基于学科大概念“目标—问题—评价”一体化单元教学设计

收稿日期：2023-08-11

作者简介：杨明悦（1999-），女，硕士研究生，主要从事中学物理教学研究。

*通信作者：熊建文（1962-），男，教授，博士生导师，主要从事物理教育、教学研究。

摘   要：基于学科大概念的单元教学是落实学科核心素养培养的重要途径。构建基于学科大概念的“目标—问题—评价”一体化高中物理单元教学设计模式，并以“热力学定律”内容为例详细阐释了单元教学设计的过程。凝练学科大概念以构建单元核心素养目标，调整单元教学内容；构建一系列的驱动性问题，开发相应的学习活动；实施多元化评价，追踪单元教学效果。

关键词：学科大概念；单元教学设计；热力学定律

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）3-0038-6

《普通高中物理课程标准（２０１７年版２０２０年修订）》特别强调：“进一步精选学科内容，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实。”［１］可见，基于学科大概念开展单元教学是落实学科核心素养培养的重要途径。利用学科大概念对零散的知识进行统整，围绕“少而精”的学科大概念进行单元教学，可以解决当前“课时取向”教学中“只见树木，不见森林”的问题，实现教学模式的改革［２］。在这一背景下，学生能够在有限时间和精力下掌握学科关键概念和重要学习方法，并在驱动性问题的引导下深入理解知识，形成持久的学科观念，提高解决实际问题的能力，最终实现从“抽象原理”到“具体问题”的知识和能力的高通路迁移，落实指向情境化与可迁移性的学科核心素养的培养［３］。

关于如何实施基于学科大概念的物理单元教学设计的问题，已有学者从不同角度展开探讨。李刚等人认为，促进学科核心素养落实的单元教学设计可以按照七个步骤实施：选择单元主题、筛选大概念群、确定关键概念、识别主要问题、编写单元目标、开发学习活动及设计评价工具［３］。吴建鹏聚焦单元目标、过程与评价的整合，从单元教学目标构建、单元学习过程进阶设计和单元教学进阶评价三方面提出了大概念视角下的高中物理大单元教学模式［４］。任虎虎则侧重教学过程中的问题与任务的创设，提出了基于基本问题的“１＋Ｘ”问题群设计和基于核心任务的探究整合设计共两种引领学习过程的举措［５］。综上可知，单元教学设计应围绕连贯统一的流程进行，提供详细的步骤指引，重点突出教学过程设计。

为构建流程一体化、过程具体化、步骤详细化的单元教学设计，本文提出了“目标—问题—评价”一体化高中物理单元教学设计模式（图１），通过学科大概念确定单元核心素养目标，构建驱动性问题引领学生学习活动，实施多元化评价追踪单元教学效果。该模式包括“确定学科大概念”“构建单元素养目标”“调整单元教学内容”“构建单元驱动问题”“开发单元学习活动”“设计多元化评价”六个步骤。下面以“热力学定律”内容为例详细阐释基于学科大概念的物理单元教学设计。

１    凝练学科大概念，构建单元素养目标

基于学科大概念的单元教学设计流程首先需要凝练学科大概念，并以学科大概念为抓手构建单元核心素养目标，以目标为引领调整单元教学内容。

１．１    确定学科大概念

学科大概念的确定主要以课程标准中核心概念出现的频次及其内涵为依据，辅以对内容的逻辑分析［３］。例如，课程标准对“热力学定律”的内容要求主要涉及“掌握热力学定律”“了解热力学第一定律和能量守恒定律的发现过程，体会科学探索中的挫折和失败对科学发现的意义”“能用热力学定律解释生产生活中的现象”“认识到人与自然是生命共同体”［１］等，其中“能量守恒定律”“能量守恒”出现了４次，“热力学第一定律”“热力学第二定律”出现了３次。热力学第一定律涉及热现象领域内的能量守恒和转化，热力学第二定律则反映宏观自然过程的方向性、能量转化的方向性。基于此，确定本单元的学科大概念为“能量在热现象领域内的转移或转化过程是守恒的，且具有方向性”，并将相应的内容整合为“热力学定律”单元。

为彰显学科大概念与教学内容的密切联系，应将学科大概念逐层分解，建立如图２所示的知识层级结构图，确定支撑性的次级学科概念、事实等，实现学科大概念对零散知识的统整［２］。通过研读课程标准的内容要求和各版本教材内容，确定“热力学定律”单元的四个次级学科概念分别为“内能改变与能量的转化和转移”“能量守恒”“能量耗散”和“能量意识”，对应的学科一般概念包括做功、热传递等。针对其中一些学科一般概念，进一步明确相应的事实性知识。

１．２    构建单元素养目标

学科大概念的确立为核心素养目标的构建提供基础。需要建立不同层次目标之间的关系，才能在单元学习后取得预期学习成果。基于学科大概念的单元目标应包括“单元核心素养目标”统领下的“学科概念”和“具体素养目标”［６］，强调在理解和应用学科大概念和一般概念的过程中表现出来的素养。首先，对课程标准的内容要求进行分析，归纳出“热力学定律”的单元核心素养目标为“理解热力学定律，形成能量守恒的能量观念；能基于生活现象、实验结果推理出热力学定律，学会利用热力学定律论证两类永动机不可能制成的原因，解释自然现象，并运用能量守恒定律解决实际问题；形成追求真理、勇于创新和实事求是的科学精神以及可持续发展的观念”。接着，在单元核心素养目标的统领下，结合知识层级结构图确定指向次级学科概念与学科一般概念的具体素养目标，如图３所示。

１．３    调整单元教学内容

为达成基于学科大概念的核心素养目标，还需要分析教材对教学内容的编排，适当调整单元教学内容。一般采用学科逻辑与心理逻辑进一步确定承载学科大概念的单元教学内容。从学科逻辑出发，主要以学科本身的知识体系为依据，根据知识点间的内在联系组织现有的教材内容。从心理逻辑出发，主要以对学生有意义的学习为依据，根据学生认知情况补充单元教学内容。课程标准将热力学第一定律、能量守恒定律与热力学第二定律作为“热力学定律”单元的核心内容，突出了“能量在热现象领域内的转移或转化过程是守恒的，且具有方向性”。以人教版教材为例，教材遵循热力学发展的时间线，结合物理学史讲解热力学定律，让学生“经历”热力学定律的建立与发展过程，逐步形成对学科大概念的理解。在遵循教材学科逻辑的基础上，补充如图４所示的教学内容，按心理逻辑为学生搭建“脚手架”。如讲解物体内能时，回顾分子动能与分子势能，从微观的角度分析改变物体内能的方式，构建新、旧知识间的联系；在“能量守恒定律”部分补充多种生活情境，让学生深刻领悟能量守恒定律的普遍性；再者，教材只介绍了第一类永动机，没有提及第二类永动机，因此讲解完热力学第二定律的开尔文表述后，可补充第二类永动机的内容，让学生认识到前人对永动机的执着追求，感悟其中的科学精神。

２    构建驱动性问题，开发单元学习活动

知识层级结构图从知识层面梳理了学科大概念与次级学科概念的关系，但应用到教学活动中还需要从实施层面构建驱动性问题，明确具体的学习方向与单元活动中心。

２．１    构建单元驱动问题

驱动性问题包括主要问题、具体问题和情境问题三个层次（图５）。主要问题源于学科大概念，其表述方式通常是“疑问副词（是什么、如何等）＋学科大概念”。“热力学定律”单元的学科大概念“能量在热现象领域内的转移或转化过程是守恒的，且具有方向性”统领了能量守恒定律和自然界宏观过程的方向性。由此相应地构建两个主要问题：“自然界中的能量是否守恒”和“自然界宏观过程的方向性是怎样的”。

解决主要问题是一个循序渐进、逐步深入的过程，在教学中还需要把主要问题分解为指向具体概念、知识、事实等内容的一系列具体问题。如第一个主要问题涵盖了做功、热传递、能量守恒等概念，由此可以提出“功、热量和内能的变化量存在什么关系”“能量在转化或转移的过程中是否守恒”等具体问题。由于核心素养发展需要以情境作为载体，具体问题还需要联系实际情境形成情境问题，激发学生探究兴趣与持续性思考。一方面，情境的设置可从学习探索情境入手，如详细讲解焦耳实验，构建物理学史的情境问题，要求学生从焦耳的实验结果中总结出热力学第一定律；另一方面，可从生活实践情境入手，如构建与生活紧密相关的情境问题，引导学生从身边常见的能量转化或转移的例子中思考能量是否守恒。

２．２    开发单元学习活动

为了加深学生对学科大概念的理解与运用程度，需要围绕学科大概念与情境问题开发相应的学习活动。“ＷＨＥＲＥＴＯ”原则为开发学科大概念的学习活动提供了详细指引（图６），主要开发以下三类学习活动，包括初级活动、核心活动及探索活动［３］。

初级活动需要教师利用简短的陈述、图片、视频等介绍单元主题，让学生把握学习活动总方向（Ｗ）。如利用人教版教材导言中的文本和图片，明确单元学习的主题为“探索自然界能量的变化及变化方向”。

核心活动的主要任务是引导学生根据自身经验或对学科大概念的理解解决情境问题。情境问题需要按学生的认知逻辑组织（Ｏ），不断吸引学生的注意力并保持探究兴趣（Ｈ）；活动应综合采用课堂讨论、汇报等多元与开放的形式，提供反思与评价的机会（Ｅ２），促使学生修改与完善对学科大概念的理解（Ｒ）。如按照热力学定律的发展顺序循序渐进地组织情境问题（图7），吸引学生深入学习；在通过问题解决形成对学科大概念的初步理解后，要求学生绘制、分享并相互点评思维导图，最后根据评价意见修改思维导图以完善对学科大概念的理解。

探索活动进一步为学生提供应用学科大概念的机会，学生要自主构建多种解决方案（Ｔ）以完成源于情境问题的主题探究（Ｅ１）。如在单元的末尾开展课题研究，利用情境问题“生活中如何合理利用能量”，进行“家用燃气热水器不同加热温度时的热效率”的主题探究，鼓励学生以小组为单位自主设计方案、分析数据、形成解释，并根据探究结果提出相应的节能做法。

３    实施多元化评价，追踪单元教学效果

基于学科大概念的单元教学重点评价学生对学科大概念的理解和应用情况，关注学生解决真实情境问题的能力和素养。为追踪基于学科大概念的单元教学效果，应采用多元化评价工具，主要可以使用收集、展示、表征、证明（Ｃｏｌｌｅｃｔ－Ｐｒｅｓｅｎｔ－Ｒｅｐｒｅｓｅｎｔ－Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ，ＣＰＲＤ）四类评价，渗透在单元教学的全过程。

收集类评价强调收集学生在完成给定任务时的作品，记录学生对学科大概念的学习进展；展示类评价强调为学生提供展示机会，实时评估学生对学科大概念的运用程度；表征类评价主张使用概念图、思维导图等外部表征工具外显学生对学科大概念的理解；证明类评价主张使用观察、访谈、测评等方法探测学生对学科大概念的理解［３］。评价活动还应该尽可能引入真实情境，考查学生利用学科大概念解决实际问题的迁移能力。实际上，学习活动也可以设计为评价活动（作为学习的评价），或是将评价活动嵌入学习活动（促进学习的评价），体现“教—学—评”一体化的理念。例如，在上述探索活动中嵌入展示类评价活动，让学生上台分享、相互评价探究成果，以检测学生是否已形成能量守恒和可持续发展的观念。通过选用一系列恰当的评价工具，落实学科大概念教学的多元化评价，实现对单元教学效果的持续追踪，最终呈现出如图７所示完整的“目标—问题—评价”一体化教学流程。

４    结束语

本文构建了基于学科大概念的“目标—问题—评价”一体化高中物理单元教学设计模式，并以“热力学定律”内容为例详细阐释了教学设计过程。首先，凝练学科大概念构建单元核心素养目标，以目标为引领调整单元教学内容。其次，构建驱动性问题显化学科大概念，围绕学科大概念与情境问题开发单元学习活动。最后，采用多元化评价工具，追踪基于学科大概念的单元教学效果。

参考文献：

［１］中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（２０１７年版2020年修订）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０20．

［２］冯春艳，陈旭远．以大观念为中心的教学：基本内涵、价值向度及设计路径［Ｊ］．教育学报，２０２１，１７（３）：８５－９４．

［３］李刚，吕立杰．大概念课程设计：指向学科核心素养落实的课程架构［Ｊ］．教育发展研究，２０１８，３８（Ｚ２）：３５－４２．

［４］吴建鹏．大概念视角下高中物理大单元教学建构与设计——以“牛顿运动定律”教学为例［Ｊ］．中学物理教学参考，２０２１，５０（１１）：２５－２７．

［５］任虎虎．大概念的基本特征及教学设计策略［Ｊ］．中学物理，２０２０，３８（９）：１８－２１．

［６］刘徽，蔡潇，李燕，等．素养导向：大概念与大概念教学［Ｊ］．上海教育科研，２０２２（１）：５－１１．

（栏目编辑    邓   磊）