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基于模型建构科学思维培养的单元作业设计策略初探

广东教学报

广州市第三十三中学

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【摘要】落实“双减”政策背景下，如何提升义务教育阶段初中物理单元作业设计质量？本文以人教版初中物理第五章《透镜及其应用》（以下简称《透镜及其应用》）单元作业设计为例，探讨基于培养模型建构科学思维的单元作业设计的目标提取方向、设计原则、实施内容的策略，以及单元作业整体设计后的实施效果分析。

【关键词】初中物理；单元作业；核心素养；科学思维；模型建构

从只关注课堂内教学情况，到关注课内课外整体设计单元作业设计，教学理念一直在发展。单元作业通常包含多个不同的部分，它们各有不同的特点，旨在帮助教师和学生更好地完成课程内容。《义务教育物理课程标准（2022年版）》明确：义务教育阶段课程改革从原来基础知识、基础技能要求向核心素养培育转型。核心素养意味着学习者具备独特的想象力和技巧，可以透过模拟现场情境来提出有效的方案。因此，统观整个主题进行课内课外的作业设计，通过丰富作业形式将课内的教学目标有步骤地延展到课外是相当有必要的。笔者以《透镜及其应用》为例，叙述基于模型建构科学思维组织单元作业的策略。

一、单元作业设计目标提取方向

单元作业设计从属于单元教学设计目标，没有脱离课堂目标实施，是为达到更好的教学效果。单元作业设计的目的提取方向，可以从以下三个方面进行。

（一）来自课程标准

单元作业设计的目标确定首先是来自课程标准。课程标准明确了教学的目的所在。《义务教育物理课程标准（2022年版）》大幅度改变了2011年版的内容，将有关凸透镜的会聚作用和凹透镜的发散作用内容纳入“了解”要求。为了更好地提高学生保护视力的意识，课标还增加了一些新的要求，比如理解人眼成像的基本原理，以及理解近视眼和远视眼的原因和矫正方法。这些均通过课内课后作业体现了情感价值观的要求。

（二）来自科学素养的培育方向

随着新课程改革进程的不断深入，初中物理的教学向提升教学效率和促进学生物理核心素养推进。物理教学需要向提升科学思维效率入手。科学思维在义务教育课程中被广泛提及，其中，包括建立模型、进行推理、进行论证、进行质疑和创新。《透镜及其应用》这一章以提取凸透镜成像规律模型，并应用这个模型为主。因此，科学思维的模型建构为本章的科学素养培育方向。模型建构能力既是核心素养中科学思维的重要一环，同时为其它素养的发展提供支撑。吉尔伯特（ Gilbert）认为：科学本身是建模的过程，而学习科学是学生学习建模的过程。初中阶段正是模型建构能力培养的关键期，单元教学设计明确科学思维培养的方向。

（三）来自教材

教材是教学的抓手，分析现行教材的内容，明确各章节甚至是课后练习题的组织方向，结合课程标准，才能明确各步的分解目的。《透镜及其应用》是《光现象》的应用部分，它不仅可以帮助学生更好地理解几何光学的基本概念，而且可以帮助他们更好地研究日常使用的光学仪器，从而更好地预防、调节近视或远视。“重视科学探究”“从生活走向物理，从物理学走向社会”的核心思想被深入融入《凸透镜成像的规律》课程中。初中物理第一节深入讲解透镜的概念；第二节详细阐述摄影机、投影仪、放大镜等设备的成像效果，让学生更加深刻地领略其中的精妙之处；第三节《凸透镜成像的规律》让学生能够运用科学思维去发现其中的奥秘；第四节和第五节让他们更加深入地掌握透镜的基本原理，从而更好地将其运用于日常学习和生活中。

（四）来自学生学情

“探究并知道凸透镜成像的规律”是一次综合学习过程，不仅包含对理论的把握，还包括对实践的把握。它旨在帮助学习者从理论上了解和把握凸透镜的光学规律，以便他们能够将理论运用到日常的工作和生活中。在课堂上，如果不注重培养学生的创新精神，学生就可能面临三个挑战。因此，在制定作业时，教师应该紧跟学生的思想。

难点一，学生在探索过程中缺乏思考的基础。他们对透镜的理解局限于它们可以产生正立的图像。但是，在使用照相机和投影仪时，他们还需要更深入地了解透镜的特性。

难点二，研究凸透镜成像规律的挑战性较大。这一课题既要求学生掌握有关凸透镜成像的基本概念，又要求其掌握“进行实验与收集证据”、“分析与论证”中凸透镜成像的具体操作步骤，以便更好地理解凸透镜成像的基本规律，从而培养其科研创新精神。通常情况下，一节课的教学内容太多，会出现更多重点和难点。

难点三：应用时学生容易被这个规律的多变吓倒。学生不是简单努力记住凸透镜成像规律，而是需要把凸透镜成像规律的物理模型在脑中成型，并根据这个模型进行应用和分析。

因此，本单元的教学设计和作业设计均按建立物理模型形式进行。通过阅读《眼睛和眼镜》和《显微镜和望远镜》，我们可以更好地理解凸透镜的成像原理并加以提升。

二、单元作业设计原则

（一）科学性

作业设计题目的选取一定要有科学性。每道题的选择，目标明确、精准选择。题目选取原则为展现学生思路的填空题和光路作图画图题。尽量让学生展现思路，这对于物理模型建构有提取、重复、巩固的效能。

（二）连贯性

课内课外作业要统一连贯、相互呼应，相互提升解决问题的抓手要连贯统一。“作业缺乏目标意识、随意化”“教学、作业、评价割裂化”“课时与课时内容碎片化”等问题，都是日常教学中常见的问题。比如，这个单元坚持使用“三条特殊光线”解决凸透镜成像问题，而不是让学生死记硬背二级或三级结论。连贯始终，学生抓手明显，学习信心才能大增。

（三）指向性

作业设计从整体结构框架，到题目选取都应指向培育核心素养。“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”都体现了物理学的内涵。《透镜及其应用》一单元的任务更加突显科学思维模型建构的重要性。它强调通过对客观现象的分析和推断，来推导和总结物理规律的重要性。钱学森指出，模型是将复杂问题分解成更小的单元，并利用我们已经掌握的原则来吸收主要因素、去除不重要的因素，从而创造出一幅完整的图景。《透镜及其应用》教学设计理念是贴合此物理模型构建理念的，其从生活中的透镜提取凸透镜成像规律建立模型，具体现象到提取模型，再到应用模型。教师在单元课后作业中要体现这种教学设计思路，并在螺旋应用中提升学生的科学思维素养。

（四）适应性

八年级的学生还是以感官输入、形象思维、体验感悟为主。本单元选取记录片《光的故事》作为光学第四、第五单元的前置作业。周六日布置操作性作业，让学生进行安全的尝试实验，并拍下实验录像。

三、单元作业目标确定

根据以上目标提取和设计原则，明确全章教学目标，《透镜及其应用》全章设计如下。

（一）培育学科素养目标的具体内容

（二）目标整合架构

四、单元作业内容

作业设计服从教学设计的整体要求。因此应该把整章书课时进行设计。

（一）《透镜及其应用》整章教学课时安排

本章共有五节内容。根据学生学情及实验课程的安排，新课教学中应安排7个课时进行教学，课时安排如下图：

（二）单元作业类型

根据整体单元教学设计，单元作业整体设计也围绕教学设计进行。单元作业设计分为：日常作业、前置性兴趣作业、周六日课外操作实验三大类型。

日常作业分为课内作业和课后巩固作业。课内作业，是利用课堂时间随教师讲解或实验进行，学生同步完成。课后作业按难度也分为基础类和提升类。提升类的作业给学有余力的学生作为选择性作业。

前置兴趣作业，以提升学生的兴趣入手。学生通过动手动脑的小实验和相关纪录片，在假期中达到提升学习兴趣、形成物理研究发展历史观的效果。

周六日课外操作性作业，学生学习后，在安全的情况下做一些操作性小实验或小制作，比如制作简易照相等，验证凸透镜成像规律，起巩固作用。

五、单元作业实施效果

整体单元设计实施后，教师对整体教学的把握流畅了，关注点不再聚焦于重点难点上，而是从学生思维发展、从形象思维到抽象思维考虑教学设计和作业设计问题。《透镜及其应用》单元作业实施后成效有以下两个方面：

第一方面，坚定利用三条特殊光线解决凸透镜规律；通过“具体现象——提取模型——应用模型”模型建立及应用，让学生对凸透镜成像规律有阶梯式上升的理解。

第二方面，兴趣引入和课后“动手动脑学物理”验证实验加入整体作业设计，让学习过程丰满又有趣味，适合初学物理的年龄阶段。教师通过《光的故事》这个纪录片回顾之前光现象研究的漫长历史过程，让学生了解光未来的发展动向。课后操作性实验作业首要是顾及学生在家操作的安全性。如，用纸板、镜片制作照相机；用玻璃杯和水滴观察凸透镜成像规律，均为安全性高、可操作的小实验。学生通过操作过的实验快速回顾知识和现象，能比题目分析来得感性许多。

总之，高效的单元作业设计是把碎片化的题目，通过带有具体主题教学目的、有效教学理念进行分层有序的整合，以适应不同进度的学生；把教学从课内延展到课外，把课堂中的物理带回到生活中的物理。优秀的单元作业设计是落实“双减”政策的手段，是教师提升教学质量的重要工具。

[本文系广州市海珠区教育科学规划课题“大单元下初中物理模型建构学科思维培养实践研究”（课题立项号：2023C070）成果]

参考文献：

[1]教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[S].北京师范大学出版社，2012.

[2]教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）[S].北京师范大学出版社，2022.

[3]钱学森.论技术科学[J].科学通报，1957，2（3）：290-300.

责任编辑温铁雄

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