摘要:高中物理实验教学的有效性会直接影响学生对该学科的理解及兴趣培养。UbD模式作为一种以学生为中心、强调深层次理解的教学设计方法,为高中物理实验提供一种全新的教学范式。本文基于UbD模式理论框架,以人教版高中物理必修一“相互作用—力”为例,探讨如何通过UbD模式设计高中物理实验教学,具体包括明确学习目标、设计关键实验问题、开展后向设计、强调科学方法的运用和完善综合性评价体系,以期促进学生在概念理解和实验技能方面的发展。

　　关键词:UbD模式高中物理物理实验教学设计

　　重视理解的课程设计(Understanding by Design,简称“UbD”)是由美国课程改革专家格兰特·威金斯(Grant Wiggins)、杰伊·麦克泰格(Jay McTighe)于1998年提出的一种教学设计框架。该模式重视学生的深刻理解和能力培养,而不仅仅看重记忆和应试。UbD模式的核心理念是使学生能够真正理解所学知识,而不仅仅是记忆表面信息。其认为,理解是持久性学习的关键,在不同学习情境中都是如此。UbD采用后向设计的方法,认为教学设计应该从学生预期的学习结果(目标和评价标准)开始,然后反向规划教学活动和资源,以此确保教学是有目的、有层次的,而不是零散地堆砌知识点。

　　实验是让学生亲身经历和观察物理现象的重要途径,通过实际操作,学生能够更直观地理解物理概念,加深对抽象理论的理解。本研究以人教版高中物理必修一“相互作用—力”的教学为例,探讨基于UbD模式的高中物理实验教学设计,关键环节包括明确学习目标、设计关键实验问题、后向设计、强调科学方法的运用和综合性评价等,具体阐述基于UbD模式的高中物理实验教学设计的流程和方法,以期为UbD模式在物理学习中的应用提供帮助。

　　一、明确物理学习目标,设计关键实验问题

　　在UbD模式下,明确物理学习目标是第一步,教师需要考虑学生在这个学习单元结束时应达到的理解水平,及应掌握的技能和知识。如在“相互作用—力”一章中,学习目标包括学生能够理解牛顿三定律的基本原理、能够识别和描述不同类型的力、能够应用牛顿第二定律解决力和加速度的问题。

　　设计关键实验问题时,教师需要设计可以激发学生思考、引导实验活动的核心问题,这些问题应该能够引导学生对物理概念进行实践性的思考和实验操作。关键实验问题能够引发学生对问题的兴趣,激发其好奇心,促使学生主动参与学习过程。设计关键实验问题有助于学生明确学习方向,确保实验活动与学习目标紧密对齐。通过解决关键实验问题,学生能深化对物理概念的理解,而不仅仅是记忆表面知识。在教学中,教师可以仔细阅读课标相关内容,确定学生需要达到的核心能力和知识;查看教材中该章节的学习目标和实验部分,以获得启示;考虑物理学概念在现实生活中的应用,从而形成关键实验问题。另外,教师还要考虑学生的兴趣和背景,设计能够引发兴趣的问题。如在“相互作用—力”一章中,关键实验问题可以包括如何证明牛顿第一定律、如何测量和比较不同物体所受的力、如何验证牛顿第二定律在实际情境中的应用等。通过这些关键实验问题,教师可以引导学生深入理解牛顿三定律,培养其实验设计和数据分析的能力。

　　二、进行后向设计,开展有层次的实验活动

　　在UbD模式下,后向设计强调从学习目标和评价标准出发,规划实验活动、教学资源和评价方法。后向设计能确保实验活动与学习目标密切相关,有助于学生达到预期的认知目标。有层次的实验活动会根据学生在认知层次上的不同水平,循序渐进地设计实验,以促进学生的全面发展。有层次的实验活动能够呈现学科知识的逐步深化,确保学习的连贯性和渐进性。不同学生在学科学习上的起点不同,有层次的设计可以更好满足不同学生的学习需求,促进个性化学习。

　　在高中物理实验教学中,教师可以仔细分析学科标准和教学目标,确保学习目标明确、具体、可操作。了解学生对该主题的已有知识水平,以便根据学生的差异制订实验活动。将实验活动划分为不同的层次,从简单到复杂,从基础到深入,确保每个阶段都有明确的学习目标。在设计中,教师要逐步引导学生深入理解概念,通过递进的实验设计帮助学生逐步掌握复杂的物理概念。以“相互作用—力”一章为例。教师可以根据目标开展有层次的实验活动。

　　层次一:了解牛顿第一定律

　　【实验活动】设计一个简单的实验,如将小车放在光滑水平面上,观察是否需要施加额外的力,小车能否保持匀速运动或静止状态。

　　【学习目标】理解物体在平衡状态下不受合外力作用或所受合外力为零。学生通过实验观察,逐渐认识到如果物体不受合外力作用或所受合外力为零,它将保持匀速运动或静止。

　　层次二:识别和测量不同类型的力

　　【实验活动】使用弹簧测力计,测量不同物体所受的重力、拉力等。学生可以尝试测量书本的重力,拉伸弹簧测量拉力,并观察力的变化。

　　【学习目标】识别和描述不同类型的力,掌握测量力的基本方法。学生通过实验探究,学会辨认不同类型的力,并了解如何使用弹簧测力计等工具进行力的测量。

　　层次三:应用牛顿第二定律

　　【实验活动】通过改变物体的质量和施加不同的力,测量物体的加速度。学生可以使用推车或改变物体的质量,同时测量所施加的力,观察加速度的变化。

　　【学习目标】应用牛顿第二定律认识力和加速度的关系,理解质量和力对加速度的影响。学生通过实验深入理解牛顿第二定律,探究力和物体质量如何影响物体的加速度。

　　在第一层次,学生通过简单的实验,观察物体在平衡状态下的行为。教师引导学生理解牛顿第一定律的含义,即物体在不受合外力作用或所受合外力为零时将保持匀速运动或静止。第二层次引入了弹簧测力计,学生通过测量不同类型的力,培养了识别和描述力的能力,为后续的学习提供基础。在第三层次,学生通过改变物体的质量和施加不同的力,观察加速度的变化,应用牛顿第二定律认识力和加速度的关系,这一层次的实验使学生更深入理解了物体运动的原理。以上分层设计能帮助学生在逐步深入的实验活动中全面理解物理学概念。

　　三、强调科学方法的运用,提供支持和反馈

　　在UbD模式下,强调科学方法的运用是为了培养学生的科学思维和实验技能。同时,提供支持和反馈是为了确保学生在实验过程中能得到及时指导,帮助学生克服困难,提升学习效果。强调科学方法的运用有助于培养学生提出假设、设计实验、收集数据、进行推理和得出结论的能力。学生通过实际操作,更深入地理解科学方法的应用,不仅学到了知识,还学到了解决问题的方法。教师可根据学生的个体差异提供支持和反馈,为学生提供有针对性的帮助,确保每个学生都能够参与实验中。

　　教师应明确科学方法的步骤,包括提出问题、制订假设、设计实验、收集数据、分析结果和得出结论。在开始实验前,教师要进行一次模拟实验,引导学生使用科学方法解决问题,这有助于学生厘清实验步骤。实验前,教师要引导学生提出问题,激发其好奇心,并促使学生思考如何通过实验来回答这些问题。在实验过程中,教师要实时观察学生的操作,及时提供反馈,帮助学生纠正错误,改进实验设计;鼓励学生在小组中讨论实验结果,分享观察和推理,促进合作学习,教师可以定期参与和引导这些讨论。

　　以“相互作用—力”一章为例。教师可以设计实验“探究施加不同大小的力对物体运动的影响”。首先,教师要向学生提出问题,如“施加更大的力会不会使物体的加速度增大”或者“物体在不同的力的作用下会有怎样的运动状态”。其次,教师要让学生根据问题制订假设,引导学生设计实验,选择不同大小的物体或施加不同大小的力,测量加速度,收集数据。让学生分析实验数据,比较不同力下物体的运动状态,验证或修改自己的假设。最后,教师指导学生得出结论,回答最初的问题,并将实验结果与牛顿第二定律的原理联系起来。

　　在上述实验中,学生运用科学方法,“提出问题—制订假设—设计实验—分析数据”,从而深入理解牛顿第二定律及力对物体运动的影响。教师在实验过程中应提供支持和反馈,确保学生能正确理解和应用科学方法。

　　四、确定评价标准,对学生进行综合性评价

　　在UbD模式下,确定清晰的评价标准有助于对学生的学习成果,包括实验报告、数据的收集和分析、科学方法的运用、实验报告等方面,进行全面评估。通过综合性评价,可以更全面了解学生对物理知识的掌握程度和实验能力。教师要仔细阅读课程标准,明确学生应该掌握的核心能力和知识。在UbD模式下,基于明确的学习目标,确定与这些目标直接相关的评价标准,确保评价标准涵盖多个元素,包括实验设计、数据的收集和分析、科学方法的运用、实验报告等。评价标准还要做到具体、明确,可以量化和具体描述学生的表现水平。在开始实验前,教师可以通过示范实验报告、数据分析等方式,向学生展示满足评价标准的范例。

　　以“相互作用—力”一章为例。评价标准可以制订如下:

　　假设学生A进行了关于力和加速度关系的实验,教师根据上述标准制订了评价标准。在实验设计方面,学生A在问题陈述和假设制订上的表现较好,但在实验材料的选择上略显不足。在数据收集与分析方面,学生A准确测量了力的大小,但在图表的绘制上出现了一些失误。在科学方法的运用方面,学生A提出了较合理的假设,并使用科学方法设计了实验步骤。在实验报告方面,学生A的报告结构清晰,但在语言表达和使用科学术语上仍有一些可以提升的空间。在综合评价方面,学生在实验设计和科学方法运用方面表现较好,但在数据分析和实验报告方面还有一定进步空间。

　　确定评价标准有助于学生明确学习目标,并明确期望达到的水平。教师可以利用评价标准为学生提供具体的反馈,指导学生改进学习方法和实验设计。通过多方面的评价标准,教师能全面了解学生的实验技能,科学思维及数据分析等方面的能力。

　　五、结语

　　基于UbD模式的高中物理实验教学设计为教师提供了一个全面且可行的框架。借助对“相互作用—力”一章的详细案例分析,本文指出UbD模式在激发学生兴趣、培养深层次理解和实验技能方面的优势。在实验设计过程中,明确学习目标、设计关键实验问题、后向设计等步骤的有机结合,能够为学生提供一个有层次、系统性的学习体验。强调科学方法不仅能鼓励学生在实验中运用科学思维,还有助于培养学生的实际问题解决能力。设立明确的综合性评价标准,能帮助教师全面评估学生的学习成果,为个性化的支持和反馈提供依据。未来,教育工作者可以进一步探索UbD模式的应用,为高中物理实验教学带来更深远的革新。

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