基于物理学科核心素养的单元教学设计现状分析

李俊鹏 魏 洁

(1. 海淀区教师进修学校，北京 100195； 2. 北京交通大学附属中学，北京 100081)

《普通高中物理课程标准(2017版)》指出,物理教学应根据高中物理课程标准的基本理念、课程总目标和物理核心素养的要求,结合教学的实际情况,创造性地开展教学工作,将核心素养的培养贯穿于物理教学活动的全过程．必须把核心素养作为物理教学的重要目标,将“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”等核心素养的培养落实于教学活动中．在教学设计和教学实施过程中要根据具体教学内容和学生的认知水平创设情境,引导学生的科学探究,发展学生的科学思维,应把物理课程中所形成的物理观念和科学思维用于分析、解决现实生活中的各种问题,在解决问题中进一步提高探究能力、增强实践意识、养成科学态度,促进核心素养的形成．[1]

这便要求在教学中,要依据素养目标、教学内容以及学生的实际情况来进行整体性的教学设计以及活动安排,以发展落实学生的素养进阶为教学设计的起点和归宿,切实提升学生的核心素养．

华东师范大学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(学科素养与跨学科素养) ——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，[2]有利于教师在教学实践中培养学生的核心素养．

1 单元教学设计与发展学生物理核心素养的关系

“核心素养”不是直接由教师教出来的,是在问题情境中借助问题解决的实践培养起来的．[3]但是物理教学切不可过于强调思维素养和情感态度等上位诉求,而忽略了基础知识和基本方法的学习．物理学科核心素养是以丰富的物理基础知识储备,以及全面的物理基本方法为依托所建构起来的．单元教学设计就是物理学基础知识与方法和真实性问题情境间的桥梁．

1.1 学生发展“核心素养”的路径

图1 学生发展“核心素养”的路径

为了将物理学基础知识与方法,有效地转化为真实性问题情境,就需要进行单元教学设计,即从整个单元的角度出发,以单元教学中的教学内容以及承载的核心素养要素为载体,梳理主题单元结构下应该渗透的物理核心素养,重构知识体系,制定单元目标,开发单元活动,设计单元评价,选择恰当的角度、方式、思路、策略而进行教学预备活动．如图1所示,学生通过科学探究和科学思维两种认识方式,运用所学知识与方法,有效解决问题,加深对概念和规律的理解和升华,形成物理观念．同时,在这个过程中逐渐形成正确的科学态度与责任,养成关键品格与能力．由此可见,单元教学设计在其中起了关键的转化枢纽作用,使物理基础知识和方法更加贴近学生生活实际,更加丰富而充满意义．

1.2 核心素养目标的达成要以单元教学为途径

(1) 单元教学设计有利于系统规划学生核心素养的发展.

学科核心素养导向下的单元教学设计,强调以单元内容所承载的核心素养要素为进行单元教学设计的出发点．这样就使原来教学中比较隐性的素养目标的培养显性化．在进行单元教学设计时,能够对素养目标进行整体化思考和设计,有利于系统规划学生核心素养的发展．

(2) 单元教学设计有利于学生知识结构化的形成,优化学生的学科知识结构.

课时教学设计,教学活动的基本单位是课时,在教学实践中课时之间的联系往往不被重视,这就导致课时教学目标往往停留在碎片化知识层面,无法形成结构化知识体系．

单元教学设计凸显从单元整体的视角系统化的规划和组织教学活动,强调围绕核心概念构建单元知识结构图,关注单元内课时间的关联,能较好地避免课时教学设计在一定程度上造成的“知识碎片化”以及思想方法和认知方式上的割裂．更利于学生知识结构化和系统化的形成,学生能更好地深入理解物理概念和规律,建立概念和规律间的深入联系,逐渐形成学科素养．

(3) 单元教学设计使“大任务”、“大问题”的教学成为可能.

核心素养是学生在解决陌生复杂问题时表现出来的关键能力和必备品格．所以核心素养的培养,有赖于教学实施中创设具有挑战性的问题情境,引导学生加以解决．而课时教学创设的问题情境往往是具体的“小”情境,这种问题的解决难以形成素养,即使创设了“大”情境、“大”问题,课时教学设计,课时间的关联度不够,很难对“大”情境、“大”问题进行持续的解决．单元教学设计精髓在于整体性设计和有序化实施,虽然也是分课时实施教学,但课时间有极强的关联性,这就能够进行“大任务”、“大问题”的教学,能更好地指向素养目标的达成．

(4) 单元教学设计可实现素养目标的持续性培养.

素养目标的达成不可能一蹴而就,需要一个持续性的过程,原来的课时教学由于课时间的关联度不够好,很难实现对素养目标的持续性关注和培养．单元教学设计是一个相对完整和独立,需要一段持续时间才能完成的教学单位,可实现在该教学单位中以及相关单元间对素养目标的持续性培养．

2 单元教学设计应具有的基本特征分析

单元教学设计在学生核心素养的达成、情感的培养以及思维习惯与方法的形成等方面正在发挥其独特作用．一些研究者对单元教学的特征作了探讨．例如,倪昌国(1997)提出了单元教学的3大特点:目标的整体性、知识的系统性、训练的序列性;[4]孙丛丛(2014)指出单元教学的特征为整体性、高效性、组合性;[5]吕世虎(2016)把单元教学设计的特征总结为整体性、层序性、生本性、创造性，[6]这些研究都为单元教学设计特点的总结奠定了基础．结合当前单元教学设计的发展状况,提出核心素养导向下的单元教学设计的主要特征如下．

2.1 核心素养目标统领性

在进行单元教学设计时,要梳理单元教学内容与核心素养要素的对应关系,挖掘教学内容所承载的物理方法、跨学科概念、程序性知识与反省类知识等隐性知识．通过教学活动设计,将以上隐性知识与素养要素贯穿到教学设计的各个环节,通过教学实施聚焦于素养目标的达成．

2.2 教学内容整合性

从整合的视角分析单元教学内容,是物理学知识体系本身的要求,也是落实学科核心素养目标的要求．从学科知识的特点看，物理学是由事实、概念、规律与方法构成的系统化理论体系,物理学习本身要求学生从整体上建构知识体系;从物理学的教育功能看，物理学科知识体系的建构是将概念和规律提炼、升华形成物理观念的基础,它不仅为学生提供科学探究的思维框架,更是学生发展科学思维、进一步认识科学本质的重要支撑．在建构概念体系过程中必然涉及具体概念之间内在的逻辑关系,建构概念之间清晰的逻辑联系,有助于在学生头脑中形成良好的认知结构,而良好的认知结构能够促进解决问题的大思路的形成．因此以落实核心素养为目标的单元教学设计具有整合性．

2.3 教学任务情境性

物理概念的建立、规律的探究、应用物理知识解决具体问题等物理学习过程离不开问题情境．核心素养发展是以情境作为载体的．单元教学设计需要根据教学内容联系实际,在简化、剪辑与凝练人们的生产生活实践或者学生的学习探索实际情况基础上,设置适合学生学习、具有较大程度综合性、与所学物理知识相关的问题情境或者活动情境．让学生在尽量真实的问题情境中,经历科学思维和科学探究两种认识方式,完成问题的解决,提升素养水平．

2.4 教学评价持续性

由于单元教学设计是一个相对完整和独立,需要一段持续时间才能完成的教学单位,这样就使基于素养目标达成的持续性评价成为可能．因此,以落实核心素养为目标的单元教学设计应根据教学内容、所要达成的素养目标、学生学习活动设计等,设计持续的、方式灵活多样的评价,以监测和反馈教学,及时优化和改进教学设计,促进素养目标的达成．

3 单元教学设计现状分析

3.1 单元教学设计案例分析

本次分析的单元教学设计案例来自145份区域参评的高中物理单元教学设计,根据当时的参赛文件要求,教师所提交的单元教学设计必须是通过课堂教学实践过的,在课堂实践的基础上形成并提交参赛的单元教学设计．下面就根据单元教学设计的基本特征,对参赛案例存在的主要问题分析如下．

单元目标更多地是关注知识目标,对素养目标的关注不够,不能体现素养目标的统领性.

如编号33的教学设计,以“机械能守恒定律”为学习主题,单元教学目标为： 学生能够理解功和功率； 学生可以了解生产生活中常见机械的功率大小及其意义;学生能够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;学生能够理解重力势能,并知道重力势能的变化与重力做功的关系； 学生可以定性了解弹性势能;学生通过实验,能够验证机械能守恒定律,学生能用机械能守恒定律分析生产生活中的有关问题．

单元整体教学思路(教学结构图)的整合性不足,仅关注学科知识及课时安排,更像是章节目录,没有呈现单元课时之间的关联、教与学活动的整体规划以及学生素养的进阶发展设计．

如编号42的教学设计,以“万有引力与航天”为学习主题,设计的教学结构图及课时安排如图2所示．由此可以看出,在设计中仅关注了学科知识及课时安排,并没有体现出基于素养发展的知识间的整合性．

图2 万有引力与航天单元教学结构图及课时安排

教学设计中,缺少依托真实情境设计的与所学物理知识相关的挑战性任务或问题．大部分任务仍是根据知识展开的思考和提问，使得提问过多、过碎，不利于学生高阶思维能力的发展和素养的提升．

如编号51的教学设计围绕“圆周运动”展开．在活动设计中,设计了6个环节的教学活动,分别是:复习回顾,引入新课;圆周运动的定义;直观感受圆周运动,铺垫描述圆周运动的物理量;描述圆周运动;匀速圆周运动特点;物理量间的关系．在一课时的教学中,学生要经历6个环节的知识学习,平均每个环节不到7 min,对于环节与环节之间的关系,主要呈现为关于圆周运动知识点的逐个学习,没有基于真实情境的挑战性任务设计,学生的深度思维难以保证,素养提升更难以实现．

在单元教学设计中,持续性评价的设计既是重点也是实际操作中的难点．由于不能很好地基于所学知识,挖掘知识背后隐含的思想方法和素养目标等隐性知识,就不能很好地创设真实情境的评价任务．因此,大部分评价仍是指向知识掌握和理解的，需要学生经历科学探究和科学思维过程,调动所学知识及思想方法进行解决的评价设计比较少．

3.2 单元教学设计问卷调查分析

为了进一步了解教师进行单元教学设计的现状以及存在的问题,编制了“核心素养导向下的物理单元教学设计调查问卷”,问卷涉及对物理学科素养的内容、价值及培养方法和途径的认识;对单元教学设计的了解与认识;单元教学实施现状与问题需求3个维度,9个一级指标和26个二级指标．能较好地反馈教师对于物理核心素养以及培养途径、单元教学设计认识及实施中存在问题的情况．

2019年7月通过问卷星发放问卷,共有160名一线教师完成了问卷,平均用时507.63 s,大部分教师的答卷时间在10 min以上,从答卷用时上可以看出教师们还是比较认真地进行了思考和作答,最长用时更是达到了1960 s,答卷用时超过了30 min．参与调研的教师作答认真,确保了调研结果的可信度,利用SPSS软件计算克隆巴赫系数0.897,可信度很好．

(1) 答卷教师情况统计.

在参加作答的教师中,年龄在20-30岁的占6.25%,31-40岁的占31.25%,41岁及以上的占比达到62.52%．从教龄上来看5年以下教龄占比12.5%,6-10年教龄占比11.25%,11年及以上教龄占比76.26%．从职称上来看,中教二级及未定职称的占比11.26%,中教一级占比30.63%,中教高级及以上占比58.13%．从上面的分析可以看出,参与本次问卷作答的教师,有近60%是一线的骨干教师,调研结果能比较好地反映一线教学的真实情况．

(2) 对单元教学设计的了解与认识.

通过统计可以看出,基本认同单元教学设计比课时教学设计更能培养学生的核心素养的占比达到了94.4%,其中非常认同的占比达到了37.5%．有81.9%的教师认为单元教学设计更有利于学生整合学习内容,构建系统的知识体系,形成学科素养．在单元教学设计的整体原则中,教师对分析知识之间的内在逻辑认可度较高,达到了90%,对于分析物理学科素养与关键能力发展的载体和从认知角度剪辑物理学史素材的认可度较低,说明对于知识层面关注更多,相对弱化了思想方法及科学态度与责任方面．在单元目标的设计中,要依据课标和学生实际来设计目标的占比达到90%,对于单元目标要可分解,要能够以明确的过程与内容载体统领各教学环节的认可度较低，占比都低于50%．在单元教学过程设计遵循的原则中,落实以学生为中心的理念,尊重学生的认知基础,围绕学生的学设计教占比都在80%左右,对于围绕学生的思维等能力的发展,设计具有可操作性的教学过程占比在50%左右,相对较低．其中教师与学生可适当转换角色的占比不足40%,可以从一个侧面反映出,很多过程的设计不能很好地实现以学生为中心．

(3) 单元教学实施现状与问题需求.

通过统计可以看出,在日常工作中经常采用单元教学的占比为46.8%,偶尔采用的占比为51.9%．由此可见,经常采用单元教学的占比还是比较高的．在组织单元教学时,教师比较注重教学内容、教学活动与过程的整合,占比分别达到46.3%和30.6%．单元教学多以知识内容为主题和以真实情境中的任务为主题,占比分别达到50.6%和19.4%,以思想方法和核心素养为主题的单元教学占比为15%左右，相对较少．由此可见,在实践中进行的单元教学设计,多数还是集中在教学内容和教学活动的整合上．

在对单元教学设计各环节的认识情况中,如表1所示．有12.5%基本不清楚如何制定和撰写单元教学目标,有16.9%基本不清楚如何为学生设计挑战性任务和活动,有19.4%基本不清楚如何进行教学评价,有13.1%基本不清楚如何进行教学反思．这与前面单元教学涉及案例中反映出的问题是一致的．

表1 核心素养导向的单元教学设计认识情况

续表

在进行单元教学内容的整合时,遇到的困难主要集中在:与规定的教学进度相冲突,学生无法面对阶段性考试，对教材的把握不到位；担心自己对教学内容的调整不够科学、找不到合适的课时活动设计,导致不能很好地设计单元活动；对单元教学内容中蕴含的物理方法培养,核心素养培养等挖掘不到位等方面,这几个方面占比都在45%以上．教师认为开展单元教学过程中的障碍来自于:时间有限、理论水平与认识不足,进行单元教学设计的能力不够,担心做不好，缺乏经验指导，高考压力等几个方面,这几个方面占比都在40%以上．在进行单元教学设计时,教学内容的整合、教学资源的查找及教学流程的设计,教师们认为都比较耗费时间,占比分别达到了40%、21.9%和15.6%．为更好地开展单元教学,教师们提出的需求主要集中在:加强理论学习和指导、学习借鉴完整的单元教学优秀案例并结合理论进行剖析、通过研讨选定更适合进行单元教学的内容,以项目组的形式进行深入的实践探索等．

4 单元教学设计优化建议

核心素养导向下物理单元教学设计是一个动态发展,且循环提升的过程,针对物理单元教学设计中所存在的问题,为了提升高中物理教师单元教学设计的水平,更好地促进核心素养导向下物理单元教学设计的实施,提出以下几条优化建议．

4.1 提高对单元教学设计价值的认识

在问卷调查中可以看出,部分教师认为实施单元教学设计,是浪费时间、加重其教学负担．这就说明教师还没有真正认识到进行单元教学的价值．这就需要进行案例引领,引导这部分教师深度参与单元教学设计及实施过程,提高其对于单元教学设计在落实学生核心素养培养方面价值的认识,促进其进行单元教学设计的自觉性．

4.2 加强单元教学设计理论的学习

通过案例和问卷分析可以看出,现阶段的物理单元教学设计中,比较多的保留了传统课时教学设计的内容．这往往是对物理教学内容的本质、物理思维等的整体性、系统性的关注不足,没有充分发挥和体现出单元教学设计的意义与价值导致的．因此需加强对于物理单元教学设计理论的学习．针对单元教学设计案例中存在的问题,理论学习可重点关注以下3个方面:理清设计流程、各要素间的相互关系;明确要素分析的具体内容;理解单元教学目标的内涵．

(1) 理清设计流程、各要素间的相互关系.

例如在单元教学设计前期准备环节的教学步骤规划如图3所示．在进行单元教学设计时,要围绕教学具体内容以及所承载的核心素养目标,做好物理分析、教材分析、课标分析、学情分析,从而确定单元教学的重难点,根据突破重难点的设计选取合适的教学方式,这是一个有机的整体,需要整体考虑,系统化设计．

图3 前期准备环节

(2) 明确要素分析的具体内容.

要素分析是为更好地进行教学目标的设置,进而规划整个教学做准备,教师需要明白各个要素分析的意图,同时对于每个要素下具体需要分析什么内容,可以参考表2中的内容进行分析．

表2 要素需要分析的内容

(3) 理解单元教学目标的内涵.

教学目标并不是教学任务,也不是课程标准中具体的内容标准．单元教学目标不是课时教学目标在量上的简单累加．教学目标需要教师在对教材、学情、课标等分析的基础上,根据自身的教学需求设置．单元教学目标的设置,不仅仅是对整个单元教学所要达到的结果的一个整体预期,并且要凸显出对整个单元教学的整体性与统领性．与课时教学目标不同,它既要有对物理知识能力的整体要求,也要体现出通过整个单元的学习学生所应达到的基本物理素养．

4.3 积极组建教学团队进行集体攻关

在教学实践中我们发现,进行单元教学设计远比课时教学设计要复杂得多．教师需要更强的对教学内容、教材以及学生的驾驭能力,需要投入更多的时间与精力,这对于单个教师来说挑战性相当大,再加上多数教师迫于学校教学进度的压力,在日常工作中对于单元教学设计的实施受到影响．因此,学校可以以本校教研组构建起一个氛围良好、积极的教学团队．通过合理分配单元教学设计的任务,加强教师间的互助交流,及时的实践反思等手段进行集体攻关．同时在教学具体实施过程中以及一轮教学结束后,还需要进行集体反思,改进原教学设计中的不当之处,这样使得单元教学设计处于一个循环改进,不断完善的过程中．经过几轮的优化,就可以形成本校特色的学科课程,也促进教师的专业成长．

单元教学设计作为落实核心素养目标的有效手段之一,已经得到广泛的认可和积极的教学实践．但是我们也要正视实践中存在的问题,积极想办法加以克服和应对,避免仅停留于理论层面的预设,使素养目标的达成真正落地．