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

王美芹 柴丽苹

(1. 北京市密云区教师研修学院,北京 101500; 2. 首都师范大学附属密云中学,北京 101500)

2017年版普通高中各学科课程标准“凝练学科核心素养”“重视以学科大概念为核心,使学科内容结构化”．华东师范大学终身教授、博士生导师钟启泉教授认为单元设计在课程开发与教学实践中起着举足轻重的作用:“核心素养—课程标准—单元设计—课时计划”是学校课程发展与教学实施环环相扣的4个链环．单元设计更被认为是撬动课堂转型的一个支点．单元教学目标是单元教学设计的灵魂,是单元教学活动实施的方向和预期达成结果的纲要,是安排单元教学活动的出发点和归宿点．因此如何紧紧围绕学科核心素养进行单元教学目标设计,是一线物理教师必须面对和亟待解决的课题.

本文以人教版高中物理教材选修3-1第3章 “磁场”单元为例,探讨高中物理单元教学目标设计的实施路径与策略.

1 目前高中物理单元教学目标设计存在的主要问题

单元教学目标的设计存在以下一些值得思考和重视的现象:例如在教学设计中将教学过程及相应的活动作为教学设计的重点而忽略教学目标的设计;将课标中的相关要求照抄下来作为单元教学目标;显性知识目标比较清晰,忽略隐性知识目标;在单元教学设计中,直接将每节课的教学目标汇总作为单元的教学目标;考试和评价与单元教学目标不相关等.

2 单元教学目标设计路径

单元教学目标的确定主要有3个依据:教材、课标和学生．教师应通过研读课程标准和教学指导意见,分析教材以及学生情况,做出学生学习路径的进阶分析,依此确定单元教学目标.

2.1 依据内容分析从大概念的视角聚焦整合单元教学目标

所谓大概念(big ideas)也被译为大观念、核心观念、核心概念等,依据所适用的范围不同,大概念有跨学科大概念和学科大概念之分．所谓学科大概念,是指能反映学科本质,居于学科中心地位,具有较为广泛的适用性和解释力的原理、思想和方法．从大概念的视角确定单元教学目标,可以帮助学生从整体上把握物理概念和规律,有利于学生建构物理学知识体系和认知方法体系,使整个学科的知识与方法形成一个整体,在知识学习中领悟科学本质、发展科学思维与科学探究能力．因此,在一段时间跨度内围绕核心概念组织建构概念体系,规划教学内容,确定教学单元目标,既有利于学生围绕核心概念建构概念体系,更有利于在学习中体会物理知识的内在一致与和谐,同时能够强化物理学与实践、物理学与生活之间的联系,是学生提高物理观念水平、提升物理学科核心素养的重要组成部分.

学习内容分析是单元教学设计的重要准备工作．单元教学目标确定之前教师要根据课标要求,对教材的单元设计意图进行深入研究,判断教材安排的合理性,对本单元知识从背景、教育价值、功能以及具体概念之间的逻辑关系等方面进行分析.

解读课标及教材,笔者的具体尝试是:整合教学内容,梳理出以大概念为核心的单元框架图,然后对框架图解读.对于学习内容的解读可以从显性知识和隐性知识层面进行:显性知识包含知识体系的建构过程,本单元知识与原有知识的联系和对知识体系发展的作用等;隐性知识包括对于世界的认知方式、跨学科概念的整合与发展,对于学生思维能力的发展、思维方式以及价值观念等产生作用的内容.

2.2 依据学情分析确定单元教学目标

根据课标确定教学内容之后,需要根据学生发展需要确定单元教学目标．在教材、课标与学生之间,要以学生需求为纲．学情分析是对学生的学习情况进行分析,主要包括: (1) 学生所学概念相关的前概念和生活经验．特别是学生头脑中是否存在顽固的错误前概念．(2) 学生已有的知识基础．包括形成科学概念所依据的物理现象与事实，相关的物理概念与规律,物理概念的建立方法,所应用的数学知识等内容．(3) 学生经历的探究过程和学过的方法是否对新概念有帮助,学生是否具备概念的理解和应用所要求的认知能力,学生对概念的学习是否感兴趣,概念容易与学生哪些生产、生活实际和已有的知识内容相联系.(4) 学习进阶的关键点及其影响因素以及学习进阶终点分析.

2.3 依据学习进阶确定单元教学目标

学习进阶是学生在各学段学习同一主题概念时所遵循的连贯的、典型的学习路径的描述,一般呈现为围绕核心概念展开的一系列由简单到复杂、相互关联的概念序列．围绕大概念规划单元教学内容,就是把大概念统领下的大量具体概念、规律、原理等具体教学内容按照一定的逻辑线索组织成由浅入深、由简单到复杂的带有层级的结构化教学素材．[1]这样组织起来的单元教学内容从知识角度看是具有内在逻辑关系的结构化知识体系,从认知角度看更具有一定的认知层级,它们在认知水平上具有由浅入深、由简单到复杂的特点．学习进阶伴随知识刻画了思维过程由浅入深、由简单到复杂的思维发展层级,为围绕大概念结构化知识体系,进行单元整体教学活动设计提供了强有力的支撑．因此建构围绕大概念建构知识体系,基于学习进阶理论规划单元学习层级,设计每个层级包含的具体教学内容,是设计单元目标的重要步骤．以学习进阶为工具,根据科学的逻辑和认知发展线索,进行一个单元或主题的教学目标设计,[2]引用以下重要意义．第一有利于从宏观层面规划单元或主题内容,形成核心概念统领的科学概念体系． 第二有利于整合教学内容,厘清单元教学主线．第三有利于组织影响概念学习的相关因素,安排教学活动、制定教学策略．既有利于学生围绕核心概念建构概念体系,更有利于在学习中体会物理知识的内在一致与和谐,有助于发展学科思维与科学探究能力等核心素养目标.

3 单元教学目标设计策略

3.1 单元知识目标设计需要挖掘上位概念,统领单元各环节

教师进行单元目标设计关键是要从大概念的视角寻找学生日常概念与科学概念之间的差距,是在学生原有认知的基础上建构新概念,是对基本概念的不断追问,以及在追问中触及的方法和态度．单元知识目标设计就是要确定学生学习的知识结构而不是一个一个的知识点．而建立知识结构的过程就是对更基本的概念不断追问的过程．随着知识理解的深入和知识水平的提高,逐渐感悟知识形成的思维方法、生活体验和态度,才能真正培养学生的能力和态度,提升学生的素养,才能真正体现知识学习的根本价值.

3.2 单元方法目标设计要体现对基本概念的方法论思考

单元目标的设计关键是要寻找学生已有思维方法与基本概念背后的科学思维方法的差别,以及将学生思维方法的发展过程显性化．单元方法不应该是具体的方法,而应该是学科中重要的思维方法,例如物理学科中比值定义物理量的方法,理想化的思想方法、以及微元法等.这些方法蕴涵在学科基本概念的形成之中．方法的培养如同知识一样,也是从学生已有的思维方法出发逐渐发展形成科学的思维方法,并且当学生的思维方法跟进的时候,新知识才会得到更好的理解．在教学设计和教学过程中,教师们往往关注学生知识的获得,实际上,教学最重要的价值是将隐性的内容显性化．思维方法是比较隐性的内容,通过直观的方法将其显性化,便于学生形成内省能力,这对于学生发展是极其重要的.

3.3 单元态度目标设计要体现对基本概念和方法论背后态度的思考

单元目标的设计关键是寻找学生已有态度与基本概念和方法背后的科学态度的差别,以及将学生态度的发展过程显性化．日常教学中教师们往往觉得科学态度是抽象的,当态度与概念和思维方法相联系时,态度才是具体的,也才能被学生真正地理解．例如,学生在初学受力分析时往往忽略运动状态分析,习惯用平衡观点去分析受力.这大大影响了他的解题能力．当用联系的观点分析力和运动,解题能力有所提高时,对“联系”的思想和态度才有深入理解．经常和学生一起分析自己的情感态度价值观,对于学生真正成为学习的主人,是非常必要的.

4 单元教学目标设计案例

单元教学目标的设计应包括:学习内容分析、学情分析、单元重难点及分析、单元教学目标.下面以人教版高中物理选修3-1“磁场”单元为例进行说明.

4.1 学习内容分析

4.1.1 对课标[3]要求的理解

课标要求通过对磁场相关知识的学习,让学生了解磁场的物质性,培养学生的物质观念．通过建构电流的微观模型,分析安培力与洛伦兹力的关系．分析带电粒子在匀强磁场中运动规律,分析安培力做功与能量转化的关系,培养学生运动与相互作用观念和能量观念．通过建立磁感线模型,体会物理模型在研究实际问题中的重要作用,通过磁感应强度概念的建立,进一步理解比值定义物理量的方法.

课标要求通过实验认识磁场;通过实验探究安培力和洛伦兹力的大小和方向的规律;通过实验研究带电粒子在匀强磁场中的圆周运动,体现重视探究过程,重视引导学生对实验现象进行分析与归纳,概括实验结果的本质特征,提升学生对实验结果进行定性和定量分析的能力.

课标要求通过观察磁电式电表的内部结构,了解磁电式电表的工作原理．通过观察阴极射线在磁场中的偏转现象,了解带电粒子在磁场中偏转的原因．观察洛伦兹力演示仪的结构,定性讨论电子束偏转的原理．了解质谱仪和回旋加速器的工作原理．体现重视物理实验的研究方法、重视知识与生产生活的紧密联系,让学生了解科学知识在人类发展史上的重要地位和作用,提升科学态度与社会责任.

4.1.2 内容分析

内容分析的具体操作是在以课程标准为标为纲明确设计意图的基础上,以教材为基础梳理出以大概念为核心知识结构图及认知思路图,然后对本单元知识从显性与隐性两个层面进行解读,接下来以“磁场”单元为具体实例说明对教学内容的整合分析与解读方式.

(1) 整合单元知识,梳理出以大概念为核心的单元框架图并进行解读,如图1所示.

图1 围绕大概念建构《磁场》单元知识结构图

本框架图展示了以学科大概念“能量”和“相互作用”为核心的简要电磁学体系,其中电场、磁场、电流、以及电磁感应是学科大概念统领下的与电荷相关的4个主题概念．电流是运动电荷的宏观表现;电磁场、电磁波是能量的不同存在形式的;电磁感应则是其他形式能与电能的转换;电磁场通过电荷、磁极、电流之间的相互作用来认识与表征．单元主题概念与学科大概念、与单元其他概念之间的关系比较清晰地呈现出来．解读本框架图如下.

① 单元知识的产生和发展.本单元是在学习电场知识之后进一步学习磁场的相关知识．在学习电场、点电荷、电场线、电场强度、电场力等概念的基础上,进一步学习磁场、电流元、磁感线、磁感应强度、磁通量、以及安培力和洛伦兹力等概念,后续将进一步学习电磁感应、电磁场和电磁波等知识.这些均围绕相互作用与能量两个核心主题展开.

② 对知识之间的联系和知识体系分析.静止的电荷产生电场,运动的电荷产生磁场．从奥斯特实验开始的科学发展的历史,揭示了电和磁有着密不可分的联系,本框架梳理了中学物理电磁学:电场、电路、磁场、电磁感应、以及电磁波这些相关主题概念之间的逻辑关系以及它们之间蕴含的物理学认识方式．电场与磁场是对电荷“运动与静止”两个不同视角的认识的产物;磁场与电磁感应则蕴含变与不变的认识方式;电磁感应与电磁波则对应“实物”与“场”两种认识对象的思考.

(2) 结构化单元知识、梳理认知主线并挖掘隐性知识.

例如:梳理磁场单元知识结构图并结合学生认知发展梳理认知主线分别如图2、图3所示.

对上述结构图及认知思路图的解读:

① 本单元认知主线梳理:以类比电场的研究思路展开:磁现象(磁效应)、磁场性质的描述、磁场力的性质(对电流和运动电荷的作用)、安培力和洛伦兹力的应用．类比电场、点电荷、电场线、电场强度、电场力,建立磁场、电流元、磁感线、磁感应强度、洛伦兹力和安培力的概念,逐步形成对“场”物质的认识方式,让学生体会认识世界的“大思路”.

图2 磁场单元知识结构图

图3 磁场单元认知主线

② 本单元蕴含的物理思想方法.用类比的方法建立磁感线模型,利用“电流元”模型和比值定义法定义磁感应强度,对磁场从定性与定量两个角度进行描述．从宏观和微观两个视角解释磁场产生、对安培力与洛伦兹力的关系进行推导,帮助学生建构宏观与微观的本质联系,是对“场”物质认识方式的一次飞跃,同时也进一步建构电磁场知识体系和方法体系的联系,为进一步学习和理解电磁感应以及电磁波的知识奠定了基础.

(3) 跨学科概念及教育价值分析.

① 对“磁通量” 概念,可拓展至跨学科概念“通量”．“磁感线”定性描述某点磁场的强弱和方向,把“磁感线”对场的描述从点拓展到面,建立了“磁通量” 概念,进而发展至跨学科概念“通量”;在建立安培力与洛仑兹力关系时,重现了电流微观解释中“圆柱状流体”模型,再次把“通量”概念从固体拓展到流体,视角从“面”延展至“体”,不仅帮助学生再次建构流体微观模型,建立“宏观”与“微观”的联系,更能体会从“点”到“面”到“体”不同视角认识和描述事物属性的大思路.

② 本单元通过实验认识磁场.探究安培力、洛伦兹力的大小和方向,约定磁场的方向,有助于培养学生通过观察实验现象,分析本质规律的思维习惯;帮助学生理解“场”物质认识方式,发展“物质观念”“能量观念”“运动与相互作用”观念,提升学生实验探究和分析、推理及论证能力.

③ 通过了解奥斯特实验、STS的重要素材“指南针与郑和下西洋”和安培力与洛伦兹力在现代科技中的应用等,了解人类认识世界过程中的艰辛与执着,理解科学知识在人类发展史上的重要地位和作用,培养科学态度与社会责任并激发学生对科学本质的探寻欲望.

4.2 学情分析

(1) 认知基础(学习起点).

① 物理观念层面:学生在初中已经了解一些磁现象,对磁场有了初步的认识,能用磁感线粗略描述磁场．经过电场知识的学习,学生对“场”的概念和“电场”是电荷间相互作用的媒介有了初步认识.

② 科学思维层面:经历质点模型、点电荷模型、检验电荷模型等物理模型的建构过程,学生已经具备一定选用恰当的模型解决问题的经验,能将简单的实际问题转化为物理模型、并用来分析常见的物理问题,获得解释和结论.

③ 科学探究层面:能通过物理现象提出要探究的物理问题,做出初步的猜想;能设计简单的方案验证自己的猜想,能通过分析数据形成正确结论,能通过交流,用语言和图表陈述实验过程,表达观点和结论.

(2)学科前概念(有利概念和错误概念).

对于“磁相互作用”学生有比较丰富的生活经验,但与磁场的科学概念建立尚存在相当大的差距;由于电场与磁场存在相似性,也会造成一部分同学对磁场与电场相混淆,例如磁感线与电场线的性质混淆,磁感应强度与电场强度的性质、磁场力方向与电场力方向混淆;对于“通量”学生头脑中有一定的生活经验,因此会有各种各样的模糊认识,但“通量”大小与选取的面积无关的性质,正向与反向的磁感线条数之差等于磁通量等都是较难理解的,学生头脑中缺乏这类模型,因此建构“磁通量”比较困难.

(3)认知关键点(思维障碍).

① 对大部分学生来说,“场”是一个十分抽象的概念．场看不到,摸不着,因此学生感受不到场的存在,在理解“场是一种物质”时,学生会存在一定困难.

② 在应用左手定则判断安培力(洛伦兹力)的方向时,安培力的方向与磁场的方向、电流的方向3者不但不在一条直线上,而且不在一个平面内,由于学生缺乏三维空间想象的能力,会影响到对左手定则的理解和应用.

③ 磁感应强度的大小和方向:不理解电流元;不理解为什么定义磁感应强度的大小和方向,不都用磁极或电流元统一起来;磁感应强度为什么不叫磁场强度.

④ 学生对比值定义物理量未能上升到“是描述事物本质属性的物理量”的高度．对于比值定义物理量的重要意义,应在每次应用时循序渐进地逐步深化和理解.

4.3 单元学习重点和难点分析

(1) 磁感应强度概念.

(2) 安培力与洛伦兹力及其关系.

(3) 洛伦兹力在生活实际和科技发展中的应用.

重点分析:磁感应强度是电磁学的基本概念之一,是学生认识磁场,形成“场”的概念的基础,且概念的定义过程蕴含重要的物理思想方法——比值定义法,所以是本单元的重点．安培力和洛伦兹力是场物质与宏观导体、微观粒子的相互作用,是发展运动与相互作用观念的重要知识载体．由安培力的表达式推导出洛伦兹力的表达式的过程,深化了柱状流体通量模型,帮助学生建立起宏观和微观量之间的联系,有助于学生从宏观与微观角度对磁场本质进行理解,建构微观电流模型分析安培力与洛伦兹力的关系,分析安培力做功与能量转化的关系,分析洛伦兹力在能量转化过程中所起的作用,深入理解洛伦兹力不做功的含义．对培养学生逻辑思维能力和发展学生物质观念、运动与相互作用观念有重要的意义,所以该内容是本单元的重点．带电粒子在匀强磁场中运动的实例,如质谱仪和回旋加速器等,对培养学生综合运用力学知识和电学知识的能力,培养学生科学推理和逻辑思维能力,以及了解物理学知识在现代科学技术领域的应用都有着重要的意义,所以是本单元的重点内容.

难点分析:磁场对于学生来说很抽象,如何寻找描述磁场强弱和方向的物理量,磁感强度的定义的过程,是本单元教学的一个难点．建构物理模型,分析宏、微观之间的关联,对学生来说也是思维难点.

4.4 磁场单元教学目标

(1) 联系生产生活实际认识磁场,再现并补充已有的事实经验,分析归纳磁现象的共同本质是由运动电荷产生的．通过实验探究、类比等研究方法,经历建构磁场、磁感线、磁感应强度等概念过程,从定性与定量,宏观与微观两个角度对磁场性质进行描述,体会二者的区别与统一.

(2) 通过实验探究归纳总结安培力和洛伦兹力大小和方向的规律,体验探究过程并对实验现象进行分析与归纳,师生合作概括实验结果的本质特征,体验对实验结果进行定性与定量分析过程,提升思维能力．观察洛伦兹力演示仪与阴极射线在磁场中的偏转现象,合作分析带电粒子在磁场中的偏转的原因并对其轨迹做出解释．探究归纳带电粒子在匀强磁场中做匀速圆周运动规律并建构运动模型.

(3) 师生合作从力与运动的观念和能量的观念分析安培力与洛伦兹力做功与能量转化．通过安培力和洛伦兹力的学习进一步认识场物质,体会“场”环境中的能量、运动与相互作用．结合原有知识对重力、电场力、磁场力进行分析和比较,掌握3种力的大小和方向的特点,能区分3种力在做功方面的异同．能从运动与相互作用和能量的角度处理带电体在复合场中的运动问题．了解安培力和洛伦兹力在生产生活中的应用．体会科学技术对社会发展的意义.

总之,高中物理的单元教学目标设计作为高中物理课堂实施的行动纲要,是单元教学行为和学习成果的明确阐述．核心素养导向下的高中物理学教学单元目标设计必须体现物理学“物”的“基础”和“理”的“灵魂”,融入学生的思维、态度以及情感,是在一个具体阶段上达成的、有助于学生形成终身发展和社会发展需要的关键能力和必备品格的阶段目标.