以单元目标为导向的初中物理学习活动设计——以“大气压强”为例

朱 英 冯 杰

（1.上海市位育初级中学，上海 200031；2.上海师范大学数理学院，上海 200234）

上海市教委教研室中小学物理学科启动了单元整体设计的研究.以单元目标为导向的学习活动设计可以帮助学生构建知识结构体系，围绕单元目标设计的学习活动能够大大提升教学内容的逻辑性，这是培养学生的物理学科核心素养的重要途径.

1 理论基础及概念分析

1.1 认知理论

学科核心素养是人才需求的转变产生的，而“具身认知理论”和认知发展阶段理论为核心素养的培养提供的理论依据.以单元目标为导向的学习活动设计的教学策略和这两个理论又有着密不可分的关系，他们能有力的促进教学.

首先，“具身认知理论”认为认知活动不仅离不开生物的大脑，而且与人类身体及其所处的环境密切相关；“心智之所以从根本上是具身的，并非仅仅因为心智的所有过程必须以神经活动为基础，而是因为我们的知觉和运动系统在概念形成和理性推理中扮演了一种基础性的角色”.而作为人体最重要感觉之一的视觉在我们的认知世界中扮演了重要角色，对于科学知识的建构占据了关键性的作用.

其次，认知发展阶段理论强调知识和经验之间的转换和改造，最具代表性的是皮亚杰理论，他认为个体自出生一直到成年的认知发展阶段，在他看来，认知发展并不是一个简单的数量累积过程，而是一个不断创建新图式的过程.从认知图式的性质出发，皮亚杰将儿童的认知发展共划分为4个阶段，而第4阶段就是（11～15岁以后）形式运算阶段：可以不凭借具体的事物，作出符号形式的推理分析.初三学生就是处于这个阶段，可以对表征的和抽象的物体进行逻辑思维运算，学生有能力将内容与形式分开，运用符号来代替其他东西.

初中生正处于表象与抽象过度的阶段，学生能够通过视觉来观察生活中的物理，能够通过视觉来观察物理实验现象，能够通过视觉来观察知识点的联系，能够凭借自己的认知发展对物理现象和知识进行推理分析.

1.2 单元目标

单元目标是基于教学基本要求设定的目标，是把握教学内容及重点内容的方向.初中物理单元目标是一个单元所要掌握的物理学科素养四维目标，初中物理单元目标需要明确学生掌握的物理观念、落实好学生科学探究需要具备的科学思维、明确学生需要培养的科学态度与责任，需要通过整个单元学习让学生达到预期的效果.

1.3 学习活动设计

以单元目标为导向的学习活动设计是根据单元大活动的教学目标和学情，确定教学单元的构建，从物理学科核心素养内涵出发，根据学生学习的认知特点找出相应的学习模式，形成物理学科特定的思维方式，以培养学生核心素养为目标设计的教学活动.以往的教学模式已经不能满足新要求，我们必须通过以单元目标为导向的学习活动设计来激发学生的科学思维，培养学生的探究能力，明确学生的科学态度与责任，获得科学观念，落实初中物理核心素养.

2 初中物理学习活动设计策略

传统的教学体现的是知识点的讲解，忽略的是情境，导致在教学中科学思维方法的渗透度不够，没有突出科学思维方法，导致学生的实验能力、对问题的处理和分析能力受到限制，缺乏提问的精神和对现象的深入思考.随着基础教育改革的推进，从双基到三维目标到核心素养的转变，以单元目标为导向的初中物理学习活动设计刻不容缓，笔者设计了初中物理学习活动设计导图如图1所示.核心素养下的物理教学重视对知识的整合，强调的是实现学生的全面发展.以单元目标为导向的初中物理学习活动设计有利于学生自主构建知识体系，强化物理观念；有利于学生利用已有物理知识进行科学制作，逐步养成创新思维；有利于学生对探究环节总结经验、归纳方法；有利于建立物理知识和生活的联系.

图1 初中物理学习活动设计导图

2.1 初中物理学科单元核心素养目标分析与构建

单元目标的分析能够将知识点整合在一个单元中进行融会贯通，能够减少对单一知识的过度关注，更加注重提高学生的学科核心素养，教师通过对教材进行深入分析，制定教学目标，根据学生特点采用符合学情的方式进行整合教学内容，从整体把握教学需求，选用合适教学方法，完善教学过程，提高学生抽象和概括、分析与综合、推理与判断等思维方法，在概念和规律教学中渗透建构模型内容，提升学生模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新的科学思维.

案例1.教学目标分析：本节课是上教版初中物理九年级第一学期第6章第6节的内容，大气压强与固体压强、液体压强一起构成了一个相对完整的知识体系.由于大气压的产生与静止液体内部压强的产生原因类似，所以大气压强的学习是前者的延伸和巩固.本节要求学生主动参与，通过假想实验、模拟实验、演示实验这一系列知识形成的过程，感受观察、分析、推理、间接测量、假想实验等科学的思想和方法（表1），并体验学习的乐趣.

表1 单元核心素养目标

初中生学情分析：学生已经掌握了学习本节课需要具备的基础知识压力和压强的概念、压强公式：p=F/S、液体内部的压强公式：p=ρgh，这些都为本节课的学习做了很好的铺垫.但是由于托里拆利实验是应用了间接测量的方法，所以学生在理解上一直存在着困难.初三学生已经具备了一定的实验探究能力和空间想象能力，形象思维和抽象思维都有了不同程度的发展，分析问题、解决问题的能力也更加进步.但是初三的学生往往是不爱发言，不主动表现自我，需要教师的积极、灵活的调动.初三年级学生心理和认知发展规律要求在教学中要充分调动他们的激情.他们不喜欢枯燥的理论分析和教条式的计算，但乐于参与动手实验、观察现象、了解与物理规律有关的图片.在玩中学更能激发学生的情感.他们喜欢探索自己熟悉的或与所学知识有关的生活现象、科学事件.这样才更能激发和培养他们的创造性.

（1）通过设计实验证明大气压强的存在，感受“实验、观察、归纳”的科学方法.

（2）经历“探究测定大气压强值”的活动，感受分析、推理、间接测量的科学方法.

（3）通过了解马德堡半球实验和托里拆利实验，领略先辈崇尚科学、勇于探索的精神.

（4）通过大气压强的学习，激发兴趣，感悟理论联系实际、学以致用的重要性.

（5）通过测量大气压强值的一系列活动，提高学生动手动脑学习物理的兴趣，激发探索未知世界的热情.

设计单元教学目标要符合学生心理特点和认知规律，而难点的确立要基于学生的认知水平和思维障碍.如案例1中把作为托里拆利实验中应用了间接测量的方法作为难点，这样的单元目标设计导向的活动设计才能真正起到培养学生物理学科核心素养的作用.

2.2 初中物理学习活动设计要点

学习活动设计是单元教学设计的关键，是落实物理学科核心素养的重要步骤，能为学生的学习活动提供良好的基础和方向.初中物理学科核心素养是通过物理教师对教学活动的设计，为学生创造学习环境，通过学习中的问题而不断的交流的形式中慢慢培养出来的.在进行学习活动设计时应该注意以下几点：

第一，创设意境，培养学生科学态度与责任.对于学习意境的寻找是为了让学生的物理知识学习更加的贴近实际生活，让学生感受到物理来源于生活，此外，也能让学生感受学习的魅力，让物理在学生眼中不再只是符号、公式，而是可以感知和触摸的生活中的世界.

案例2.活动1：利用实验桌上所给器材，分组设计并实验：证明大气压强是存在的，学生分组实验如图2所示.

图2 学生分组实验1

活动2：马德堡半球实验的故事介绍.

活动3：学生演示马德堡半球实验.学生通过模拟马德堡半球的实验，亲身感受大气压强存在且很大.学生模拟马德堡半球实验的分组实验如图3所示.

图3 学生分组实验2

第二，设计问题，培养学生科学思维与探究.让学生在意境中发现物理问题，根据课堂教学中的重难点为学生创造出良好的问题，让学生在创设的问题情境中进行思考，自主学习，通过物理模型的构建和实验探究，提升学生物理模型建构的能力，从而开展分析、综合、类比、归纳等科学思维活动，培养学生猜想、假设、科学推理、科学论证的科学探究能力.此外，通过生生合作，还能促进不同能力层次学生的发展.托里拆利实验是物理学中的重要实验之一，具有重要的教育价值.但是，由于原有教材对于本实验为什么这么做缺乏必要的铺垫，导致了学生理解上的困难.因此，为了突破这个难点，就必须在忠于教材的基础上，对教材进行一定的处理，补充假想实验和模拟实验的步骤，帮助学生理解为什么这么做和怎么做，为托里拆利实验的理解打下基础，注重对学生进行思维能力的培养，重视对学生进行科学精神和科学思想方法的熏陶和培养，体现学生主体地位，并在此过程中感受观察、分析、推理、间接测量、假想实验等科学的思想和方法，并体验学习的乐趣.

案例3.（1）大气压的产生原因.

提问：大气对处于其中的物体是否产生压强？

论据：类比液体内部压强，由于大气受到重力的作用，大气会对处于其中的物体产生压强，我们称它为大气压强.同样气体具有流动性，所以大气压也应该是向各个方向的.

（2）通过假想实验初步理解托里拆利实验原理.

提问：纸片很容易落下导致实验失败，有没有更加稳妥的方法呢？为什么没有水流出来？水对管口有没有压强？是不是不论管子有多长，水都不会流下来呢？大气压强托不住多高的水柱呢？

论据：知道大气压强所能托起水柱的最大高度就能间接地测出大气压强的值.在此过程中，学生初步理解了托里拆利实验测量大气压强的原理.

方法：引导学生首先从覆杯实验中寻找测量大气压强的方法，通过假想实验，使学生理解大气压强的原理：p大气=p液=ρ液gh.

（3）模拟托里拆利实验.

提问：如何利用液体压强替代大气压强？

论据：玻璃管足够长；选择密度大的液体；玻璃管内要装满液体（不能有空气）

实验：将实验用的瓶子加长直至1 m长，来试图寻找大气压强所能托起水柱的最大高度.学生模拟托里拆利实验如图4所示，当发现1 m长仍然不是最大高度的时候，引导学生讨论得出：换更长的管子或换用密度更大的液体，例如水银，并确定第2种方法为最佳方案.

图4 学生分组实验3

（4）托里拆利实验.

视频：观看托里拆利实验录像.

（5）大气压强的利用.

提问：同学们讨论一下生活中大气压强的应用.

举例：吸钢笔水、注射器抽药液、活塞式抽水机、离心式水泵等.

3 初中物理学习活动设计教学效果评估

课程标准在评价建议中倡导“立足过程，促进发展”的学习评价理念，所以多种评价方法，客观地评价学生发展状况才是目前的趋势（表2）.课堂评价是动态的交互过程，是学习过程相随的质性评价，要为课堂生成预留足够的开放空间.此外，课程标准在评价建议中还指出：注意多种评价方式的有机结合.我们应合理利用评价的诊断、激励、发展等功能，量化评价与质性评价、形成性评价与终结性评价相结合，激励学生改进学习行为，课堂观察、实验操作、作品展示等多种评价方式能全面了解学生学科素养的发展状况.通过以单元目标为导向的初中物理学习活动设计，学生对于托里拆利实验有了深刻的理解，假想实验和模拟实验，帮助学生知其所以然，为托里拆利实验的理解打下扎实的基础，突破了教学难点.

表2 初中物理学习活动设计教学效果评估要素

核心素养下的以单元目标为导向的初中物理学习活动设计改变了以往的应试教育教学模式，让更多的学生在快乐中学习，体验到了物理学习的魅力，让物理教学中的更多零碎的知识点有效的结合在一起，让学生在学习过程中形成了良好的学习习惯，落实了教学目标，培养了初中学生物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任等学科核心素养，为学生提供了真正有意义的学习.