刘 娜，崔 琰，李春密

1.中国人民大学附属中学，北京 100086

2.北京市海淀教师进修学校，北京 100089

3.北京师范大学，北京 100091

《普通高中物理课程标准（2017年版）》明确提出了发展学生物理学科核心素养的四个方面：物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。深度学习作为落实核心素养培养目标的现实途径，成为现阶段所提倡的一种教学理念。深度学习的定义为：在教师引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功并获得发展的有意义的学习过程。其最终目标是培养优秀的学习者和具备“未来社会历史实践主人”所应有的素养和能力的人。深度学习既是教学理念，又是教学改进的方向、思想方法、宏观原则和策略。深度学习是“学习”这一“宏观巨系统”的最优整合，是“学习系统”的最优化状态，是学生发展核心素养、提升关键能力、实现全面发展的必由之路。

1 单元教学设计的基本内涵

物理学科自身的抽象性、逻辑性和系统性导致了它具有难度大、学习有效性低等问题。在新课程实施的背景下，物理教学中存在课程目标与有限学习时间的矛盾、学习活动与学习进度的冲突等实际问题，而解决途径之一就是开展单元教学设计。单元教学设计是一种新型备课方式，面向一章或一个专题的内容，将备课的重点从单个知识点的传授转向有意识地引导学生梳理知识之间的关联，感受概念和规律的意义，感知物理思想方法在科学研究过程中的作用，体会物理学的本质。单元教学设计要求教师在备课过程中将物理教学的关注点从思考“是什么”转向“为什么”和“怎么办”；从知识维度转向认知过程维度；从单纯地教授学生学习概念、公式转向引导学生思考在此处引入这一概念的原因及采用什么方法解决面前的问题和任务，以期为学生提供能够展开分析、评价和创造的学习场景，从而达到培养学生高阶思维、发展物理学科核心素养、提升关键能力的目的。

2 单元教学设计的实施路径

单元教学设计可按照先整体分析、后统一设计两个环节展开，如图1所示。

图1 “单元教学设计”实施路径图

单元教学设计的整体分析主要从4个角度展开：第一，完整地分析知识内容之间的逻辑顺序；第二，区别知识内容的概念层级；第三，挖掘知识背后的核心素养；第四，分析学生的知识基础、实验基础、能力基础、潜在的错误认识、思维障碍点以及在本单元所能达到的认知极限。

在整体分析之后开始统一设计。设计是单元教学设计的核心任务，是将整体分析成果外显成教学活动的重要环节。设计主要包括设计情境、任务、问题和学习过程。首先，在整体分析的基础上建构统领整个单元课堂学习的真实大情境。情境学习要满足学生的思维特点和认知发展规律，对培养学生科学推理能力有积极作用，是促进知识和能力同时增长的有效途径，是发展学科核心素养的重要手段。其次，由于真实情境是一个复杂的问题系统，在展开科学研究前，就要先引导学生提炼其中具有“挑战性”的核心任务。“挑战性”任务应“超越教科书水平”。根据“最近发展区”理论，学习任务既要与学生认知相符合，又要达到“学生跳一跳才能够得着”的要求，即任务必须能激发出学生的兴趣和求知欲，需要教师在主题情境的基础上用心设计。最后，将任务分解成若干适合研究的物理问题：将日常问题表征为物理问题，随后让学生在教师设计的学习过程中经历提出猜想、验证猜想、形成概念、最终解决问题的研究过程。

3 单元教学设计案例——“万有引力定律”

采用单元教学设计实施路径讨论“万有引力定律”单元教学设计。

（1）梳理单元的逻辑顺序和知识关联：既要分析单元内部的知识内容，也要兼顾在整个高中学习中的地位和作用；既要考虑单元内知识点的关联，又要整合与其相关的单元外知识点，形成一种前后衔接的、最符合认知发展路径的学习逻辑顺序，从而构建相关知识网络体系。本单元的知识发展顺序如图2所示，力学讨论的关键问题是“力和相互作用的关系”。首先，分别单独学习运动、力及运动和力的关系；然后，讨论已知受力研究运动情况的平抛运动和已知运动研究其受力情况的圆周运动；接着，人类把视线移向了天空，在历代前辈观测总结的基础上提炼出了行星的运动规律——开普勒三定律；紧接着，思考行星为什么会做这样的运动，进而推测出太阳和行星之间力的形式；接下来，牛顿运用对比思想提出了月地统一的伟大猜想，进而通过月地检验实验提出了万有引力定律；最后，提出这一理论的实践检验是通过其成就和应用间接证实的，并不是理论的终点，随着人类对科学认识的深入以及探测手段的提高，逐渐发现这一理论的局限性，这也是本单元最后一节内容，体现了科学的暂时性。

图2 “万有引力定律”知识发展顺序

（2）分析知识点之间的概念层级，区分知识不同的层级。不同知识点所对应的概念层级不一样，分别为学科核心概念、学科下面的主题核心概念、主题核心概念下的重要概念和基本概念。对概念层级的分析有助于教师把握知识深浅层次。图3表示了该单元在整个力学系统中的位置以及与其他知识点之间的关联，其中行星运动和万有引力是基本概念。行星运动属于“圆周运动”，而圆周运动与平抛运动和直线运动都属于“机械运动”主题核心概念之下的“运动分类”这一重要概念。万有引力是相互作用的一种，相互作用涵盖在“运动与相互作用的关系”主题核心概念之下，在此主题核心概念之上是“运动与相互作用”这一学科核心概念。在“万有引力定律”之后的学习内容中与本单元相关的还有机械能、行星因运动而具有的动能、星体之间万有引力产生的引力势能，都涵盖在“机械能守恒”规律下。机械能守恒是主题核心概念“功能原理”的一种。功能原理描述的是做功与能量转化之间的关系，与“运动与相互作用关系”并列为“运动和力”之间的两种不同表现形式，前者是功和能的角度，后者是牛顿运动定律的角度。功能关系属于“能量”这一学科核心概念。

图3 “万有引力定律”知识网络图

（3）挖掘知识背后隐藏的物理学科方法，并在此基础上思考如何在教学过程中渗透核心素养。本单元的学习过程本身就是一个完整且真实的科研进程，其背后蕴含着丰富的思维方法和核心素养。这一科研进程可分为七个环节，如图4所示。首先要准确观察：精准的观测永远是科研的第一步；在此基础之上归纳规律（开普勒三定律）；形成假说（月地统一的伟大猜想）；随后通过实验进行验证（月地检验）进而形成科学理论（万有引力定律）；之后对理论进行检验（成就及应用）；最后阐释其局限与发展（相对论初步）。以上七个环节也是科研过程中的必要操作和关键步骤。

图4 “万有引力定律”科研进程

为了将“万有引力定律”的科研进程引入教学设计，需要从核心素养的视角来进行分析。首先，讨论本单元知识背后蕴含的科学探究。科学探究是科研过程中的“浅表层”，其中的四个要素体现了研究者解决问题的能力。比如，问题意识是能够提出科学假说的前提，不仅要有提出问题的意识，还要有提出指向明确且合理的科学问题的能力。证据意识体现在月地实验验证中，成功分析数据并进行推理离不开证据意识。此外，月地检验中不能缺少解释能力，解释能力是解释所提出的理论和想法的能力，包括自我批判、解释和完善。同时，在一个理论不断完善的过程中还离不开交流能力。

其次，科学思维是科研进程中的“深皮层”，体现了研究者的思维模式和认知能力。比如，从自然现象到物理规律的过程、从归纳到产生假说的过程离不开建模能力和思维。从产生假说到提出系统的实验验证方案需要科学推理的逻辑能力、概括能力、分析能力等。从科学理论的诞生到推广发展需要科学论证的能力。不同于证据意识，科学论证是基于一定的事实进行论述和辩证的能力。此外，在理论检验的过程中还要有质疑创新的能力。

仅具备上述素养还不足以推导出万有引力定律，在推导行星之间力的过程中还有大胆猜测的成分，在科研过程中体现为直觉意识或科学信仰（属于物理观念范畴）。

同时，本单元中有大量适合开展课程思政的内容，如航天载人、中国航天梦。在学习过程中渗透科学态度和责任，为学生全面发展提供了一个很好的学习场景。

（4）寻找学生在本单元学习过程中的思路发展和学习进阶路径。学生在此之前学习了牛顿运动定律和圆周运动，有天体运动的科普经验，大部分学生知道地心说和日心说，对中国航天的成就有所耳闻，并具备初步的推理分析能力和实验探究能力。本单元的认知目标是在学习知识的同时发展学生学科核心素养和能力。如图5所示，在学习开普勒定律的过程中丰富学生的运动观念，在讨论星体之间力的过程中突出运动与相互作用的观念；在日心说和地心说的争辩中提高质疑创新和科学论证的能力；在星体之间的力的推导和万有引力定律的应用中锻炼建构模型和科学推理能力；在相对论的初步学习中感知科学本质；在月地统一的伟大猜想和月地检验过程中培养科学探究能力；在航天事业伟大成就的学习过程中树立正确的科学态度和社会责任。

图5 “万有引力定律”单元核心素养

在以上分析的基础上设计本单元的学习活动。首先，设计能统领整个单元的大情境：播放“天问一号”发射到火星和“嫦娥”系列发射的视频，阅读中国探索太空的资料，了解近年来中国发射的卫星和空间站建设。随后，提出具有挑战性的核心学习任务：如何把飞行器发射到其他行星或卫星表面。之后教师追问：为完成任务，需要研究哪些问题？引导学生分析、分解任务。对此，学生可能给出的答案有：行星和卫星的运动规律是什么、运动的原因是什么、如何成功发射卫星。接下来，在师生共同讨论的基础上确定本单元的具体问题：①太阳系的行星有何运动规律？②什么形式的力导致了行星如此运动？③行星及同步卫星的周期、线速度、角速度以及加速度有何特点？④设计把“嫦娥五号”发送到月球表面的发射方案。最后，具体设计每一课时的学习活动。

4 总结

基于深度学习的单元教学是目前在有限课时内深化高中物理教学改革较为可行的实践措施。因此，单元教学设计成了眼下一线教师急需学习和转变的新型备课模式。本文利用该实施路径对“万有引力定律”展开了单元教学设计的内容分析，初步呈现了这一单元的设计雏形。