指向高中物理核心素养的大单元教学设计*
——以《光的波动性》为例
刘文 常州市第三中学 213000
摘要：教育部颁布的《普通高中物理课程标准》凝练出了物理学科核心素养，给一线教育工作者下达了“大目标”、“大任务”，本文以人教版选修3-4光学模块为例阐述指向高中物理学科核心素养的大单元教学设计的模式与流程，以教学设计属性表的方式从学习大任务、大单元知识结构、教学重难点、教学策略、课时规划、活动结构、作业设计、教学评价这八个方面呈现，以期给广大物理教师提供参考。
关键词：高中物理核心素养；大单元教学设计；光的波动性
2017年底，教育部颁布了《普通高中物理课程标准》，将原先的“三维目标”整合、提升、凝练为物理学科核心素养，给一线教育工作者下达了“大目标”、“大任务”。这就要求我们在教学过程中不能“管中窥豹”，要成体系、有计划的实施教学。
就人教版高中物理选修3-4光学部分的授教经验与所查阅的资料来看，学生突出显现的问题有：使用临界法解决光的全反射问题的思维方式不够成熟；光现象的应用的区分容易混淆；干涉、衍射的实验探究印象不够深刻；缺乏对各种光现象进行对比分析的意识。
指向高中学科核心素养的大单元教学设计指的是基于学习立场、以培养学生的正确价值观念、必备品格和关键能力为宗旨，打破教材单元的编排局限，采用整体备课的思想，以学年、学期或月份等为单位，进行“大单元”式授课，先从形式上给予学生整体性的观感，在日后教学中通过各种教学环节的设计，逐步实现综合性的视角和思维，以重构学科知识逻辑体系和情境为内容的教学方案的设想与计划[1]。
1 大单元教学设计模式与流程
大单元教学设计主体分为三个模块。根据《课程标准》、教材、学生学情、教学资源等因素，首先，确定大单元教学的名称为《光的波动性》，确定此模块课时数为17个课时。其次，对单元内容进行整体化、结构化梳理，给出大任务、给出思维导图或结构属性表。最后设计出主体内容的学习方案，其中应包含教学目标：期望学生学会什么？教学过程：学生经历怎样的学习过程？作业与检测：学生真的学会了吗？能力真的掌握了吗？评价任务：怎么知道学生的综合掌握情况？学后反思：学生通过怎样的反思来改进自己的学习[2]。
2 大单元教学设计表述方式
大单元指的是以多节内容为载体的完整教学事件，更加强调逻辑主线的描述，包含的内容较多，以表格的形式来进行展示更加清晰明了，以下为《光的波动性》这一大单元的属性表[3]：
大单元属性表 | |||||||||||||||||||||
大单元名称 | 大单元课时数 | ||||||||||||||||||||
光的波动性 | 17 | ||||||||||||||||||||
学习大任务 | |||||||||||||||||||||
物理观念 | 对光的反射、折射、干涉、衍射、偏振现象形成科学的观念 | ||||||||||||||||||||
科学思维 | 形成建立模型、类比分析、临界与极限、理论推演、小量近似的科学思维 | ||||||||||||||||||||
科学探究 | 增强理论探究与实验探究能力 | ||||||||||||||||||||
科学态度与责任 | 形成科学严谨的物理学习与研究作风 | ||||||||||||||||||||
学习大概念 | |||||||||||||||||||||
大 单 元 知 识 结 构
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说明：圆形表示逻辑主线、矩形表示规律、六边形表示概念、菱形表示其它。 | ||||||||||||||||||||
大单元教学重难点 | |||||||||||||||||||||
全反射、杨氏双缝干涉实验、衍射图样、光的偏振 | |||||||||||||||||||||
大单元学情分析 | |||||||||||||||||||||
知识储备 | 1.学生在初中已经习得光的折射与反射现象，但大多以定性为主，以平面镜与透镜成像为主； 2.学生在机械波中已经学习机械波的干涉、衍射现象，这为本大单元的习得垫定了良好的基础。 | ||||||||||||||||||||
学习难点 | 1.学生折射公式易出错：采用 2.涉及数学几何知识的全反射问题易出错：强调画图顺序、临界法的使用； 3.干涉、衍射的应用易出错：采用对比分析的教学方式； 4.光现象的图样分辨易出错：演示实验与学生实验。 | ||||||||||||||||||||
大单元教学策略 | |||||||||||||||||||||
本单元主要研究光的四种现象，重点内容都涉及到实验探究，且这四种光现象在生活中不易被察觉，所以本单元的教学策略主要是科学探究。 在全反射、双缝干涉、劈尖干涉、薄膜干涉等与数学几何知识联系密切的部分要特别注重从抽象到具体的处理方式——建模；在光的折反射与全反射、光的干涉衍射与波的干涉衍射、光的双缝干涉与光的单缝衍射、圆盘衍射与圆孔衍射部分要特别注重对比分析的处理方式；在全反射部分要特别注重临界的处理方式；在几类图样的条纹间距公式部分要特别注重理论推演。 在这些教学策略中一定不能采用教师“自导自演的灌溉式教学”，应以引导者的角色以提问、实验、组织辩论、报告、探究等形式提高学生的参与度，让学生自己学、主动学。 | |||||||||||||||||||||
大单元课时规划 | |||||||||||||||||||||
第一课时：光的反射定律、光的折射定律 第二课时：折射率、测量玻璃折射率 第三课时：全反射 第四课时：折射中的色散 第五课时：习题课 第六课时：杨氏双缝干涉实验（实验结论） 第七课时：光的干涉（理论推导）、 第八、九课时：干涉中的色散、劈尖干涉、薄膜干涉、牛顿环 第十课时：习题课 第十一课时：单缝衍射实验 第十二课时：圆盘衍射（泊松亮斑）、圆孔衍射 第十三课时：衍射中的色散 第十四课时：习题课 第十五课时：光的偏振、偏振片 第十六课时：激光 第十七课时：章节复习课 | |||||||||||||||||||||
大单元活动结构 | |||||||||||||||||||||
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上述表格中的活动大结构仅仅是串接大单元逻辑主线的几个主要活动，真正开展教学的过程中，必然还有其它各种各样的活动来完善每一节课。除了展示粗略的活动结构外，还应就每一个活动进行详细的展开，受篇幅限时，现以光的干涉为例展示活动细节。
《杨氏双缝干涉实验》活动属性表 | |
活动指向 | 光的干涉 |
活动目标 | 1.观察光的干涉现象，体会干涉图样的特点。 2.熟知杨氏双缝干涉实验装置；掌握实验原理、数据处理方法；了解实验注意事项、误差分析。 3.感受光的波动性，对光的波长的数值有初步印象。 4.提高实验探究能力，实验现象观察能力，逻辑分析能力。 |
活动资源 | 杨氏双缝干涉演示仪、matlab干涉演示软件、干涉演示flash（选用）。 |
活动过程 | 提出问题：光到底是什么物质？光的本质是什么？ 提问意图：该提问能够让学生心存疑惑，有利于活动开展。有不少同学甚至在学完光的干涉以后都不知道我们为什么要学习光的干涉，该提问就能引导学生感受实验的目的。
提出猜想：光是一种波或粒子 补充：该过程可以使用答题器形成两派来让历史重现，让学生身临其境，感受物理学家的研究过程。
实验验证：使用双缝干涉演示仪演示光的干涉现象 补充：科学家们在进行研究时，最重要的一步就是实验验证，要思考怎么验证，用什么样的仪器验证，所以在实验演示时，教师不应直截了当的拿出器材，简单介绍就开始演示，而是应该通过设问逐步引导学生说出需要怎样的实验器材，哪怕学生可能回答不出来，也应有这一思考过程。
理论推导：理论推导双缝干涉条纹间距公式，渗透小量近似的物理思维，为实验的继续进行提供理论依据。
总结与再提问：既然光是一种波，那么光的波长是多少？ 实验再验证：通过理论数据和实验数据的对比得出光的波长并进行误差分析。
再总结：在提出猜想的过程中，可能会给学生造成光要么是一种波要么是一种粒子这种对立关系的错误观念，实验结束后，教师应及时纠正。 |
活动评估 | 1.实验器材的设计是否合理。 2.实验过程中，学生是否认真观察，是否能够根据实验现象迅速给出问题答案。 3.实验数据处理是否准确，比如总间距是否除以间距个数得到相邻条纹间距、数据的指数、单位、保留形式、计算是否正确等。 4.误差分析是否合理。 注：在各个环节中，尽量留有纸质答案，可以是简短的几句话或几个词，如果时间或条件不允许的话，教师也要注意课堂观察或是成立小组进行组长评价及组员互评。 |
大单元活动完成后，还要进行大单元学习评价，评价内容应与目标相对应，对科学观念的树立、科学思维的形成一般以习题的形式进行评价，在评价之前要将与物理观念对应的内容进行细化、罗列展示，受篇幅限制，本文举例言之。
《光的波动性》大单元物理观念、科学思维评价 | |
…… | …… |
G.X.1:光的干涉图样判断 |
A．A、B、C三个位置都出现亮条纹 B．B位置出现暗条纹 C．C位置出现亮条纹或暗条纹由其他条件决定 D．以上结论都不对 |
A．P和P1都是亮条纹 B．P是亮条纹，P1是暗条纹 C．P是暗条纹，P1是亮条纹 D．P和P1都是暗条纹
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设计意图：例题1旨在让学生明白亮条纹、暗条纹的产生原因以及此刻并不处在波峰或波谷处的点应该如何判断，其中C点是一个难点。例题2旨在让学生理解白屏上的点是静止不动的，动的是亮暗条纹以及掌握使用比值法快速判断处改变波长下的亮暗性质。利用答题器发布答题卡，对比正确答案判断学生的掌握情况。 | |
…… | …… |
对科学探究素养养成的评价则以课题探究、辩论、汇报等形式展示，本文举例言之。
《光的波动性》大单元科学探究评价 | |
…… | …… |
G.T.1：光的干涉
| G.T.1.1探究可见光波长范围：通过改变入射光频率，测得不同色光的波长，给出可见光波长范围，撰写实验报告。 |
G.T.1.2探究光的干涉的应用：探究劈尖干涉的形成原理、口头汇报简单阐述检验器件平整度方法、口头汇报牛顿环的形成原理。 | |
G.T.1.3探究光的干涉的应用：探究薄膜的形成原理、口头汇报生活中出现的薄膜干涉、口头汇报增透膜的制作原理。 | |
G.T.1.4探究光的干涉中的半波损失问题。 | |
G.T.1.5搜索光的干涉在生活生产中的应用，形成书面报告。 | |
…… | …… |
简而言之，与单元相比较，大单元不仅仅是教学内容的重组，更是完整教学事件的描述。与传统教学设计相比较，大单元体现在“大”上，不是对每一节的具体描述，而是对一个大单元的概括性描述，它能够帮助我们从更高的站位去审视教学。然而这也就意味着在一些细节性描述被忽略，所以大单元教学设计与传统教学设计不是对立的关系，而是相辅相成的关系。
【参考文献】
[1].崔允漷.学科核心素养呼唤大单元教学设计[J].上海教育科研,2019(04):1.
[2].崔允漷.指向学科核心素养的教学即让学科教育“回家”[J].基础教育课程,2019(Z1):5-9.
[3].徐淀芳,汤清修.中学物理单元教学指南[M].人民教育出版社:北京市海淀区,2018.07:18.
*本文系江苏省教育科学“十三五”规划2020年度课题“指向高中学科核心素养的大单元教学设计研究”（课题立项编号：B-a/2020/02/04）阶段性成果；
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