机械能守恒定律”教学为例

钱 霞

(江苏省无锡市青山高级中学，江苏 无锡 214036)

1 引言

《普通高中物理课程标准(2017年版》明确提出：高中物理课程要注重体现物理学科的本质，从物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面提炼学科育人的价值，要充分体现物理学科对提高学生核心素养的独特作用，为学生的终身发展，应对现代和未来社会发展的挑战打下基础。[1][2]对高中物理教学如何作出调整？华东师范大学钟启泉教授提出撬动课堂转型的一个支点是基于核心素养的单元教学设计。[3]UbD理论是威金斯(G.Wiggins)和麦克泰格(J.McTighe)提出的以“理解为先”(Understanding by Design)框架为基础的单元设计模式。[4]基于UbD理论的单元教学设计采用的是“逆向设计”，所谓的“逆向设计”就是“以终为始”，从学习的结果开始逆向思考，在开始时就明确预期学习结果。逆向设计主要由三个阶段组成，即确定预期结果——确定合适的评价证据——设计学习体验和教学。[5]笔者以“机械能守恒定律”单元教学为例，对基于UbD理论的物理单元教学设计进行解析。

2 基于UbD理论的“机械能守恒定律”单元教学设计

2.1 根据教材分析确定预期结果

主要解决的问题为：学生应该知道什么，理解什么，能够做什么？什么内容值得理解？什么是期望的持久理解？

物理课程标准的要求为：(1) 理解功和功率。了解生产生活中常见机械的功率大小及其意义。(2) 理解动能和动能定理。能用动能定理解释生产生活中的现象。(3) 理解重力势能，知道重力势能的变化与重力做功的关系。定性了解弹性势能。(4) 通过实验，验证机械能守恒定律。理解机械能守恒定律，体会守恒观念对认识物理规律的重要性。能用机械能守恒定律分析生产生活中的有关问题。[1]

“机械能守恒定律”是人教版必修第二册第八章的内容，它是对动力学问题的进一步展开，在牛顿运动定律的基础上，引入功和能的关系，得出机械能守恒定律，为解决力学问题开辟新的途径。同时它也是解决电磁学、热学等问题的重要根据。利用极限的思想方法将功能关系、能量守恒由特殊推广到一般。追寻能量守恒的过程为后续的其他守恒量的学习奠定了基础，如：电荷守恒、动量守恒等等。本章节内容承上启下，在整个高中物理学习中起着关联性的作用。

鉴于上述分析，本单元的学习目标可确定为：

(1) 在已有知识的基础上把功的概念扩展到力与运动方向有一定角度的情况，并能够解释正功、负功的实际意义。类比前面的知识，能够利用极限思想从平均功率推导出瞬时功率。深度理解日常生活中各种功率的物理意义；

(2) 结合具体的实际问题，理解功能关系。利用动力学分析方法、极限思想方法，从定量的角度学习并发展动能、重力势能等概念；

(3) 通过对真实情境的分析，体会守恒关系是自然界中客观存在的重要关系，从而深入理解能量守恒定律，逐步学会从能量的观点和守恒的观点来分析力学问题；

(4) 在理论推导的基础上，学会用实验对理论结果进行检验。学生需要在掌握功、功率、势能、动能这些概念之后，形成能量观，理解做功的过程伴随着能量的转化，做了多少功，就有多少能量发生转化。期望深刻理解能量守恒定律，能量守恒定律是自然界中最基本的规律。

2.2 从学情出发确定合适的评估证据

为证实学习者的预期学习是否完成，逆向设计要求根据搜集的评估证据来思考单元设计，即在设计特定的单元前，先要思考：如何知道学生是否已经达到预期结果？哪些证据能够证明学生的理解和掌握程度？评估方式不是单一化的考试，而是呈现出多样化特征，如：自主思考反馈(撰写小论文、习题讲解等)、小组合作互相评价、微课堂展示等。

在确定合适的评估证据之前，需要对学生已有的知识进行了解，即分析学情。学生在初中已经对功和功率有了初步了解，知道力和物体运动方向相同时功的计算，并且知道力与物体运动方向垂直时，力对物体不做功。学生在初中阶段已经初步、定性地接触了动能、势能的概念。在高中阶段学生已经掌握了匀变速直线运动位移公式、矢量的合成与分解、牛顿第二定律等知识，初步了解了极限思想方法。

基于学情，本单元可以设计如下的评估内容：(1)力与运动方向相同时，W=Fs，力与运动方向垂直时W=0。力和位移均是矢量。学生自主推导出一般情况下功的计算公式，以微课堂展示的形式进行评估。(2) 类比瞬时速度，讨论得到瞬时功率。(3) 学生自主思考，利用极限法归纳出重力做功的特点，以微型论文呈现。(4) 结合牛顿第二定律及运动学公式推导出合外力做功与动能之间的关系，学生自主进行习题讲解。(5)阅读相关资料，结合生活实际，追寻能量守恒，形成能量观念。学生自我总结、反思。

评估方式可以根据学生的实际情况进行适当调整，总体评价方式要注重符合学生的最近发展区，同时又能促进学生的终身发展。

2.3 设计学习体验和教学活动

教学设计者需要思考几个关键的问题：学习者能够有效开展学习，同时达成预期的结果，他们需要哪些相关的知识和技能？哪些活动的开展可以使学习者获得所需的知识和技能？需要选择哪些合适的材料和资源，需要指导学生做什么？如何用恰当的方式开展教学？根据上述分析设计出关键的教学问题和学习活动，如表1所示。

表1

UbD理论下的物理单元教学活动和学习体验设计是在合理的结果预期和恰当的评估证据下完成的；教学设计注重学情，符合学生的最近发展区，同时又能够提高学生的核心素养。虽然学生在初中已经对功和能有了初步的接触和了解，但更多的是停留在定性层面上，定量计算相对较少。

在学习体验的设计上，就需要更加重视调动学生学习的主动性，引导学生利用已有的知识和经验，进行自主探究，加深对新学知识的认识和理解。探究实验不仅要求学生自主动手完成，更注重实验的设计，有利于学生创新能力的培养。

3 教学反思

基于UbD理论的单元设计主要由确定预期学习结果、确定合适的评价证据和设计学习体验和教学活动三个阶段组成。从预期结果出发，要求教学设计者先要对课程和学生有很好的了解，能够准确定位学习目标，根据单元核心概念，结合学情进行逆向设计，最后回归到每个具体的任务上。

“机械能守恒定律”单元教学设计是根据教材分析确定预期结果，再从学情出发确定合适的评估证据，最后设计学习体验和教学活动，注重学习过程的评价，始终以学生为主体，以发展学生的物理学科核心素养为目标。这个教学过程还需根据学生的实际学情作出调整和修正，真正符合学生的最近发展区，以激发学生的学习兴趣，满足学生对物理学习的期待。