基于UbD理论开展初中物理教学

彭夷

摘要：UbD理论认为，为达到“理解”这一教学目标，最好的设计应该“以终为始”，从学习结果（预期目标）开始逆向思考。以《探究凸透镜成像的规律》一课为例，阐释基于UbD理论开展初中物理教学的基本步骤：确定预期的学习结果，也就是学习目标的确定，可立足课标及“教”与“学”的分析;匹配合适的评估证据，即发掘评价学习目标达成的显化证据;设计学习活动，即制订指向目标、基于证据的学习活动计划，可规划利于实践的问题链与实验项目。

关键词：UbD理论;初中物理;《探究凸透镜成像的规律》

本文系江苏省第十三期教研课题“基于课堂四要素的学校教学变革”（编号：2019JK13L062）、无锡市教育科学“十三五”规划立项课题“单元设计视域下的项目开发与实践研究”（批准号：D/D/2018/019）的阶段性研究成果。UbD（Understanding by Design）意为追求理解的教学设计，是美国课程专家格兰特·威金斯和杰伊·麦克泰在继承与创新“目标导向”模式基础上开发出来的一种教学设计框架。UbD理论认为，为达到“理解”这一教学目标，最好的设计应该“以终为始”，从学习结果（预期目标）开始逆向思考，即“逆向教学设计”。其基本步骤为：确定预期的学习结果，也就是学习目标的确定;匹配合适的评估证据，即发掘评价学习目标达成的显化证据（包括收集的数据、探究过程中的外显行为等）;设计学习活动，即制订指向目标、基于证据的学习活动计划。下面，以苏科版初中物理八年级上册《探究凸透镜成像的规律》一课为例，具体阐述基于UbD理论开展初中物理教学的实践与思考。

一、目标设计：立足课标及“教”与“学”的分析

课时学习目标旨在让学生明确学习的概念、规律以及获取相关知识所需要掌握的技能，同时明确获取概念和规律的相关过程以及评价指标。在设计课时目标之前，教师首先应该分析课程标准的要求，明确相关知识在整个单元知识体系中的地位;然后，通过单元分析，在普通概念的基础上，提炼核心概念以及大概念;最后，通过“教”与“学”的分析，确定概念、规律在建构过程中的进阶路径。这样，就能从上位的视角把握概念、规律的建构过程，使教学更有整体感，也使学生的学习更加体系化、结构化。

（一）课标分析

“光”主题的内容属于《义务教育物理课程标准（2011年版）》（以下简称《课标》）“科学内容”中一级主题“运动和相互作用”下的二级主题“声和光”。《课标》中对这部分内容的相关要求与建议详见表1。

由《课标》的描述可知，“光”主题的内容是按照图1所示的层级结构展开的。由此，我们可以得到“光”主题内容的大概念为“光学规律的实践应用”，而“探究凸透镜成像的规律”是物理概念与实践应用的桥梁。

（二）“教”与“学”分析

1.教材分析

光的折射是“光”主题中的基本内容，透镜是光的折射的主要应用之一。苏科版教材中的有关内容包括“光的折射”“透镜”“凸透镜成像的规律”“照相机与眼球视力的矫正”“望远镜与显微镜”等。探究得到凸透镜成像的规律后，就能解释投影仪、照相机的工作原理，就能分析眼球的成像規律，而望远镜和显微镜可以理解为人眼视力向宏观和微观的延伸。对此，教材设计了如下学习活动：（1）初识光的折射现象;（2）探究光的折射特点;（3）初识凸透镜和凹透镜;（4）辨别凸透镜和凹透镜;（5）探究凸透镜成像的规律;（6）模拟探究近视眼的缺陷;（7）通过两个凸透镜观察物体：（8）自制水滴显微镜。同样可以发现，“探究凸透镜成像的规律”是物理概念与实践应用的桥梁，起到承上启下的作用。因此，规律的内容尤其是规律的得出过程理应作为教学的重点。

2.学情分析

知识层面，学生经历了《光现象》一章以及《光的折射》《透镜》两节的学习，对光线、像、反射规律、折射特点等知识有了初步的认识，同时也知道了透镜的区分方法。方法层面，经过对声现象、物态变化、光现象的学习，学生已经初步掌握控制变量法、转换法等常见物理研究方法;也经历了初步的数据分析，有基于数据（证据）得出规律的意识。实践层面，学生已经意识到物理与生活之间的紧密联系，也会尝试用学科知识解释现象并解决实际问题。

（三）确定学习目标

《探究凸透镜成像的规律》一课的引入环节，需要用到《透镜》一课中成像情况的相关知识;成像规律得出后，可以通过特殊光线来建构物理模型，解释成像特点及其成因;可以利用成像规律解释投影仪、照相机、放大镜、望远镜及显微镜等光学元件的成像原理。由此，《探究凸透镜成像的规律》一课的学习目标拟制如下：

1.利用凸透镜观察不同的物体，能清晰描述成像情况。

2.通过探究活动，能对所记录的数据进行整理和分析，自主得到成像特点与物距间的关系。

3.讨论使用LED光源以及蜡烛进行实验的优劣，养成分析评估、交流反思的良好学习习惯。

4.通过粗略辨别不同焦距凸透镜的活动，形成对成像规律更深刻的认识，培养应用知识解决实际问题的能力。

二、评价设计：匹配指向目标的评估证据

评价学习目标的达成度，一般以评价学生的探究行为为主要形式，具体包括语言表达的精准程度、实验设计的逻辑性、实验操作的规范性、数据收集及分析的合理性、学习活动的参与度、评估与反思的深度等。

学习目标1中涉及两个行为动词：“观察”和“描述”。评估证据可以表述为：（1）观察不同的情境，能清晰描述成像特点（学生对像的描述清晰与否为主要的评价指标）;（2）能根据观察到的现象提出 “凸透镜成不同的像与哪些因素有关？”这一问题。

学习目标2明确了需要设计相应的探究活动，引导学生进行数据的收集与处理。“引导”是教师的行为，“自主”是学生的行为。评估证据可以表述为：（1）能根据现象，猜想成像特点与物距有关（更精准的描述为：物距较小时成正立的像，物距较大时成倒立的像）。（2）明确探究目的和已有条件，能够选取合适的实验器材;在教师的引导下，能够分析出实验注意点;能够初步设计出实验的几个主要环节，明确实像和虚像的区别。（3）能正确摆放实验器材的位置，会调节“三心”，注意实验安全;能按照所设计的实验步骤进行探究，动脑思考，细心观察实验现象;知道物距、像距的概念，会读取、计算并正确记录实验数据，知道所记录的数据能够为规律的得出提供依据，尝试评估有关信息的科学性。（4）能根据实验数据得出实验结论并能表述正确，还能经过讨论得出其他规律。

学习目标3强调了学生对探究活动过程及结论的评估与反思。评估证据表述为：能积极发表自己的见解。

学习目标4明确了具体应用规律的学习活动。评估证据表述为：能利用所学知识说出至少三种辨别不同焦距凸透镜的方法。

三、学习活动设计：规划利于实践的问题链与实验项目

要达成学习目标，就需要设计相应的学习活动，而学习活动的设计应当依循评估证据。核心问题以及问题链的设计体现了学生物理思维的发展，是评价学生是否形成物理观念的关键;实验项目的设计表现为学习活动发生的载体，是学生物理思维的具象化。因此，规划利于实践的问题链和实验项目，是学习活动设计的核心。

（一）操作与观察：有趣的成像游戏

学习活动：（1）利用凸透镜观察书本上的字;（2）将凸透镜正对窗户，在白纸上承接像;（3）利用投影玩具在白墙上成像。

问题1：观察到的像有何不同？凸透镜成像有哪几种情况？

[评价与反思：学生在操作的过程中能获取预设的成像情况，学习兴趣得到增强;但是描述成像特点不够精准，如不能准确描述出实像或虚像。这表明在之前的学习中，学生并没有真正理解像的成因及判定方式。对此，教师需要进行适当的引导。]

（二）科学探究：凸透镜成像的规律

【环节1】 猜想与假设

问题2：凸透镜成像的情况与什么因素有关？具体关系如何？

[评价与反思：在猜想环节，学生根据成像游戏很容易发现“成像与物距有关”，这表明活动设计是有效的。]

【环节2】 制订计划与设计实验

问题3：需要哪些器材？各器材分别有什么作用？

学习活动：选择焦距f=10 cm的凸透镜，在光具座上依次安装蜡烛、凸透镜、光屏;调节烛焰、凸透镜和光屏三者的中心在同一高度上（目的是使像成在光屏中央）。

[评价与反思：在实验设计环节，学生更多是在教师引导下边讨论边设计。这是因为本实验是初中阶段学生经历的较为完整且操作要求较高的探究实验。]

【环节3】 进行实验与收集证据

学习活动：固定凸透镜的位置，调整物距，多次实验使光屏上成倒立、缩小的实像和倒立、放大的实像，测量并记录对应的物距和像距——本实验分为蜡烛和LED光源两大类。

学生的典型数据如下页表2所示。

学习活动：根据表中数据，用彩色箭头代表物和像，在黑板上完成贴图游戏（最终板书如图2所示）。

问题4：何种情况下得到倒立、等大的像？成等大的像时，物距、像距、焦距分别是多少？

学生讨论得到的典型数据如表3所示。

问题5：当物距小于焦距时，移动光屏，在光屏上能看到烛焰的像吗？通过凸透镜观察，能看到烛焰的像吗？这个像是放大的还是缩小的，是正立的还是倒立的？将光屏置于像的位置，能直接在光屏上看到像吗？

[评价与反思：学生根据实验要求完成放大和缩小的实像各两组。教师在收集和展示证据的过程中，可以适当地增加数据，以帮助学生养成基于证据分析问题的习惯。贴图游戏的设计旨在让学生形成“实验操作—数据收集—模型建构”的探究逻辑;放大和缩小的像用不同颜色区分，为发现等大实像的特殊位置提供形象的指引。贴有方格纸的光屏很好地解决了像和物大小比较的问题，为顺利找到两倍焦距的位置提供了证据支持。]

【环节4】 分析与论证

问题6：分析上述数据可知，不同的成像情況与物距有什么关系？

预设：物距较大时，成倒立缩小的实像。

问题7：物距较大可以哪一个距离作为标准？为什么？

预设：一倍焦距和两倍焦距。由实验数据可知，一倍焦距是实像和虚像的分界点，两倍焦距是放大的像和缩小的像的分界点。

学习活动：通过填空的方式，完善凸透镜成像的规律。内容如下：

当物距________时，成倒立、缩小的实像;

当物距________时，成倒立、等大的实像;

当物距________时，成倒立、放大的实像;

当物距________时，成正立、放大的虚像。

[评价与反思：学生在分析数据获得结论的过程中，较难将物距与一倍焦距（f）以及两倍焦距（2f）进行联系和比较，这就需要通过提问的方式加以引导。在之前的实验中，学生已经获取了两个特殊点，因此将物距和两倍焦距做比较就变得水到渠成。]

【环节5】 交流与评估

学习活动：讨论探究过程及相关现象。

问题8：在探究凸透镜成像规律的实验中，物体通过凸透镜成实像时，物距越大，像距越小。这里，像距是否可以等于0？如果不可以，那么像距最小大约是多少？

预设：由实验现象可知，物距越大，像距越接近焦距。

学习活动：归纳得到测量焦距的方法——当物体距离凸透镜足够远（大于十倍焦距）时，像距约等于焦距。

问题9：探究过程中出现过哪些困难？又是如何解决的？

问题10：实验中，一半同学使用了LED光源，一半同学使用了蜡烛光源，二者在使用过程中有何优缺点？

预设：使用LED光源更好，因为LED光源稳定，且更易比较像和物的大小;使用蜡烛时，烛焰的大小难以测量，且蜡烛燃烧后，长度会变短，像的位置就不在光屏中央了，熄灭后还会产生烟雾，污染环境等。

[评价与反思：在评估环节，除了一些常规的知识内容以外，还需要让学生反思探究的过程，思考探究活动中的各种行为，回顾解决问题的方式，从而让学生对探究内容、探究方法等有更加深刻的认识。之所以设计蜡烛和LED灯两种光源，就是为了让学生进行对比分析。如：LED灯可以认为是面光源，而烛焰可以认为是点光源，等等。这能够引导学生积极发表自身见解，发展评估意识。此外，还可以引导学生辩证地看问题，如蜡烛虽然有上述缺点，但有来源广泛、价格便宜等优点。]

（三）实践应用：辨别焦距不同的凸透镜

学习活动：利用凸透镜成像的规律，尝试辨别给出的两个焦距不同（5 cm和10 cm）的凸透镜，阐述具体的方案。

预设：方法1，直接测量;方法2，利用两倍焦距处物距等于像距，成倒立、等大的实像的规律;方法3，利用推理规律……

[评价与反思：在实践应用环节，可以通过解决实际问题来评估学生的学习效度，也可以通过作图的方式形成物理模型，促进学生理解成像的原理，如利用学生贴图的作品，结合成像光路来判定像所贴的位置是否精确。]

实践发现，基于UbD理论进行教学设计可使教学流程变得更加顺畅。同时，由于学习活动都指向评估证据，因此，学生在参与学习活动时更有目的性。在此基础上，通过单元整体设计，学生知识的形成具有更完整的结构和逻辑。这也使学生在应用学科知识解决实际问题的实践中表现得更为突出。

参考文献：

[1] 格兰特·威金斯，杰伊·麦克泰.理解为先模式——单元教学设计指南（一）[M].盛群力，沈祖芸，柳丰，等译.福州：福建教育出版社，2018.

[2] 崔允漷，张紫红，郭洪瑞.溯源与解读：学科实践即学习方式变革的新方向[J].教育研究，2021（12）.