UbD理论促进学生物理核心素养发展的教学探索*——以“弹性碰撞和非弹性碰撞”为例

张致远 王长江

(安徽师范大学物理与电子信息学院 安徽 芜湖 241002)

1 问题提出

理解是学科核心素养的重要组成,是学科教学的重要目标.近年来,“为理解而教”的教育理念逐渐被国内教育者接受,相关研究明显增多.文献[1]梳理了高中物理大概念,对大概念及其统摄下的知识逻辑与思维方法进行分析,力图帮助学生建立知识层级结构;文献[2-3]将逆向设计分别运用于物理和化学教学中,提升学生的学科能力等.我们也注意到以往相关研究存在以下不足:

(1)关注逆向设计的“形式”,忽略了注重理解的“本质”.

(2)缺乏将UbD单元设计理论与我国本土学科核心素养相结合的案例.

基于此,本文将着重探究逆向设计的3阶段与学科核心素养的关系,力图培养学生的深度理解能力.

2 UbD理论的主要内容

UbD(understanding by design)是由美国课程改革专家格兰特·维金斯(Grant Wiggins)和杰伊·麦克泰格(Jay McTighe)提出的新型教学模式.这一模式强调通过“以终为始”的逆向设计达成学生“理解”的目的.

2.1 重在理解(understanding) 指向核心素养

UbD理论以理解“大概念”为核心目标.其中“理解”是智力层面的建构,是人脑为了弄懂许多不同的知识片段而进行的抽象活动[4].理解既包括了对大量事实进行整合、重组,使其具有新的意义;也包括了将已有的观念、知识和技能以合理的方式迁移应用于实际情境中.理解在认知层面上可分为解释、阐明、应用、洞察、神入、自知6个侧面.

大概念是学科的核心,是将所有子概念进行分析综合、抽象概括而获得的来之不易的结果,是所有基本概念的“领导”,是各领域专家思考和感知问题的方式.理解大概念可以使知识系统化,形成知识网络框架,进而以“俯视”姿态看待一个个基本问题、基本概念,最终实现“理解”目标.

2.2 逆向设计(design) 强调以终为始

UbD理论的逆向设计包括了预期结果、评估证据、学习计划3个阶段.若将逆向设计比作一棵树,那么3个阶段的内涵和象征如下.

2.2.1 预期结果

预期结果强调从学习结果开始逆向思考——为达到学习目标学生需要理解什么?学生需要做什么?并找到本单元的大概念;预期结果在既有目标的规范下明确知识聚合,按照抽象程度由低到高可划分3个学习结果:习得知能、意义理解、学习迁移[5].预期结果是逆向设计的基础和根本,象征树根部分.

2.2.2 评估证据

评估证据要求我们思考哪些证据能够表明学生已达到了学习目的,为“理解”的目标加了一层“保险”.当我们既明确了学习结果,又有了判断达到预期结果所需要的完整评估证据后,便能以此为导向,设计出真正指向“理解”的教学活动.

评估证据根据预期结果的要求以及理解6侧面的认知维度可分为表现性任务和其他证据.其中表现性任务是指真实的、具有挑战性的实践任务;其他证据则包括了问答题、小测验、考试等.评估证据在逆向设计中具有连接前后、统筹兼顾的作用,象征树茎部分.

2.2.3 学习计划

学习计划以“WHERETO”要素进行:

W(where&what)代表明确教学目标;

H(hook&hold)代表吸引学生注意;

E(equip&experience&explore)代表开展教学活动;

R(rethink&revise)代表学生自我反思;

E(evaluate)代表学生自我评价;

T(tailor)代表针对性教学;

O(organize)代表组织教学活动.

学习计划是逆向设计的外显化和最终表现,象征果实部分,逆向设计树如图1所示.

图1 UbD逆向设计树图

3 基于UbD理论促进学生核心素养发展的教学设计思路

3.1 目标指向

学科核心素养是UbD“理解”目标的题中应有之义:我们需要将已有的知识和未知的问题情境相结合,用科学思维合理分析,用科学探究实践操作,最终解决问题,并理解科学本质和大概念.而理解科学本质既有利于学生学习下属子概念,又可促进学生将知识应用迁移到现实情境中.

逆向设计的方针是“以终为始”,其出发点是以学生为主体、学生是学习的主人、从学生的角度看问题;这与学科核心素养中“促进学生的学习与发展”相一致.因而基于UbD理论的逆向教学设计是促进学生学科核心素养达成的有效途径,是实现“理解”和“立德树人”双重目标的重要方式.

3.2 基本前提

在逆向设计中实现“理解”目标,需要明确两个基本前提:第一,梳理本节基本概念、学科大概念和大概念间的进阶关系,使之具有联系的逻辑,从而准确提炼.只有准确定位了大概念,才能保证3个阶段是一个整体,一切指向大概念的理解;第二,在3个阶段中挖掘学科核心素养.核心素养的实现应该充分体现在预期结果、评估证据和学习计划的设计中.如果逆向设计的3个阶段都能够指向学科核心素养,将大大促进UbD理论与我国本土核心素养教学的结合.

3.3 设计框架

基于UbD理论,在逆向设计的3个阶段中寻找有关学科核心素养要素.根据课标的内容要求,将物理学科核心素养的要素有机融入,并表述为习得知能、预期理解、学习迁移3个层面目标;在理解6侧面中体现核心素养,并基于此来设计表现性任务和其他证据;在学习计划中既要以“WHERETO”要素展开,又要在设计意图中满足学科核心素养的要求,设计框架如图2所示.

图2 UbD设计框架

4 基于UbD理论促进学生核心素养发展的教学示例

“弹性碰撞和非弹性碰撞”选自人教版高中物理选择性必修一第一章第5节.本节既要求学生对碰撞进行分类和描述,又要求以弹性碰撞和非弹性碰撞为基础进行模型建构,解决其他物理问题.

4.1 阶段一——明确预期结果

逆向设计图的第一个阶段是明确预期学习结果(表1).根据课程标准的要求,我们确定了预期结果3个层次:

表1 明确预期结果

(1)习得知能

碰撞的定义、分类、运动状态和能量转化等观念需要学生将已有的物理情境、物理概念在头脑中提炼、升华而成[6].因此指向相互作用观念、运动观念和能量观念.

(2)意义理解

对碰撞的本质和学科大概念的挖掘需要学生将已有的概念、规律进行推理、论证,还要在生活中寻找灵感获得感性认识、在实验中操作验证获得严谨数据.因此指向科学思维和科学探究.

(3)学习迁移

对碰撞知识学以致用,将其迁移到生产生活、科研探究当中.因此指向科学态度与责任.

4.2 阶段二——评估证据

4.2.1 预期结果与学生表现

如果学生要达成预期结果,需要在“解释”“阐明”等理解6侧面中表现出来:

(1)解释

将已有的物理观念与未知的物理问题情境相结合,使概念具有新的意义.本节中学生需要将已有的运动观念和相互作用观念应用于碰撞的问题情境中,经过科学推理、论证、交流,最终得到系统性、结构性的概念.

(2)阐明

通过模型建构和一定的物理方法,对碰撞模型重新解构,最终以图像和数据的形式定量探究.

(3)应用

培养学生应用迁移的能力.本节以“比较3个小球质量”的表现性任务作为课前引入,学生通过合作探究获得感性认识和直接经验,因此指向科学探究;并将碰撞知识学以致用于生产生活和科研探究中.

(4)洞察

培养学生的批判性思维和从多角度看问题的能力.本节从多方法、多角度分析碰撞过程;并将多本教材中的同一内容进行对比分析,给出建设性意见和改进方案.

(5)神入

培养学生换位思考的移情能力.本节学生将换位思考以往在学习碰撞时容易出现的问题,对教学难点“为什么难、难在哪里”产生共鸣,最后还要给出解决难点的学习方法.

(6)自知

培养学生元认知能力.本节末尾,学生将对碰撞知识的掌握情况和模型建构能力进行自评与反思,明确未解决的问题,并给出学习计划.

4.2.2 表现任务和其他证据

根据理解6侧面,确定本节的表现性任务和其他证据如下:

(1)表现性任务

1)探究中子的发现过程:扮演核物理学家,根据氢原子核碰撞的实例,探究中子的发现过程.

2)生活碰撞实例演讲:扮演科学教师,对教材给出的陨石撞击地球、网球反弹两个碰撞实例向大家科普介绍,分析其运动状态和能量的变化.

3)生活实际情境验证:扮演运动员,演示保龄球、乒乓球、冰壶间的相互碰撞,验证弹性碰撞中因质量不同而出现的各种结果.

4)解决近似质量的比较问题:扮演质量检测员,对若干个体积、质量都相近的小球进行实验验证,比较孰轻孰重,并以说明书的形式呈现过程结果.

(2)其他证据

1)问答题:谈一谈本单元的收获?生活中还有哪些问题可通过碰撞知识来解决?

2)测试:对任意碰撞情境能够快速进行模型建构,列举碰撞后所有可能情况,并定量探究运动状态和能量转化.

3)家庭作业:将引入部分的3个小球带回家,结合本节知识再次判断孰轻孰重,并用电子天平验证结果.

(3)学生自我评估与反思

1)自我评估:对物理模型的建构能力进行自我检测.

2)反思:回顾、反思本节采用的物理方法及推导过程.

4.3 阶段三——学习计划

4.3.1 设疑激趣,引入新课

基本问题：什么是碰撞?碰撞间的作用力有什么特点?

教学活动：完成表现性任务4,教师在本节初始给出上述3个小球,比较三者质量大小.学生分组探究,方式自拟.(A组从同一高度自由下落,比较反弹高度;B组两两相互碰撞,观察碰撞后的运动状态)

设计意图：解释层面,将已有的相互作用观念、运动观念与未知情境相结合,使学生对碰撞有了初步感性认识,易于开展之后课程;阐明层面,针对具体问题组内合作、组间讨论,对比分析两种设计思路,评价活动方案的可行性;应用层面,将表现性任务应用于本节开端和结尾,使学生从做中学、学做合一.

对应要素：

H——通过诊断性评价初步判断学生思维情况,保持学习兴趣;

E1——在真实情境中主动探索并发现问题;

E2——对两小组所给的观念做初步评定.

4.3.2 模型建构,探究碰撞本质

基本问题：碰撞的分类依据是什么?弹性碰撞和非弹性碰撞的运动状态和能量转化各有哪些特点?

设计意图：阐明层面,通过模型建构以及图像法、等效替代法使碰撞可视化、连续化.将“动碰静”的特殊实例推广至任意碰撞情境的速度、能量求解,具有普遍性;洞察层面,一改传统对碰撞类型的死记硬背和只用数学方法求解碰后速度大小、能量转化的弊端,而是先用物理方法定性探究碰撞过程和本质,再利用数学方法定量探究,具有科学性与创新性.

对应要素：

E1——利用已有知识技能去探究基本问题,为学生提供必要的科学方法,实现对基本概念和科学本质的深入理解;

E2——对模型建构能力和物理方法的掌握情况进行自我评估,以便学生完成表现性任务2和3;

R——学生反思对基本概念认识的不足,修改前面初步建立的学科大概念.

4.3.3 拓展概念,科学推理

基本问题：弹性碰撞和非弹性碰撞可以迁移到哪些未知的物理模型?这些物理模型和碰撞之间有什么联系?

教学活动：自主模型建构,将碰撞模型类比于其他物理模型,并将碰撞产生的内能继续以各种形式的能量等效替代(弹性碰撞——斜面模型;完全非弹性碰撞——斜槽模型、板块模型、子弹打木块模型),最后自我评估本次模型建构的掌握情况.

设计意图：解释层面,将已有碰撞知识和未知物理模型相联系,培养学生科学解释能力;阐明层面,对碰撞模型进行科学推理、分析,建构出各种物理模型,并将内能等效代替为不同种类的能量;自知层面,学生需要对已学习的碰撞知识进行自我评价与反思,明确问题并设计改进方案,才能更加高效地探究拓展部分.

对应要素：

E1——对基本概念进行拓展探究、模型建构,深入钻研大概念的内涵;

R——反思总结基本概念的探究过程,并再次修改对大概念的理解.

5 总结

UbD理论强调通过逆向设计促进学生的深度理解.本文初步探索了在逆向设计的3个阶段中如何达到物理学科核心素养的要求;并以“碰撞”为例,探索以UbD理论为指导开展物理核心素养教学的新途径.我们认为,以UbD理论为指导开展核心素养教学,将是一项长期的、值得持续深入探索的课题.