基于UbD理論開展初中物理教學

彭夷

摘要：UbD理論認為，為達到“理解”這一教學目標，最好的設計應該“以終為始”，從學習結(jié)果（預期目標）開始逆向思考。以《探究凸透鏡成像的規(guī)律》一課為例，闡釋基于UbD理論開展初中物理教學的基本步驟：確定預期的學習結(jié)果，也就是學習目標的確定，可立足課標及“教”與“學”的分析;匹配合適的評估證據(jù)，即發(fā)掘評價學習目標達成的顯化證據(jù);設計學習活動，即制訂指向目標、基于證據(jù)的學習活動計劃，可規(guī)劃利于實踐的問題鏈與實驗項目。

關鍵詞：UbD理論;初中物理;《探究凸透鏡成像的規(guī)律》

本文系江蘇省第十三期教研課題“基于課堂四要素的學校教學變革”（編號：2019JK13L062）、無錫市教育科學“十三五”規(guī)劃立項課題“單元設計視域下的項目開發(fā)與實踐研究”（批準號：D/D/2018/019）的階段性研究成果。UbD（Understanding by Design）意為追求理解的教學設計，是美國課程專家格蘭特·威金斯和杰伊·麥克泰在繼承與創(chuàng)新“目標導向”模式基礎上開發(fā)出來的一種教學設計框架。UbD理論認為，為達到“理解”這一教學目標，最好的設計應該“以終為始”，從學習結(jié)果（預期目標）開始逆向思考，即“逆向教學設計”。其基本步驟為：確定預期的學習結(jié)果，也就是學習目標的確定;匹配合適的評估證據(jù)，即發(fā)掘評價學習目標達成的顯化證據(jù)（包括收集的數(shù)據(jù)、探究過程中的外顯行為等）;設計學習活動，即制訂指向目標、基于證據(jù)的學習活動計劃。下面，以蘇科版初中物理八年級上冊《探究凸透鏡成像的規(guī)律》一課為例，具體闡述基于UbD理論開展初中物理教學的實踐與思考。

一、目標設計：立足課標及“教”與“學”的分析

課時學習目標旨在讓學生明確學習的概念、規(guī)律以及獲取相關知識所需要掌握的技能，同時明確獲取概念和規(guī)律的相關過程以及評價指標。在設計課時目標之前，教師首先應該分析課程標準的要求，明確相關知識在整個單元知識體系中的地位;然后，通過單元分析，在普通概念的基礎上，提煉核心概念以及大概念;最后，通過“教”與“學”的分析，確定概念、規(guī)律在建構過程中的進階路徑。這樣，就能從上位的視角把握概念、規(guī)律的建構過程，使教學更有整體感，也使學生的學習更加體系化、結(jié)構化。

（一）課標分析

“光”主題的內(nèi)容屬于《義務教育物理課程標準（2011年版）》（以下簡稱《課標》）“科學內(nèi)容”中一級主題“運動和相互作用”下的二級主題“聲和光”?！墩n標》中對這部分內(nèi)容的相關要求與建議詳見表1。

由《課標》的描述可知，“光”主題的內(nèi)容是按照圖1所示的層級結(jié)構展開的。由此，我們可以得到“光”主題內(nèi)容的大概念為“光學規(guī)律的實踐應用”，而“探究凸透鏡成像的規(guī)律”是物理概念與實踐應用的橋梁。

（二）“教”與“學”分析

1.教材分析

光的折射是“光”主題中的基本內(nèi)容，透鏡是光的折射的主要應用之一。蘇科版教材中的有關內(nèi)容包括“光的折射”“透鏡”“凸透鏡成像的規(guī)律”“照相機與眼球視力的矯正”“望遠鏡與顯微鏡”等。探究得到凸透鏡成像的規(guī)律后，就能解釋投影儀、照相機的工作原理，就能分析眼球的成像規(guī)律，而望遠鏡和顯微鏡可以理解為人眼視力向宏觀和微觀的延伸。對此，教材設計了如下學習活動：（1）初識光的折射現(xiàn)象;（2）探究光的折射特點;（3）初識凸透鏡和凹透鏡;（4）辨別凸透鏡和凹透鏡;（5）探究凸透鏡成像的規(guī)律;（6）模擬探究近視眼的缺陷;（7）通過兩個凸透鏡觀察物體：（8）自制水滴顯微鏡。同樣可以發(fā)現(xiàn)，“探究凸透鏡成像的規(guī)律”是物理概念與實踐應用的橋梁，起到承上啟下的作用。因此，規(guī)律的內(nèi)容尤其是規(guī)律的得出過程理應作為教學的重點。

2.學情分析

知識層面，學生經(jīng)歷了《光現(xiàn)象》一章以及《光的折射》《透鏡》兩節(jié)的學習，對光線、像、反射規(guī)律、折射特點等知識有了初步的認識，同時也知道了透鏡的區(qū)分方法。方法層面，經(jīng)過對聲現(xiàn)象、物態(tài)變化、光現(xiàn)象的學習，學生已經(jīng)初步掌握控制變量法、轉(zhuǎn)換法等常見物理研究方法;也經(jīng)歷了初步的數(shù)據(jù)分析，有基于數(shù)據(jù)（證據(jù)）得出規(guī)律的意識。實踐層面，學生已經(jīng)意識到物理與生活之間的緊密聯(lián)系，也會嘗試用學科知識解釋現(xiàn)象并解決實際問題。

（三）確定學習目標

《探究凸透鏡成像的規(guī)律》一課的引入環(huán)節(jié)，需要用到《透鏡》一課中成像情況的相關知識;成像規(guī)律得出后，可以通過特殊光線來建構物理模型，解釋成像特點及其成因;可以利用成像規(guī)律解釋投影儀、照相機、放大鏡、望遠鏡及顯微鏡等光學元件的成像原理。由此，《探究凸透鏡成像的規(guī)律》一課的學習目標擬制如下：

1.利用凸透鏡觀察不同的物體，能清晰描述成像情況。

2.通過探究活動，能對所記錄的數(shù)據(jù)進行整理和分析，自主得到成像特點與物距間的關系。

3.討論使用LED光源以及蠟燭進行實驗的優(yōu)劣，養(yǎng)成分析評估、交流反思的良好學習習慣。

4.通過粗略辨別不同焦距凸透鏡的活動，形成對成像規(guī)律更深刻的認識，培養(yǎng)應用知識解決實際問題的能力。

二、評價設計：匹配指向目標的評估證據(jù)

評價學習目標的達成度，一般以評價學生的探究行為為主要形式，具體包括語言表達的精準程度、實驗設計的邏輯性、實驗操作的規(guī)范性、數(shù)據(jù)收集及分析的合理性、學習活動的參與度、評估與反思的深度等。

學習目標1中涉及兩個行為動詞：“觀察”和“描述”。評估證據(jù)可以表述為：（1）觀察不同的情境，能清晰描述成像特點（學生對像的描述清晰與否為主要的評價指標）;（2）能根據(jù)觀察到的現(xiàn)象提出 “凸透鏡成不同的像與哪些因素有關？”這一問題。

學習目標2明確了需要設計相應的探究活動，引導學生進行數(shù)據(jù)的收集與處理?！耙龑А笔墙處煹男袨椋白灾鳌笔菍W生的行為。評估證據(jù)可以表述為：（1）能根據(jù)現(xiàn)象，猜想成像特點與物距有關（更精準的描述為：物距較小時成正立的像，物距較大時成倒立的像）。（2）明確探究目的和已有條件，能夠選取合適的實驗器材;在教師的引導下，能夠分析出實驗注意點;能夠初步設計出實驗的幾個主要環(huán)節(jié)，明確實像和虛像的區(qū)別。（3）能正確擺放實驗器材的位置，會調(diào)節(jié)“三心”，注意實驗安全;能按照所設計的實驗步驟進行探究，動腦思考，細心觀察實驗現(xiàn)象;知道物距、像距的概念，會讀取、計算并正確記錄實驗數(shù)據(jù)，知道所記錄的數(shù)據(jù)能夠為規(guī)律的得出提供依據(jù)，嘗試評估有關信息的科學性。（4）能根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得出實驗結(jié)論并能表述正確，還能經(jīng)過討論得出其他規(guī)律。

學習目標3強調(diào)了學生對探究活動過程及結(jié)論的評估與反思。評估證據(jù)表述為：能積極發(fā)表自己的見解。

學習目標4明確了具體應用規(guī)律的學習活動。評估證據(jù)表述為：能利用所學知識說出至少三種辨別不同焦距凸透鏡的方法。

三、學習活動設計：規(guī)劃利于實踐的問題鏈與實驗項目

要達成學習目標，就需要設計相應的學習活動，而學習活動的設計應當依循評估證據(jù)。核心問題以及問題鏈的設計體現(xiàn)了學生物理思維的發(fā)展，是評價學生是否形成物理觀念的關鍵;實驗項目的設計表現(xiàn)為學習活動發(fā)生的載體，是學生物理思維的具象化。因此，規(guī)劃利于實踐的問題鏈和實驗項目，是學習活動設計的核心。

（一）操作與觀察：有趣的成像游戲

學習活動：（1）利用凸透鏡觀察書本上的字;（2）將凸透鏡正對窗戶，在白紙上承接像;（3）利用投影玩具在白墻上成像。

問題1：觀察到的像有何不同？凸透鏡成像有哪幾種情況？

[評價與反思：學生在操作的過程中能獲取預設的成像情況，學習興趣得到增強;但是描述成像特點不夠精準，如不能準確描述出實像或虛像。這表明在之前的學習中，學生并沒有真正理解像的成因及判定方式。對此，教師需要進行適當?shù)囊龑А

（二）科學探究：凸透鏡成像的規(guī)律

【環(huán)節(jié)1】 猜想與假設

問題2：凸透鏡成像的情況與什么因素有關？具體關系如何？

[評價與反思：在猜想環(huán)節(jié)，學生根據(jù)成像游戲很容易發(fā)現(xiàn)“成像與物距有關”，這表明活動設計是有效的。]

【環(huán)節(jié)2】 制訂計劃與設計實驗

問題3：需要哪些器材？各器材分別有什么作用？

學習活動：選擇焦距f=10 cm的凸透鏡，在光具座上依次安裝蠟燭、凸透鏡、光屏;調(diào)節(jié)燭焰、凸透鏡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）。

[評價與反思：在實驗設計環(huán)節(jié)，學生更多是在教師引導下邊討論邊設計。這是因為本實驗是初中階段學生經(jīng)歷的較為完整且操作要求較高的探究實驗。]

【環(huán)節(jié)3】 進行實驗與收集證據(jù)

學習活動：固定凸透鏡的位置，調(diào)整物距，多次實驗使光屏上成倒立、縮小的實像和倒立、放大的實像，測量并記錄對應的物距和像距——本實驗分為蠟燭和LED光源兩大類。

學生的典型數(shù)據(jù)如下頁表2所示。

學習活動：根據(jù)表中數(shù)據(jù)，用彩色箭頭代表物和像，在黑板上完成貼圖游戲（最終板書如圖2所示）。

問題4：何種情況下得到倒立、等大的像？成等大的像時，物距、像距、焦距分別是多少？

學生討論得到的典型數(shù)據(jù)如表3所示。

問題5：當物距小于焦距時，移動光屏，在光屏上能看到燭焰的像嗎？通過凸透鏡觀察，能看到燭焰的像嗎？這個像是放大的還是縮小的，是正立的還是倒立的？將光屏置于像的位置，能直接在光屏上看到像嗎？

[評價與反思：學生根據(jù)實驗要求完成放大和縮小的實像各兩組。教師在收集和展示證據(jù)的過程中，可以適當?shù)卦黾訑?shù)據(jù)，以幫助學生養(yǎng)成基于證據(jù)分析問題的習慣。貼圖游戲的設計旨在讓學生形成“實驗操作—數(shù)據(jù)收集—模型建構”的探究邏輯;放大和縮小的像用不同顏色區(qū)分，為發(fā)現(xiàn)等大實像的特殊位置提供形象的指引。貼有方格紙的光屏很好地解決了像和物大小比較的問題，為順利找到兩倍焦距的位置提供了證據(jù)支持。]

【環(huán)節(jié)4】 分析與論證

問題6：分析上述數(shù)據(jù)可知，不同的成像情況與物距有什么關系？

預設：物距較大時，成倒立縮小的實像。

問題7：物距較大可以哪一個距離作為標準？為什么？

預設：一倍焦距和兩倍焦距。由實驗數(shù)據(jù)可知，一倍焦距是實像和虛像的分界點，兩倍焦距是放大的像和縮小的像的分界點。

學習活動：通過填空的方式，完善凸透鏡成像的規(guī)律。內(nèi)容如下：

當物距________時，成倒立、縮小的實像;

當物距________時，成倒立、等大的實像;

當物距________時，成倒立、放大的實像;

當物距________時，成正立、放大的虛像。

[評價與反思：學生在分析數(shù)據(jù)獲得結(jié)論的過程中，較難將物距與一倍焦距（f）以及兩倍焦距（2f）進行聯(lián)系和比較，這就需要通過提問的方式加以引導。在之前的實驗中，學生已經(jīng)獲取了兩個特殊點，因此將物距和兩倍焦距做比較就變得水到渠成。]

【環(huán)節(jié)5】 交流與評估

學習活動：討論探究過程及相關現(xiàn)象。

問題8：在探究凸透鏡成像規(guī)律的實驗中，物體通過凸透鏡成實像時，物距越大，像距越小。這里，像距是否可以等于0？如果不可以，那么像距最小大約是多少？

預設：由實驗現(xiàn)象可知，物距越大，像距越接近焦距。

學習活動：歸納得到測量焦距的方法——當物體距離凸透鏡足夠遠（大于十倍焦距）時，像距約等于焦距。

問題9：探究過程中出現(xiàn)過哪些困難？又是如何解決的？

問題10：實驗中，一半同學使用了LED光源，一半同學使用了蠟燭光源，二者在使用過程中有何優(yōu)缺點？

預設：使用LED光源更好，因為LED光源穩(wěn)定，且更易比較像和物的大小;使用蠟燭時，燭焰的大小難以測量，且蠟燭燃燒后，長度會變短，像的位置就不在光屏中央了，熄滅后還會產(chǎn)生煙霧，污染環(huán)境等。

[評價與反思：在評估環(huán)節(jié)，除了一些常規(guī)的知識內(nèi)容以外，還需要讓學生反思探究的過程，思考探究活動中的各種行為，回顧解決問題的方式，從而讓學生對探究內(nèi)容、探究方法等有更加深刻的認識。之所以設計蠟燭和LED燈兩種光源，就是為了讓學生進行對比分析。如：LED燈可以認為是面光源，而燭焰可以認為是點光源，等等。這能夠引導學生積極發(fā)表自身見解，發(fā)展評估意識。此外，還可以引導學生辯證地看問題，如蠟燭雖然有上述缺點，但有來源廣泛、價格便宜等優(yōu)點。]

（三）實踐應用：辨別焦距不同的凸透鏡

學習活動：利用凸透鏡成像的規(guī)律，嘗試辨別給出的兩個焦距不同（5 cm和10 cm）的凸透鏡，闡述具體的方案。

預設：方法1，直接測量;方法2，利用兩倍焦距處物距等于像距，成倒立、等大的實像的規(guī)律;方法3，利用推理規(guī)律……

[評價與反思：在實踐應用環(huán)節(jié)，可以通過解決實際問題來評估學生的學習效度，也可以通過作圖的方式形成物理模型，促進學生理解成像的原理，如利用學生貼圖的作品，結(jié)合成像光路來判定像所貼的位置是否精確。]

實踐發(fā)現(xiàn)，基于UbD理論進行教學設計可使教學流程變得更加順暢。同時，由于學習活動都指向評估證據(jù)，因此，學生在參與學習活動時更有目的性。在此基礎上，通過單元整體設計，學生知識的形成具有更完整的結(jié)構和邏輯。這也使學生在應用學科知識解決實際問題的實踐中表現(xiàn)得更為突出。

參考文獻：

[1] 格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰.理解為先模式——單元教學設計指南（一）[M].盛群力，沈祖蕓，柳豐，等譯.福州：福建教育出版社，2018.

[2] 崔允漷，張紫紅，郭洪瑞.溯源與解讀：學科實踐即學習方式變革的新方向[J].教育研究，2021（12）.