基于深度学习的高中物理单元教学实践探索与理论思考

邓艾

摘   要：为切实培养学生的物理学科核心素养，尝试以深度学习理论为支撑，从大单元视域进行整体化教学设计。以人教版高中物理新教材必修一前两章内容为例，结合单元教学的设计理论，从单元教学主题确定、单元教学目标、单元教学任务、单元教学重点活动等方面给出本单元教学设计的基本思想和设计理念。根据本单元教学的实践情况，对单元教学的实施进行总结，供同行借鉴与参考。

关键词：深度学习；单元教学；核心素养；运动学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2023）6-0021-5

新课改对中学阶段学科教学提出具体要求，即注重发展学生学科核心素养。广大的一线教师以课堂教学为主战场，是贯彻新课改理念最关键的一棒。在课堂教学设计上应突出以核心素养为导向，侧重主干知识的讲授，强化基础知识，注重物理观念的有机生成。在教学中，应以实际情境作为载体，构建物理模型，培养学生的科学思维，促进关键能力的提升。

以核心素养为导向，基于不同理论支撐的教学模式在一线教师的课堂中取得广泛的应用。本文在大单元视域下，尝试基于深度学习理论的单元教学模式。深度学习是指学习者积极主动地、批判性地整合新知识，并以深度理解为起点、以新情境中的迁移为导向、以解决复杂问题和创新为目标的高层次的学习方式。单元教学的目的是促进学生深度学习，发展学生的高阶思维能力［1］。

大单元教学打破现有教材的课时限制，突出知识结构的完整性和知识内容的系统性，以单元为主题进行教学。实施单元教学要有明确的单元教学主题，根据主题确定单元教学大目标，进一步分解单元教学大任务。单元教学设计不是完全打破教材内容的编排，还要参考高中物理课程标准、高中物理新教材以及相应的教参，同时结合具体内容的关联性和学生的实际学情。心理学家维果茨基提出，要抓住最近发展区，教学应着眼于学生的最近发展区，为学生提供带有难度的内容，调动学生的积极性，发挥其潜能，超越其最近发展区而达到下一发展阶段的水平，然后在此基础上进行下一个发展区的发展。在大单元教学中，教师根据知识关联性，抓住学生学习思维发展的关键期，通过重新编排教学内容，积极推动学生进入下一个发展区。

1    单元教学实践过程

本文以人教版高中物理新教材必修一第一章《运动的描述》和第二章《匀变速直线运动的研究》为例，详细论述单元教学模式的具体实践过程。

1.1    单元教学主题

本单元的主题为“机械运动与物理模型”。因这两章以运动为主线，知识体系和课程架构很完备，可以构成运动学比较完整的知识体系。从运动的科学描述所引入的物理量，到理论研究匀变速直线运动，再到探讨匀变速直线运动的实例——自由落体运动（图1），本单元教学的实施有利于促进学生研究机械运动时形成一个完整的物理图景，为后续学习复杂运动打下坚实的基础。

1.2    单元教学教材分析与学情分析

本单元是继序言部分，学生从初中物理正式进入高中物理学习的内容。初中物理重点学习运动的绝对性与运动状态描述的相对性；以匀速直线运动为模型，知道速度的计算式。高中物理在运动状态的描述上，从更加科学、严谨的角度区分位移与路程、速度与速率、平均速度与瞬时速度等基本概念。在此基础上，引入质点模型方便分析问题时确定研究对象，引入加速度概念更加精确地描述运动速度变化的快慢。其中，加速度概念比较抽象，学生理解起来比较困难，是概念教学的难点，也是单元教学的核心概念。

匀变速直线运动是直线运动的重要模型，在基本公式和相关推论的推导中可以渗透科学推理与科学论证能力的培养。借助匀变速直线运动的一系列图像，强化数学知识与物理问题的融合，培养学生的信息获取能力。规律推导是物理规律生成的重要阶段，引导学生经历规律推导的过程，体会物理规律推导渗透的思想方法。同时，经历规律推导进行相应的习题训练是重点，能夯实学生对匀变速直线运动规律的理解与认识。

自由落体运动是匀变速直线运动的实例，匀变速直线运动相关的公式和推论都可以迁移至自由落体运动，通过自由落体运动进一步强化对匀变速直线运动规律的认识。同时，应引导学生明确其特殊性，引发他们思考自由落体运动与实际生活相关的应用。结合课本上伽利略对自由落体运动的研究素材的学习，体会伽利略利用逻辑推理与理想实验结合的科学研究方法。

基于上述分析，本单元建议用6个课时（习题课除外），其中，概念教学2个课时，规律推导2个课时，规律应用2个课时。

1.3    单元教学目标确定

单元教学目标如表1所示。

1.4    单元教学设计及重点活动

本单元以匀变速直线运动为主线，从生活中常见的运动提炼科学描述物体运动所需的物理量。以加速度这个物理量作为桥梁，将一般性运动过渡至特殊性的匀变速直线运动，基于匀变速直线运动进行速度、位移相关公式的推导。最后回归生活实例，进一步探究身边最简单的匀变速直线运动——自由落体运动。单元教学结合内容的完整性、知识的关联性、思维的顺序性、认知的规律性等，精心设计每个教学环节，确保学生理解匀变速直线运动规律时具有清晰的思维脉络，应用匀变速直线运动规律解决实际问题时具备结构化的知识体系。

在概念教学环节，我们的教学流程以及每个教学环节对应的核心素养目标如图2所示，为使概念引入更加自然，概念理解更加鲜活，我们以简单的概念作为切入点，通过情境创设，逐步深化概念教学。在概念引入时，让学生以身边丰富多彩的运动过程作为情境进行讨论，以真实的素材情境为依托，增强感性认识。物理是一门以实验为基础的学科，实验可以提高学生学习的积极性与主动性，提升学习的兴趣。实验可以深化学生对理论的理解，通过实验可以培养学生发现问题并解决问题的能力，通过实验可以提高学生的科学探究能力。例如，在加速度教学中，我们利用光电门传感器测量小车在导轨上运动的加速度，强化学生对加速度公式的基本应用。总之，在概念教学的环节，我们也仍然从理论和实验两个方面展开。

在规律推导环节，我们充分发挥学生的主观能动性，让学生经历各个公式的推导过程（图3）。通过学生的亲自体验，强化科学推理能力，同时提高诸多公式的记忆牢固程度。文字、图片、图像构成信息传递的符号，其中图像是物理学科中揭示物理规律变化的一种重要的手段。本环节以物理思想、物理公式、物理图像作为助力物理规律研究的三个不同切入点。实际教学中，在规律推导的基础上，以合适的、恰当的习题巩固规律的理解与应用。

物理学科是一门以实验为基础的学科，良好的物理教学效果离不开实验的探究与体验。在规律应用环节，围绕自由落体加速度测量的实验方案的设计，通过实验设计、实验操作、数据处理与误差分析，提高实验探究能力（图4）。通过匀变速直线运动类比推理自由落体运动的相关公式，再根据自由落体运动推理竖直上抛运动的相关公式。实际分析与自由落体运动相关的实例，提高学生的模型建构能力与科学推理能力。

下面我们重点展示两种测量方案以及相应的实验结果。

方案一：重锤下落，拖动纸带运动，测量重力加速度。

实验仪器：重锤，铁架台，纸带，电火花打点计时器，刻度尺（图5）。

实验原理：利用匀变速直线运动的推论Δx=aT²，计算下落过程的加速度。

实验结果：重力加速度g=9.55 m/s²。

实验误差：纸带与打点计时器限位孔之间阻力的影响。

方案二：手机拍摄钢球下落视频，导入Tracker软件分析位置随时间的变化，如图6所示。

实验仪器：小球，手机，电脑，刻度尺。

实验原理：利用Tracker软件搜索小球位置，并绘制下落过程的x-t图像（图7）。

实验结果：重力加速度g=9.68 m/s²。

实验误差：视频录制时手机抖动引入的误差，视频软件中定标尺引入的误差。

在单元教学最后，为突出物理学科核心素养，我们以运动学大单元为知识框架，对本单元进行总结（图8）。

1.5    单元教学反思与总结

为突出单元教学的思想，我们在教学活动的细节设计上，主要从以下几个方面着手：

（1）从加速度的定义式出发直接过渡至匀变速直线运动的定义，使得教学节奏比较紧凑，学生的思维过渡比较自然。

（2）为突出微元法思想，我们特意预留一个环节，让学生分别计算当时间间隔由Δt=0.1 s减小至Δt=0.05 s时，计算0.5 s内位移的理论值与拉出纸带对应的位移测量值之间的差异。这个过程让学生的体验更深刻，理解更牢固。

（3）在明确位移-时间关系与速度-时间关系的情况下，迅速进入推导位移-速度关系，使得学生对几个基本公式有了整体性认识。

（4）在自由落体运动加速度测量的实验方案设计中，学生的课堂表现非常突出。根据自身的经验，设想运用不同的实验道具，提出不同方案。师生一起从方案的可行性、科学性、操作性等方面深入探讨，最终我们选定其中的两种方案进行实验研究。

（5）在单元教学的课堂总结方面，我们从物理概念、物理模型、物理思想三个维度进行总结，突出物理学科核心素养的主导地位。

2    总结与展望

大单元教学不是简单压缩原来一节课时的时间，快速推进整个章节的内容。单元教学也不是全部推翻常规课堂的教学理念和手段，只是在活动设计上更加紧凑。教师在备课阶段需通过整合不同章节知识体系和教学资源，从实验感知、概念引入、规律推理、规律应用等方面进行整体设计。在单元教学主题的确定上，依赖于学生的实际情况，既可以是课本上两个单元内容的整体设计，也可以是课本上一个章节的组合，也可以是某个模块化知识的系统学习。总而言之，单元教学的落脚点是突出知识结构的完整性。设计单元教学活动时，在突出学生主体地位的同时，教师要创设真实的问题情境，提供丰富的教学资源，让学生身临其境地感受知识的发生、发展与发现过程，激活学生的求知与探索欲望。设计单元教学问题时，注重基础性、开放性、实践性。以情境为载体，逐步实现知识的感性认识向理性抽象的飞跃。布置单元教学作业时，突出灵活性、操作性、趣味性。

参考文献：

［１］田成良，王峰．深度学习下单元教学的重点、难点与路径——谈物理思维课堂的建构策略［Ｊ］．物理教师，２０２１，４２（３）：１４－１７．（栏目编辑    劉   荣）