基于“为理解而教”的初中物理教学设计与实践
——以“欧姆定律”教学为例
在基于威金斯和麦克泰格所提出展现的“追求理解的教学设计”也就是UbD理论的情形下, 系统地对阐述呈现UbD理论所产生具有的“逆向设计三阶段”框架, 这一框架分别是确定预期结果、确定评估证据以及设计学习体验, 在《欧姆定律》教学里有着具体的应用初中物理本科进修目标，凭借汽车安全行驶过程包含的“酒精浓度检测仪”以及“汽车近光灯”等情境, 将其贯穿于教学的整个过程之中, 进行设计表现性任务以及系列化的探究活动, 以此来破解存在的“重公式记忆、轻概念理解”等重重问题, 最终达成实现对物理本质的深刻理解以及促使科学思维取得纵深发展, 进而达成实现能够“为理解而教”。
关键词： UbD理论；为理解而教；欧姆定律；逆向设计
正文
引言：从“教知识”到“促理解”的教学转向
《义务教育物理课程标准（2022年版）》, 简称为“课标”并明确提出, 物理课程要“以主题为线索去构建课程结构”, 要“注重科学探究还倡导教学方式多样化”, 其目的在于培养学生的物理观念、科学思维、科学探究以及科学态度与责任等核心素养, 这和格兰特·威金斯与杰伊·麦克泰格在《追求理解的教学设计》（by , UbD）里所倡导的理念极为契合。UbD理论着重强调“为理解而教”, 它的核心是“逆向设计”, 也就是说在教学过程中, 首先要明确预期的学习结果（即弄清楚理解什么）, 紧接着去确定能够证明学生达到这些成绩的证据（也就是怎样来评估）, 最后才着手安排与之相应的教学活动（即怎样去开展教学）。
由最基本、最重要的规律算在内且属直流电路, 欧姆定律是电学当中的核心内容, 其中之一便是电流、电压以及电阻之间可以加以揭示的定量关系, 此等关系在后续电能关联、电功关涉以及电热方向的学习进程里发挥着关键性质起到铺垫的作用。然而, 当下的教学实际情况显示出来了, 关于这一内容的教学过程常常被简单化处理成这样, 先是“实验探究”, 接着“得出公式I=U/R”, 再进行“例题讲解”, 随后乃是“大量习题操练”, 学生尽管能够熟练地运用公式去做计算, 可是对于定律的物理内在含义、适用的条件以及当中所蕴含的能量观、系统观缺少深刻的理解, 在面临真实的情境之时相当难以达成有效的知识迁移, 这种“知道其然却不知道其所以然”的学习结局, 明显是与物理学科的本质相背离的, 其根本原因在于教学设计一直停留在了“灌输—接受”的表面层次, 并没有触及到能够促进学生“理解”的深层架构。
本文是基于UbD理论框架的, 它结合了第十六届全国中学物理青年教师教学大赛中张雪老师《欧姆定律》那一节的课堂实录, 针对人教版九年级物理教材第十七章第2节《欧姆定律》的教学做了重构与新探, 阐述了怎样借助逆向设计方法, 把“为理解而教”的理念转变为具体的教学实践, 引领学生超越表层的公式记忆, 从而达成对欧姆定律物理内涵以及科学价值的深刻理解, 为发展学生物理核心素养提供有效路径。
1 理论框架：UbD理论与理解性教学
1.1 UbD理论的核心要义
UbD理论的核心是“逆向设计三阶段”：
阶段一: 将预期结果予以确定。教师得把学生应当知晓的内容明确出来, 还得把学生能够做到的事情明确出来, 极为关键的是, 教师要把学生应当理解的内容明确出来。这里所讲的“理解”, 是指那些能够实现迁移的、具备持久价值的核心观念, 以及需要持续进行探究的核心问题。
阶段二: 将评估证据予以确定。于目标明确之后, 教师需要进行思考, 思考什么样的证据能够用来证明学生已然达到了所期望达成的理解水平。评估方式要有多元化的特点, 一方面应当纳入传统测验, 另一方面更要有设计具备真实性的“表现性任务”, 要让学生通过自身创作过程、制作成果、表演表达等多样形式来展示其理解的程度。
第三阶段: 开展学习体验设计。最终, 教师去规划一系列成连贯状态的学习活动, 以此来确保学生拥有获取所需知识以及相应技能的机会, 接下来经历探究的进程用以构建理解, 进而保障学习过程具备有效性以及吸引力。
1.2 理解的多维性与教学指向
“理解的六个侧面”是UbD理论评估“理解”程度的重要工具：
解释： 能够对现象、数据和观点提供深入、系统的理论阐释。
阐明： 能够讲述故事、提供转化，说明事物的重要意义。
应用： 能够在新的、多样化的情境中有效地运用知识。
洞察： 能够批判性地看待观点，听到不同的声音。
神入： 能够深入体会他人的情感和世界观。
自知： 能够意识到自己的思维模式及其对理解的影响。
关于课标于“能量”主题里的“电磁能”部分内容当中, 对于欧姆定律所提出的要求是, 去探究电流跟电压、电阻之间的关系, 进而理解欧姆定律, 这一要求涵盖了丰富的内涵。
强调对于欧姆定律的学习, 得是在学生亲自经历的实验探究过程这个基础之上才行, 在这之后, 要引导学生去对证据也就是信息进行处理以及分析, 接着再进一步去推理得出欧姆定律, 它不单单是知识结论, 更是探究方法跟科学精神的载体。
“理解”这种定位, 要比“知道”或者“认识”远远更高, 它需要学生去对定律的内涵, 有那样深刻的认识, 还要对它的外延明白得透彻, 对于适用条件也得清楚得很, 然后对于和其他概念的联系, 也要有深入的认知, 并且, 能够在实际的那种情境当中, 把这些都用于实践。
核心素养导向, 此内容直接关联物理观念, 即形成电流、电压、电阻相互关系的能量观与相互作用观, 也关联科学思维, 也就是运用数学工具去处理数据、建构模型、进行批判性思考, 还关联科学探究, 包括设计实验、分析论证, 并且关联科学态度与责任, 像是了解物理学史、尊重事实、探究真理。
对于《欧姆定律》的教学而言, 这所意味着的是, 教学目标不该仅仅驻留在学生具备能“解释”公式的能力上, 而是应当去追求, 能“阐明”控制变量法的价值以及定律的物理意义, 能“应用”定律去解释现象、设计电路、排查故障, 能“洞察”定律的成立条件以及局限性, 并且能够通过“深入”体会科学家欧姆的探索历程, 最终实现“自知”, 也就是去反思自身的学习策略以及思维习惯。
2 教学设计与实施：基于UbD的《欧姆定律》理解性教学
基于理解的教学设计理论即UbD理论, 与课程标准理念, 都着重强调, 要把以深刻的理解以及素养的形成为最终目的当回事, 要把以探究性和反思性的学习过程作为途径来看待。并且, UbD这一理论, 为落实, 课程标准 的要求, 提供了清晰的、可操作的教学设计框架。
2.1 阶段一：确定预期结果——我们期望学生理解什么？
持久性理解：
有关于能量以及相互作用的一种观念, 当中提到, 在电路里, 电流产生了, 它是电压这种推动电荷运动的驱动力, 加上电阻这种阻碍电荷运动的因素, 二者共同作用所导致的结果, 而且电流还是电能跟其他形式能量相互进行转化的基础。
观念是关于科学方法的, 自然界里存在多个变量共同存在的问题, 这个共存问题能够借助控制变量那种科学方法来展开有效探究, 而数学乃是表达物理规律之时最为精确的语言。
科学本质所具有的观念是, 物理定律存在着其特定的适用范围以及条件, 真理具备相对性。比如说, 欧姆定律对于金属、电解质溶液而言是恰当的适用, 然而对于气态导体, 像日光灯管、霓虹灯管中的气体, 还有半导体元件、电子管、晶体管等却是不怎么合适适用的。
核心问题：
针对概念性问题, 电压是怎样如同类似“推手”那般, 与电阻如同“障碍”一般, 二者共同去决定电流的强弱程度呢?
方法性的问题是, 我们要怎样, 如同科学家那般, 借由实验以及数据分析, 去找出隐匿的定量规律呢?
哲学范畴的问题: 欧姆定律是不是那种在任何地方都绝对适用的真理? 它得以成立所需要的是哪些条件?
学习目标：
物理观念：理解欧姆定律初中物理本科进修目标，知道欧姆定律的适用条件。
科学思维, 能够运用欧姆定律去处理简单的电路方方面面的疑难, 进而培育出那种分析综合以及演绎推理方面的能力。
于科学探究之中, 借助回顾那呈现电流和电压、电阻定量关系的实验数据, 经归纳总结之后从而得出欧姆定律。
就科学态度与责任而言, 做到去了解欧姆定律的实际运用情况, 进而体会到物理是能够服务于生活的, 以及会给人类带来便利之处, 并去关注科学技术对于生产生活所产生的影响。
2.2阶段二, 确定恰当的评估证据, 我们怎样才能晓得那学生是不是已经做到理解了?
意在评估学生是不是达成了上述深层次的理解情况, 评估方式肯定必要超越传统的选择题以及公式计算题, 得要设计出能够让学生展现其思维过程还有迁移能力的表现性任务。
表现性任务：
目的: 你的职责是去构思一个科普展板, 或者是创作一个微视频, 面向公众以及同学, 就好比是学校科技节的那些参观者, 去阐释酒精测试仪的工作原理。
角色：你是一名担任科学讲解员的九年级学生。
对象：参观展览的非物理专业背景的家长和低年级的初中同学。
面临这样一个情境, 要把一种很复杂的科学仪器原理, 以容易理解的方式展现出来, 并且着重去讲它的核心, 具体是欧姆定律怎样被应用的。
产品是展板草图, 一幅有图而且有文字说明的科普展示用草图里边包含简化着的电路图、公式以及文字说明, 还有一段讲解词那讲解词时长不超过3分钟。
标准：评估标准将围绕“理解的六个侧面”制定：
表达：能够精准地清晰表明气敏电阻的阻值, 凭借酒精气体浓度改变的规律。（科学无误精密）
清晰地说明, 能够明确地阐述, 电流表呈现的示数发生变化, 这到底为何能够反映出酒精的浓度, 且要达到逻辑清晰的标准。
应用包括, 能够运用欧姆定律去开展简单的计算, 举例来说, 像是求气敏电阻阻值这种情况。（迁移应用）
有能力, 指出, 该定律, 在此装置里成立的条件, 像电源电压稳定这样的情况, （批判思考）
首先, 讲解所用风格具备能够吸引听众的性质或者能力。其次, 要对自身是怎样去理解这一原理方面展开反思。
其他证据：
对于实验报告进行分析, 着重去评估, 关于实验方案设计的那种合理性, 还有数据记录的严谨性质, 以及图像绘制的规范特性, 以及结论归纳的逻辑条理。
课堂之上进行提问以及研讨, 提出具备高阶思维的问题, 像是“要是想将直接改动电流表表盘成浓度表盘, 刻线是不是齐整均匀的呀 为什么会那样 “小灯泡组成的U到I的曲线为何并非状若直线这样的情况呢”, 借由这在当下诊断学生对于内容理解所到达的深度。
给学生布置这样一项任务, 让他们去绘制思维导图, 这个思维导图是以“欧姆定律”作为核心的, 要把里面的电流、电压、电阻以及控制变量法等相关概念进行链接, 之后再对他们知识结构的整合程度做评估。
2.分为三个阶段, 其中阶段三是，设计学习体验以及教学, 那么, 我们要怎样去组织教学活动, 以此来达成理解呢?
基于元素（Where,Hook,,,,
,）规划学习过程（如图1）。
图 1 基于 元素 的欧姆定律学习规划
2.3.1 W, 也就是明确学习方向（Where）, 还有 H, 它是钩住兴趣（Hook）。
刚开始上课时, 教师先给学生呈现出本节课的“最终挑战”, 也就是表现性任务, 这份任务是酒精测试仪科普讲解, 并且教师还简单讲说了评价标准, 这让学生从最开始就清楚学习的“目的地”, 也清楚了“成功标准”, 进而激发了他们学习的内在动机。
教师创设这样一个情境, 从“道路千万条, 安全第一条。行车不规范, 亲人两行泪”以及“开车不喝酒, 喝酒不开车”等这些交通安全提示语开始引入, 接着播放“交警查酒驾”的短视频, 之后展示真实的酒精测试仪, 再然后现场让学生体验一番使用过程, 最后提问: “酒精测试仪是怎样知晓司机是否饮酒的? 它的内部隐藏着什么样的物理秘密? ”就是这样一个具备真实性又富有冲击力的情境, 瞬间把学生的兴趣给“钩住”了, 进而引出本课的核心问题。
这时, 教师拿出自己制作好的“酒精浓度检测仪的简化模拟电路”（图2）进行展示, 向学生介绍简化模拟电路的核心构成部分, 引领学生剖析其原理, 并抛出本节课的关键疑点: “凭借转化的思维, 可以利用电流表的指针摆动来体现酒精气体浓度数值的变动, 那么能不能依据电流数值精准确定当下酒精气体确切的浓度数值呢? ”如此这般为学生打开“把电流表改造成酒精气体浓度表”的探索之门。
2.3.2 E——探索与体验（）
对于上节课“探究电流与电压、电阻关系”的实验结论, 进行复习与铺垫, 予以回顾。提出问题, 问到: “在实际应用里, 常常会出现导体的电阻R以及导体两端电压U同时发生改变的情形, 当电阻R跟电压U同时增大或者同时减小的时候, 电流I会怎样改变呢? ”引导学生从定性的分析转变为定量研究, 从对单一变量的控制过渡到对多变量的分析, 从而促进思维呈现阶梯式发展。
带领学生回顾正比例函数y=kx, 给出问题: 对于电流I与电压U成正比, 该怎么列出式子呢? （答案是I=kU）, k的值是啥? 它跟电阻R存在怎样的关系? 让学生分组处理计算上节课的实验数据, 分别算出多组数据里的k值（k=I/U）。学生会惊讶地察觉, 对于同一导体, k是个确定的值, 而且k值越大, 电流越易于通过, 也就是电阻R越小。进而发现k=1/R, 最后得到I=U/R。让学生先基于实验, 随后凭借数学推理以及图像分析, 去构建并知晓欧姆定律, 这对培育学生“能够借助信息比对或者图像剖析找出当中的可疑之处, 进而得出结论并且作出阐释”的能力是有帮助的。
思政教育, 让学生回顾欧姆定律建立的过程, 以此提醒学生, 欧姆定律并非瞬间一下子就被得到的, 讲述介绍欧姆艰辛的研究历程, 从而使学生领悟科学研究的精神。
简易应用: 借由例题1（把一盏近光灯甲连接于6V的电源两端, 灯丝的电阻大概是2Ω。求取通过灯丝的电流）着重强调“单位的统一性”, 规整答题格式, 稳固基础。
2.3.3 R——反思与重新思考（）
进一步深化认识在这样一种情境下展开进行: 以例题1作为基础条件, 教师此时向学生展示出甲以及乙这两种不同规格的汽车近光灯, 这两种灯在看上去的时候二者外形是相同的, 并且其灯丝专门是采用同一种材料制作而成的。之后接着让引导学生启动思考流程, 运用他们自己所学习到的知识去进行猜测, 猜测如果把这两盏灯彼此分别将其连接到相同的电压之下, 那么在这种情况下, 流过哪一盏灯的电流会更大一些? 并且还要说出为什么会这样? 在学生借助观察灯丝粗细、长短进而猜想电阻大小, 最终得出结论之后, 再展示例题2, 此例题为将另一盏近光灯乙连接在6V的电源两端, 并且测得此时的电流约为4A, 进而求此灯泡工作时的电阻, 这会让学生在运用欧姆定律变形公式进行计算之际, 初步了解“伏安法测电阻”的原理。随后教师提出本节教学的迷思问题为, 由公式R=U/I, 能不能说导体的电阻与电压成正比, 与电流成反比? 通过引导学生, 使其从电阻属于导体本身属性这个角度出发, 展开批判性思考, 进而深刻领会公式的物理意义以及变形式的内涵。学生经历了一系列过程, 在此过程中, 先是进行观察猜想, 而后开展实验验证；再进行应用计算, 接着进行理论分析。正是因为经历了这些, 学生实现了知识的延续, 达成了思维的进阶。所以引导学生感悟到, 其实内因这一关键要素才真正对成功达成着主要影响作用, 把格物致知适当且精准地融入进课堂教学当中。
知道测量电阻的原理之后, 教师各自测量出当中一盏近光灯于各异电压下的电流, 并且绘制出它的U - I曲线, 突破局限（达成“洞察”）。对比定值电阻的U - I曲线, 引导学生观察发觉, 定值电阻的曲线呈直线, 然而灯丝的曲线为曲线。进而教师进行提问: “欧姆定律对哪一个元件能够成立? 这表明了什么? ”, 借助认知冲突, 引导学生自行得出结论: 欧姆定律适用于线性元件, 并非所有导体。这属于对本课知识的重大深化以及反思。
思考和讨论, 明白欧姆定律涵盖在运用的时候得留意“同一性”“同时性”准则。为防止教师单方向灌输, 能够让学生历经发现问题, 接着分析问题, 随后解决问题的进程, 加深对于欧姆定律应用的注意事项的认知。问题设计如下:
如图3所示, 电源两端所具有的电压是12V, 在这个时候电流表示数呈现为0.1A, 依据题目给出的已知信息, 能不能求出在这个时刻灯丝的电阻, 在这样的基础之上仅仅增加一个物理量, 那么能够增加什么样的条件, 请讲出你的解题过程。
此类开放性的问题, 使得学生对公式的理解得以加深, 培养了学生思维所具备的深刻性以及发散性, 并且还为学生对于“酒精测试仪”电路的理解, 做好了理论方面的铺垫。
2.三点四E, 进行展示与评价, 括号内内容, 与T/O, 也就是量身定制与组织, 以及符号&。
将应用与迁移的内容, 回到课前的那个被称作“酒精测试仪”的上面, 在那里展开综合计算以及深入分析, 从而揭开体现其作用的工作原理。关于其中的一道例题3, 所示的图4乃是某一款酒精浓度检测仪的电路原理图。已知电源所提供的电压是3 V, 滑动变阻器R0接入到电路里的电阻大小为10 Ω, 刚好是这个时候向气敏电阻那里释放酒精气体, 电流按照这个情况流过电路时为0.05 A。
（1）求定值电阻R0两端的电压；
（2）求气敏电阻两端的电压；
（3）求气敏电阻的阻值；
（4）因气敏电阻阻值随酒精气体浓度变化, 依据此变化曲线图, 去查找与之相应之酒精气体浓度值, 而后据此判断是否达到酒驾的标准。
在学生完成计算后, 教师进行引导总结, 我们借助电流表的示数, 计算出气敏电阻的阻值, 通过查找图像找出与之对应的酒精气体浓度值, 这意味着电流值 I 与酒精气体浓度值 n 呈现出一一对应关系。把电流表表盘上的电流值隐去, 将电流的单位更换成酒精浓度的单位，如此一来一个电流表就能被改装成酒精气体浓度表。并且在实际的酒精浓度检测仪里有一个酒精传感器, 通过该装置发射电信号, 进而精确地反映出酒精气体浓度值。在方才所进行的研究进程当中, 我们借助模型建构这种法子, 把实际生活里会应用到的繁杂仪器予以简化剖析, 此乃科学。而把简单的模型最终转变成为具体实用并且便于操作的实物的这般过程, 是需要质疑创新的, 这便是智慧。
总结完毕后物理好资源网，小组讨论并开始构思最终的“科普展板”方案。
差异化教学, 包括两方面, 其一, 为那些学有余力的学生, 提供拓展任务, 像分析电位器R0在电路中的作用；其二, 给那些需要帮助的学生, 提供实验的连接示意图, 或者公式换算应用的提示卡。
2.3.4 总结与升华
诱导同学交流本节课所获, 不光交流知识, 更交流方式、感悟以及疑惑（自我认知）, 这是让学生进行总结。
当教师进行升华时, 是从欧姆定律的公式开始着手的, 在此基础上展开价值引领而言道, “电压就好像是我们在追求目标之际所拥有的动力, 电阻恰似前进道路上遭遇的困难, 而电流便是我们最终收获的进步。期望同学们在往后的学习生活里面, 能够持续不断地‘自我增压’（也就是增强动力）, 减小‘电阻’（也就是克服困难）, 尊重规则, 进而让青春的‘电流’奔腾不止、一路繁花似锦！”这样做的目的在于将物理学习与人生教育相互结合起来。
3 教学实践反思与启示
《欧姆定律》教学的设计是依据UbD理论开展的, 它在理论层面具备自洽性, 在实践方面收获了不错的成效。对整个设计历程予以反思后认识到, 要达成真正的理解性教学的话, 我们得到了如下这些启示:
为向着“理解”这个目标前行, 逆向设计成为了路径: 首先要明确理解最终所呈现的样子, 接着去思考能够用以证明理解的证据, 最后再设计教学活动, 这样一种“以终为始”的思路保证了所有的教学活动都是紧密地围绕着核心目标而展开的, 且避免了教学出现随意性以及盲目性。
对理解起到催化促进作用的是真实情境, “查酒驾”的情境, “汽车车灯”的情境, 把抽象的物理规律跟现实世界紧密连接起来, 让知识学习同生活实际紧密关联, 有效激发了学生的学习动机, 是为深化概念理解创设的有意义的情境。
评估理解的关键在于表现性任务, 一个设计良好的表现性任务, 它能够整合知识、技能与理解, 能让学生在解决真实问题时综合运用所学, 全面展示其对知识的理解水平以及应用能力, 并且是评价核心素养发展水平的有效手段。
“反思”环节, 是达成深度理解的阶梯, 教学里, 特意设置的辨析性问题, 像理解R=U/I, 还有认知冲突, 如线性与非线性元件, 可让学生心甘情愿地停下脚步, 再度审视并调整自身原有的认知结构, 进而实现概念的转变以及理解的深化。
实践表明, 把“为理解而教”的UbD理论运用到初中物理教学设计里, 把“逆向设计”当作基本的依循, 将“理解为先”视为核心的理念, 如此能够高效地融合教学目标、评估以及学习体验, 引领学生在掌握知识技能之际, 历经深刻的科学探究历程, 培育高阶思维能力以及科学本质观。将来, 数量众多的中学物理教师, 应当更加踊跃地去借鉴UbD这类的现代教学设计理论, 针对传统教学内容展开深度的重新构建以及创新, 使得物理课堂切实成为能够启迪学生智慧的地方, 成为培育核心素养的所在, 成为推动深度学习的生动区域。
