江苏省教育科学“十三五”规划重点资助课题

指向高中学科核心素养的大单元教学设计研究

（课题编号：B-a/2020/02/04）

子课题开题报告

子课题名称：学科核心素养视角下的高中物理大单元教学设计研究

课题主持人： 刘文 任芝

开题日期： 2020.11.5

一、选题背景

（一）课题的核心概念及其界定

1 核心概念

学科核心素养是物理学科育人价值的集中体现，是学生通过物理学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品格和关键能力。

大单元教学设计是在一个完整的“大任务”驱动下，组织成一个围绕目标、内容、实施与评价的“完整”的学习事件。大单元是由素养目标、课时、情境、任务、知识点等一系列要素组成，在大情境、大任务与大问题的驱动下，将这些要素按某种需求和规范组织起来，形成一个有机整体。

2 易混淆概念

单元，即教学单元，是教材和教学活动的基本单位。通常代表课程中相对独立的学习模块。教学单元的确立依据：一是学生的思维结构和过程，对应形成概念的思维活动的段落；二是学科知识的逻辑体系，把性质相同或有内在联系的部分组织在一起。

3 本课题概念界定

物理学科的核心素养是由物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任构成。物理观念代表知识的内化，是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识。科学思维代表关键理论能力，包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素。科学探究代表关键行为能力，包括基于观察和实验提出物理问题、形成猜想与假设、设计实验与制定方案、获取和处理信息、基于证据得出结论并做出解释，对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。科学态度与责任是必备品格，要求学生能够逐步形成探索自然的内在动力，形成严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，遵守道德规范，具备保护环境并推动可持续发展的责任感。大单元教学设计是指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。

所以，指向高中学科核心素养的大单元教学设计就是基于学习立场、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，以重构学科知识逻辑体系和情境下运用为内容的教学方案的设想与计划。

（二）选题理由

1 培养高中生物理学科核心素养

大单元教学设计有利于学生从整体上把握学科知识的重难点、构建系统的知识体系；

确立了“以学习者为中心”的观念，有利于培养学生的实践探究能力。

2 提高物理教师教学设计专业水平

大单元教学设计有利于提升教师专业化水平，督促教师对教学内容进行更高层次的再构思。

改变了教师的学生观和教学观，从关注知识、习题、分数等，到着眼于关键能力、学科思维、品格与观念的培养。

3 建设大格局高中物理课程与案例集

大单元教学设计提升教学设计的站位格局，指向学科核心素养本质，改变物理学科教学碎片化、单一化局限。

二、研究现状

1 国内外关于“物理学科核心素养”的研究现状

以篇名中包含“物理学科核心素养”为索引条件，找到与主题高度相关的论文共计147篇，由下方的走势图可以看出自2015年起，该主题的研究热度逐年上升，为近几年的热点话题，具备可挖掘价值。由下方的饼状图，筛选与本课题研究相关度较高的主题后，笔者发现更多的研究者偏向于研究基于物理学科核心素养的“物理知识”、“教学设计”、“教学策略”。其中“物理知识”中主要包含：1.物理知识结构、发展模型的构建；2.物理知识生活化研究；3.物理概念、规律的情境研究等。“教学设计”则采用案例研究方法居多，大多是一节课或一小部分知识的研究，不具整体性、总结性。“教学策略”也多以某一节课为例，简单阐述对这节课实施了什么和怎么实施了教学活动，没有归纳总结出一般模式。

2 国内外关于“大单元教学设计”的研究现状

以篇名中包含“大单元”为索引条件，论文共计215篇，从走势图中可以看出在2019年，该主题的研究篇幅呈陡崖式上升，再以“大单元教学设计”为索引条件，论文则只有12篇，同样也是在2019年陡然升高，纵观这12篇论文，其中语文、体育学科居多，地理、生物较少，而基于物理学科的大单元教学设计几乎没有，这是研究领域中的空白区域，值得我们去研究。

已有针对“大单元教学设计”的研究主要集中于大单元教学的内涵与特征研究、实践中的要素和步骤研究、与传统教学的对比分析研究、教学模式探究、对教学及学生的影响研究。笔者认为，针对“大单元教学设计”的现有研究存在一定问题：1.大单元教学的设计与撰写缺乏宏观和系统的策略分析。大量文章仍旧针对某一单元、某一课时进行教学片段的撰写或课例研究，拘泥于微观、细节的探讨上。2.研究结果中呈现教师缺乏“基于学生能力的大单元教学设计”意识。不少教师盲目的，甚至错误的认为“创造性使用教材”就是拼凑单元教学内容，为了追求主题的扩大化、多样化，将关联不大的内容归入同一主题下，生搬硬套，格格不入，无形之中增加了学生的负担。

3 本课题研究价值

大单元教学设计，是撬动课堂转型的一个支点，是对重视学生综合素养的突出体现，在“核心素养—课程标准—单元设计—学习评价”环节中，处于关键地位。

从物理课程角度，大单元设计提升教学设计的站位格局，指向学科核心素养本质。大单元设计改变物理学科教学碎片化、单一化局限，其出发点不再是一个知识点、技能点，而是指向学科核心素养的教学倡导大观念、大项目、大任务与大问题的设计。

从教师角度，大单元设计改变了教师的教材观、学生观和教学观。大单元教学设计有利于提升教师专业化水平，反映教师对整堂课的构思。尤其是从关注知识、习题、分数等，到着眼于关键能力、学科思维、品格与观念的培养。

从学生角度，大单元设计与实施确立了“学生是学习主体”，“以学习者为中心”的观念。大单元教学有利于学生把握学科知识的重难点，有利于学生构建系统的知识体系，有利于培养学生的实践探究能力。

总之，大单元教学设计，优化教学内容的逻辑体系，克服以课时内容组织教学的弊端；有助于教师角色的转变以及学生的学习方式的转变，突显学生的主体性；提升教师教学设计能力，是学科核心素养落地的关键路径。

三、研究目标

1.形成基于核心素养的大单元主题内容的确定标准；

2.梳理物理学科大单元教学设计的基本流程；

3.构建物理学科大单元教学设计模式；

4.构建物理学科大单元教学设计模式的评价机制；

5.形成物理学科大单元教学设计案例库。

四、研究内容

1 厘清物理学科核心素养目标体系

物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、实验探究、科学态度与责任这四个大方面，这是我们进行教学设计的“照明灯”。为了使得目标指向性更为明确、具体，我们还要对物理学科核心素养进行解读。

1.1物理观念

有学者认为物理观念指的就是以往说法中的物理概念和规律。《普通高中物理课程标准》对物理观念的阐述是：“物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识。是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华。是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。”显然物理观念不仅包括最基本的认识，还包括从物理概念与规律中提炼、升华之后的为了解释自然现象和解决实际问题的上位观念。

1.2科学思维

通过学习物理学科，我们希望学生不仅仅是知道了揭示自然界的诸多真理，更希望能够在建立这些知识体系的过程中发展科学思维和研究方法，《课标》中就科学思维指出“‘科学思维’是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，是基于经验事实建构物理模型的抽象概括过程，是分析综合、推理论证等方法在科学领域的具体运用，是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判、检验和修正，进而提出创造性见解的能力与品格。从以上阐述中，《课标》希望学生能够在学习过程中逐步形成建构模型、抽象概括、分析综合、推理论证、质疑创新的能力。笔者认为对于这些能力的具体体现就是学生掌握了具有物理特色的学科方法，例如能够熟练运用抽象法、极限法、比值定义法、控制变量法、理想实验法等。

1.3 科学探究

关于科学探究，相信大家并不陌生，提到科学探究，可能脑海中就会冒出“做实验”的想法，《课标》中将原来的“进行实验和收集证据”改为了“获取和处理信息”，其目的就是避免大家认为科学探究就是实验探究，这对学生的要求有所提高，希望学生除了实验探究，还要掌握其它探究方法，例如理论探究。不过，掌握科学探究的大致步骤仍旧是问题→猜想→求证→解决问题。

1.4 科学态度与责任

与原有三维目标中的“情感、态度与价值观”不同之处在于科学态度与责任更增加了“科学本质”的渗透，让学生明白自然界是可以被认知的，科学理念是会发生变化的，科学并不能为所有问题提供完整答案，让学生能够揭开科学的面纱，理解学科的本质。

2 研究提高学生核心素养的方式方法

明确了大任务、大目标之后，接下来便是找到完成任务、实现目标的方法，笔者通过文献综述，

发现现有的学习方式多种多样，可分为：（1）讲授式，如传统讲授方式、微课教学方式。（2）探究式，如课题探究式、导研式。（3）讨论式，如自主互助式。（4）体验式，如情境式体验教学。（5）对话式（6）自主式，如导向型自主学习、自主互助式（7）合作式，如小组合作式、同伴互助式（8）差异式，如分层教学。（9）翻转课堂。（10）第二课堂。每种教学方式都不是完全独立、对立的关系，每种教学方式都有其优劣势，将它们有机整合为“大单元教学设计”服务才是我们所要研究的。

3 以方式方法为引导、以学生情况为背景，重组教学内容、重设教学思路

3.1“新授课”方案设想

以“电场”这一大单元为例，其一，我们希望学生能够成为具备科学观念的人，那么“电场”中的主干内容库仑定律、电场强度、电势仍旧采用讲授模式，区别于传统讲授模式，笔者认为可以采用“问题串”、“专题辩论”、“预先发布演示实验视频并撰写报告”、“概念测试题”等方式为学生创造各种学习思考的情境，让学生充分表达自己的认知，在辩论、质疑、讲演中牢固树立物理观念。其二，我们希望学生成为具有科学思维的人，这些能力是指学生自身所具备的，是在其独立自主的学习过程中逐步养成的。教材“电场”部分中的“静电平衡”具备大篇幅描述性文字，虽然静电平衡过程复杂，但逻辑清晰有条理，非常适合自学模式。当然学生进行自主学习不代表教师可以放任不管，与此同时，笔者打算采用目标驱动策略，利用我校睿易派平板平台发布自学专题的目标要求、预习前问题串和预习后检测题，利用答疑功能进行网上辅导讨论与交流。其三，我们希望学生具备科学探究能力，“电场”中的“电容”部分则可采用专题探究模式，给出明确目标：探究电容的影响因素是什么，跟这些影响因素有怎样的关系，开放课程基地实验室，实验后撰写实验报告。其四，学生的科学态度与责任培养则是渗透在整个学习过程中，如若我们希望将其单独划分出来，笔者认为物理学史课程便是很好的载体，通过感受物理学体系的不断修正和物理科学家的不懈努力，来培养学生的科学态度与责任。大单元教学设计以属性表的方式呈现：

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

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

的形式方便记忆；

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

3.2 “复习课”方案设想

传统的复习教辅书中往往按照知识点罗列，学生难以发现知识点间联系而出现基础公式都记不住、记不牢的现象。如果我们以某一个“大问题”为主线引领知识点，例如“电场强度的大小如何求解？”或是让学生思考、讨论、总结，众人拾柴火焰高！或是教师作为引领者以简单情境引导初求解方法。以概念为主的如电场线可以补充知识点，以规律为主的如库伦定律可以补充典型例题。

这样一来，在保持主线清晰的同时，又能将很多细枝末节穿插呈现。此外，学生无需转换主语物理量，降低记忆难度，高效梳理知识点。

3.3 “习题课”方案设想

微专题：综合图像问题

1.一质量为

可视为质点的物块受到水平向右的恒力，在光滑足够长水平面上静止从原点处开始运动。设物体静止时开始计时，地面为零势能面，水平向右为正方向。定性画出物体的位移

随时间

、速度

随时间

、动能

随位移

、机械能

随位移

变化的图像.

2.将一质量为

可视为质点的小球以初速度

竖直向上抛，小球受大小恒定的空气阻力

，设从抛出时刻计时，抛出点为原点与零势能点，初速度方向为正方向。定性画出物体从开始运动至落回抛出点的过程中，速度

随时间

、动能

随位移

、机械能

随位移

变化的关系图像.

3.将一质量为

可视为质点的小球以初速度

竖直向上抛，整个过程中小球均受到摩擦阻力

，设从抛出时刻计时，抛出点为原点、零势能面，初速度方向为正方向。定性画出物体从开始运动至落回抛出点的过程中，物体的速度

随时间

、机械能

随位移

变化的关系图像.

4.（多选）在磁感应强度为

，范围足够大的匀强磁场内，固定着倾角为

的足够长绝缘杆，一质量为

、电荷量为

的带电圆环从杆上静止滑下，圆环与杆间的动摩擦因数为

，设滑动时电荷量不变，沿杆向下为正方向。其中

是圆环的速度、

是圆环运动的时间、

是圆环的加速度、

是圆环的位移、

是圆环的动能。以下图像正确的是（ ）

5.将一可视为质点的小球从两侧等高的光滑半圆弧轨道的最左侧从静止下落，设从抛出时刻计时，定性画出小球恰好滑至最右侧的过程中，小球动能

随时间

变化的关系图像.

以上述学案为例，我们的设计思路是以大问题：“图像问题如何解决？”为主线，囊括了水平方向直线运动、竖直上抛、自由落体、在斜面上运动以及圆轨道上运动等多个物理模型，涉及到了匀加速直线运动公式、牛顿第二定律、功率、动能定理、功能关系、洛伦兹力等多个知识点，在综合视角下找相同点，强化学生的物理观念，提升学生的科学思维。与此同时，我们还注重培养学生的良好习惯与规范，养成学生严谨的科学态度。通过重组教学内容、重设教学思路将原本看似无关的物理模型有机整合，构建系统的知识结构。

五、研究方法

1 文献研究法

利用“中国 CNKI 学术文献总库”、“万方数据库”及参考学术文献等途径，收集相关文献，对文献资料进行梳理与分析。了解高中物理单元教学设计现状，分析已取得成果和存在问题，为研究奠定坚定的研究基础。从理论上，探索物理大单元教学设计的基本框架并分析要素、特点与策略。

2 案例分析法

搜集物理单元教学案例，针对高中物理单元教学设计多角度分析，论证教学策略的可行性，并对实施环境中出现问题进行反思和总结。

3 调查分析法

制定调查表对我校师生进行问卷调查和现状分析，反思并及时改进研究过程和方法，优化设计过程。

4 行动研究法

在完成一轮实践的基础上反思总结，优化方案后进行二轮研究。

六、实施步骤

1 实施步骤

（1）解读高中物理核心素养，找到大目标，大任务。

（2）在目标导向下，研究“确定大单元主题内容”的标准。

（3）根据标准并查阅文献搜集提高核心素养的教学方法。

（4）通过问卷调查、访谈了解物理学科大单元教学现状。

（5）结合现状，构建符合校情的大单元教学设计模式。

（6）依据设计模式，在高一高二年级进行一轮实践。

（7）实践再总结、再反思、再改进，在我校高一高二进行二轮实践。实践同时建立大单元教学设计评价体系。

（8）依据评价体系对两次实践进行考量，结论进行总结。

2 任务计划

2020.04-2020.06 前期文献研究，完成师生访谈与问卷调查

2020.06-2020.09 完成高中物理大单元教学设计案例库收集

2020.09-2021.09 实施一轮实践，归纳总结实践策略、设计模式与评价体系

2021.09-2022.06 实施二轮实践，撰写研究报告，丰富案例集，形成论文集

2022.06-2022.09 整理实践过程中的感悟与启发，继续完善研究报告、案例集、论文集。

七、创新之处

1 主要观点

（1）大单元不是内容单位，而是整合的有机的学习单位；

（2）大单元提升教学设计的站位格局，尊重和指向学科核心素养本质；

（3）大单元教学实现教学设计与素养目标的有效对接，改变了教师的教材观、学生观和教学观；

（4）大单元教学设计是实现学科核心素养的最佳途径，也是新课标的迫切要求。

（5）没有任何一种教学方式方法是万能的，只有将这些方法在大单元思想下结合实际情况进行有机整合，才能高效的提高学生的核心素养。

2 创新之处

（1）在大单元教学理念的引导下，更具综合性、层次性、关联性地进行教学内容的重组，促进学生物理学科核心素养的螺旋递进式发展。

（2）在大单元教学设计思想的总纲领引领下，将多种教学方式方法进行有机整合，将学生的物理学科核心素养的养成落到实处，使知识学习多样化、情景化、深度化。

八、预期成果

成果名称

成果形式

完成时间

责任人

阶段成果（限5项）

高中物理大单元教学现状调查

调查报告

2020.2

高中物理大单元教学案例库

教学案例库

2020.6

高中物理大单元教学设计策略方法研究

论文

2021.6

高中物理学科核心素养视角下的大单元教学设计模式

论文

2022.9

高中物理学科核心素养视角下的大单元教学设计评价体系

论文

2022.9

最终成果（限3项）

高中物理学科核心素养视角下的大单元教学设计研究报告

研究报告

2022.9

高中物理学科核心素养视角下的大单元教学设计研究案例集

案例集、视频

2022.9

高中物理学科核心素养视角下的大单元教学设计研究论文集

论文集

2022.9

九、评审意见

专家评议要点（侧重于对课题组汇报要点逐项进行可行性评估，并提出建议，）

1.课题选择有价值：标题为核心素养视角下，而不是单纯的论证核心素养，研究内容更侧重于实践与总结。

2.课题选择有意义：学生知识零散易混淆，不会迁移与类比的现象频繁的出现在日常教学中，究其原因就是教师在教学中缺乏整体性备课，未能从学生的思维障碍点着手。大单元教学设计能够更好的建构学生的知识体系，通过知识迁移、对比分析来突破难点。

3.研究分类再斟酌：课题内容的研究不应以课型来研究，这样太过于宽泛，要选择某一个亮点进行深入研究。例如近几年来，高考试卷试题趋于情景化，以“万有引力中的航天问题”为例，从航天器的发射、升空、环绕、变轨这一系列的操作能否使用同一情境将其囊括在内，这样一来就可以将所有内容串起来。再比如从学生的思维障碍入手，以“标量、矢量”为例，为什么学生区分不了匀速直线运动与匀速圆周运动的运动性质？为什么学生分不清电场强度与电势？都是因为学生没有很好的掌握矢量、标量的特性，因此，教师要做的则是一个“统整”工作，找寻上位观念，适当的进行“负迁移”。这些工作才是有意义的突破教材的局限，进行内容的再构造。

评议专家组签名

年 月 日

四、重要变更（侧重说明对照课题申报评审书、根据评议专家意见所作的研究计划调整）

对照课题申报评审书及评议专家意见，课题决定将实践放在复习课中，以学生思维障碍为原始出发点进行大单元教学设计。

课题主持人签名：

年 月 日

五、所在单位科研管理部门意见

科研管理部门盖章

年 月 日