基于UbD理论的物理规律探究教学设计

2024-09-12李晓明

物理之友 2024年5期

摘" 要：在UbD理论的指导下，教师能够通过“预期学习结果”“确定评估证据”“制订学习体验”等环节对牛顿第一定律进行逆向教学设计，从而促进学生深度理解物理规律、发展物理核心素养。

关键词：UbD理论；物理规律；核心素养；牛顿第一定律

UbD理论是由美国课程专家格兰特·威金斯（Grant Wiggins）和杰伊·麦克泰格（Jay McTighe）提出的，它是有关追求理解的教学设计理论（Understanding by Design，简称UbD）。［1］UbD理论的特点是“以终为始”，指从预期的学习结果开始，逆向思考，评估学生理解掌握学习结果的证据，最终根据学习结果和评估证据再制定相应的教学活动。依据UbD理论制定的教学活动过程如图1所示。UbD的设计理念能有效地帮助广大教师走出传统活动导向和灌输式教学设计的误区［2］，为学生深度理解物理规律、发展物理核心素养提供帮助。

牛顿第一定律将力与运动联系起来，奠定了物理力学规律的基础。《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）关于该内容的要求为“通过实验和科学推理，认识牛顿第一定律。”［3］这里的“实验”和“推理”分别对应物理学科核心素养中科学探究和科学思维两个要素，该内容对“牛顿第一定律”的教与学提出了较高的要求。然而，以往教学的结果往往是学生能够阐述定律的内容，但学生对牛顿第一定律的认识仅停留在机械记忆的层面；在解决实际问题时，学生仍然依靠生活经验来进行判断，缺乏对定律的本质理解。［4］为了解决这一问题，笔者在UbD理论的指导下，对“牛顿第一定律”一节进行逆向教学设计，以期帮助学生能深度理解牛顿第一定律，并学以致用。

1" 以终为始，预期学习成果

学习成果即学生的学习目标的达成，也是教学的最终目的。但在UbD理论下，学习目标变成了教学的起点，所有的教学设计都是围绕学习目标来制定的。无论是《课程标准》还是教师教学用书，都涉及关于牛顿第一定律的学习目标。但教师还需进一步了解学生到底应该知道什么、理解什么、能够做什么、什么内容值得理解。所以，教师要对这些纲领性质的目标大概念进行分解、转化，从而继续进行教学设计。

如果单纯为了得到牛顿第一定律的内容，那么教学设计完全可以从亚里士多德的观点出发，沿着历史的轨迹提出伽利略的观点，再至牛顿的思想，最后在实验的基础上分析、归纳得出牛顿第一定律。然而，这样的教学设计对学生的逻辑思维和抽象思维的要求较高，大部分学生的学习都会出现困难。所以，学生学习牛顿第一定律的目标不应停留在了解内容层面，还应将总体目标转化为更多、更细的分解目标。

2" 评价先行，确定评估证据

评估证据应围绕核心素养的达成和学业质量标准的具体要求。［5］作业和考试并不是唯一的评估证据，有时学生虽然能顺利通过小测验或能正确回答问题，但未必能够有效地运用知识。传统的学习评估一般是在教学完成之后进行的；但是UbD理论却将学习评估放在教学过程之前，目的是通过寻找合适的评估证据，使教学过程的设计更具有针对性。这就要求教师站在更长远的角度进行思考，必须先找到能证明学生成功完成学习目标的证据后再考虑设计教学。［6］

UbD理论提出了理解的六个层面，即解释、阐明、应用、洞察、升华和自我认知。本节课的学习并不仅包括牛顿第一定律这一定律本身的解释、阐明和应用几个层面，还包括在历史长河中探究牛顿第一定律所经历的科学探究方法、科学思维模式，以及在科学探究和科学思维过程中保持与科学家一致的科学态度与责任。物理教学的过程需要跳出知识本身，要在众多知识的学习过程中洞察、升华和自我认知，这样才能帮助学生形成一定的物理观念、形成适应个人终身发展的必备品格和关键能力。

3" 素养导向，丰富学生学习体验

当教师有了学习成果和评估证据后，就可以针对性地为学生制定丰富学生相应的学习体验活动计划。为了坚持《义务教育课程方案（2022年版）》提出的“变革育人方式，突出实践”的基本原则，教师在制定学习体验活动计划时应加强其与生产劳动和社会实践的联系，充分发挥实践的独特育人功能。［7］UbD理论的第三阶段是设计学习体验和教学，不仅要保证学生有效地开展学习并获得预期的结果，还要兼顾对学生学习过程中的建模、推理、论证和创新等能力以及问题、证据、解释和交流等意识的培养，从而切实有效地养成和发展学生的核心素养，落实立德树人。

学习体验不等同于传统的教学活动，因此学习体验活动的设计要以学习者为中心，注重学生在学习和探究过程中对物理知识的产生、发展以及应用的真实体验，同时还要关注学生在体验过程中情感态度和价值观的培养。牛顿第一定律并不能通过实验证明，而是在可靠的实验事实基础上，通过科学推理总结得出的结论。教师可以将“探究真空能否传声”的实验方法迁移到本节课，以降低学习者的学习难度。

4" 追求理解，逆向教学设计

基于UbD理论的三阶段框架模版，以“牛顿第一定律”为例进行的逆向教学设计如下。

4.1" 第一阶段：预期学习成果

根据物理学科核心素养以及《课程标准》对“牛顿第一定律”的要求，笔者确定如下学习目标：①通过实验探究阻力对物体运动的影响，经过分析、归纳和推理建立牛顿第一定律；②通过解读定律内容来理解牛顿第一定律，并能运用定律于分析实际现象；③通过观察和归纳建立惯性的概念，并能解释与惯性有关的现象。

由于以上学习目标相对比较抽象，教师还需要将学习目标进一步转化并提炼为核心概念，即学生能够理解：①力与运动的关系；②牛顿第一定律的内涵；③惯性是物体的一种物理属性。

教师需进一步将学习目标分解为具体目标，即学生将会知道：①运动的物体最终停下是因为受到了阻力；②运动的物体，受到的阻力越小，运动的距离越远；③运动的物体，不受阻力时，将永远沿直线运动下去；④牛顿第一定律的内容；⑤惯性是维持物体运动的原因。

为了能够达成目标，教师应该有针对性地提出一系列关键问题，以问题驱动学生科学思维的发展，例如，物体的运动需要力来维持吗？物体的运动状态为什么会改变？维持物体运动的原因是什么？哪些物体遵循牛顿第一定律？牛顿第一定律成立的条件是什么？不受力的物体到底保持静止还是匀速直线运动？什么物体具有惯性？物体什么时候具有惯性？惯性的大小与什么因素有关？

教师还可以设计一些关键任务，以此驱动学生进行科学探究。学生将能够根据演示实验提出并更新关于力与运动关系的观点；运用控制变量法和转换法探究阻力对物体运动的影响；设计表格记录实验有关现象及数据；描述实验现象，总结实验结论，进行科学推理；利用惯性知识解释生活中的相关现象。

由以上教学设计可以看出，UbD理论的第一阶段包括“确定的学习目标”“学生将会理解”“提出的问题”“学生将会知道”“学生将能够”等板块组成，各板块之间匹配协调，相互联系（见图2）。

4.2" 第二阶段：确定评估证据

基于阶段教学设计的预期结果，牛顿第一定律的教学可以制定如下评估证据：①列举更多生活实例支持自己或质疑他人关于力与运动关系的观点；②说明是否有其他方法反映阻力对运动的影响；③说明除了阻力外是否有其他因素影响物体的运动距离；④提取牛顿第一定律中的关键词“一切”“总”以及“或”，并指出这些关键词表达的含义；⑤列举更多生活中的惯性现象，并指出哪些现象是如何利用惯性，哪些现象又是如何防止惯性产生的危害。

以上内容是通过表现性任务评价学生是否理解所学的知识。除此之外，教师还可以收集其他证据评估学生理解和掌握的程度，比如：①能够回顾如何科学推理“探究真空能否传声”；②能正确推理判断物体不受力后的运动状态；③能正确分析惯性现象中各研究对象先后的状态变化或不变化的原因。

学生也可以通过自我评价来检测自己的学习效果。例如：是否了解从亚里士多德、伽利略、笛卡尔到牛顿关于研究力与运动关系的历史过程？是否了解伽利略的理想斜面实验在研究力与运动关系的历史过程中的地位和作用？并对自己的实验方案以及实验过程进行总结评价。

《课程标准》倡导形式多样的评价方式，并提出“教—学—评”一致性的要求。UbD理论第二阶段的评估证据正是从理解的六层面出发，以多种评价方式将证据指向预期的学习目标，同时指导接下来的学习体验设计，体现了“教—学—评”一致性的特点（见图3）。

4.3" 第三阶段：设计丰富学生学习体验的活动

当教师头脑中有了清晰的预期目标和合适的评估证据后，就应全面为学生设计最适合的学习体验活动。牛顿第一定律的学习体验设计如下。

4.3.1" 提出力与运动关系观点

教师让学生观察“手推倒置小车”演示实验，提出力与运动关系的观点；介绍亚里士多德的观点；观察“手推正放小车”演示实验，重新提出力与运动关系的观点。

4.3.2" 探究阻力对运动的影响

教师带领学生讨论小车最终停下的原因，要求学生设计实验探究小车不受阻力的运动情况（发现无法实施）；回顾“探究真空能否传声”的实验，将实验方法迁移至“探究小车不受阻力的运动情况”；将实验目的改成“探究阻力对运动的影响”，要求学生设计实验方案，绘制记录表格，并对实验方案进行评价；由实验现象总结“阻力对运动的影响”，并在此事实的基础上思考“当阻力为零时，物体将会如何运动”等问题。

4.3.3" 解读牛顿第一定律内容

教师先向学生介绍伽利略的理想斜面实验，再介绍笛卡尔对伽利略实验结论的补充，最后介绍牛顿对前人的实验的总结并得出牛顿第一定律。教师分析解读牛顿第一定律的内容，并通过习题反馈学生对该定律的理解与掌握情况。

4.3.4" 认识惯性是物理属性

教师带领学生观察惯性有关现象的实验，从牛顿第一定律出发，分析原有运动状态变与不变的原因；选择给定的器材，设计一个能说明惯性的实验，并利用惯性知识进行解释观察到的现象；了解生活中利用惯性以及防止惯性危害的例子，并用自己的语言对这些例子进行解释。

以上学习体验设计除了“介绍”的内容外，均从学习者的角度出发，用活动促进思维，以思维引领活动，充分发挥学生学习的主观能动性。整个教学活动围绕预期的目标，利用评估证据对课堂教学进行诊断与评价，以便及时调整教学节奏和策略，确保学生理解和掌握学习内容。

5" 结语

UbD理论是一种追求理解的教学设计理论，它将目标前置，通过评价先行，使得教学过程有效地避免了拼盘式活动和流水式灌输的误区。无论教学内容是什么，教师在运用UbD理论进行教学设计时，都要始终围绕发展学生核心素养为目标。同时，评价也必须以学生发展为本，从而提升教学活动的目的性、实现教学结果的有效性。

参考文献

［1］［美］格兰特·威金斯，［美］杰伊·麦克泰格.追求理解的教学设计（第二版）［Ｍ］.闫寒冰，宋雪莲，赖平，译.上海：华东师范大学出版社，2017：8-9．

［2］陈民兵.基于UbD理论的初中物理问题式概念教学新样态——以“电功率”为例［J］.物理通报，2024（1）：61-64．

［3］［5］中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022：15，45.

［4］陈洁.追求理解的逆向教学设计——以“牛顿第一定律”教学为例［J］.中学物理教学参考，2023，52（2）：33-36．