基于UbD-PBL的初中物理跨学科实践的逆向设计研究

——以“量角器电路的设计与制作”为例

                                                上海市第四中学 高莹婷  

摘 要   本文基于UbD（逆向设计）与PBL（项目式学习）理论，构建“UbD-PBL双循环模型”，以 “量角器电路的设计与制作”为例，开展初中物理跨学科实践研究。实践表明，该模式能有效提升学生对欧姆定律等核心概念的理解，培养其工程思维和问题解决能力，为跨学科实践探索提供参考案例。

关键词   逆向设计（UbD）；项目式学习（PBL）；跨学科实践；素养

当前我国基础教育课程改革已经进入了核心素养目标的时代，旨在为新时代培养能够解决复杂问题的复合型、创新型人才。为了搭建学科知识向素养达成的重要支架，跨学科实践在《义务教育物理课程标准（2022年版）》中被作为物理课程内容结构的一级主题出现。此外，《义务教育课程方案（2022年版）》还规定教师应利用不少于10%的课时来落实跨学科主题学习。这对以分科课程为主流的传统学校教育提出了新的命题和挑战。

在开展跨学科主题学习的尝试过程中，我们往往容易踏入两个误区：为了综合而综合的“去学科化”、没有基于素养目标进行结构化设计的“学科拼盘”。这两个结果归根结底都是设计者没有基于目标来设计教学。UbD（Understanding by Design)教育设计框架强调以“理解”为核心，认为最好的设计应该是“以始为终”，以学习结果开始的逆向思考。其主张的“目标—评价—体验”的设计逻辑，虽然与许多教师的直觉矛盾，但评价前置能更好地确保“教—学—评”一致，更好地促成理解的发生。PBL（Project－Based Learning）学习法强调真实问题驱动，强调学生在主动探索现实世界的问题和挑战的过程中领会到更深刻的知识和技能，实现跨学科整合，这与跨学科主题学习“做中学”的主张是高度契合的。考虑到跨学科与UbD和PBL在理念上的契合，同时考虑到UbD和PBL的共同点和互补性，笔者采用"UbD-PBL双循环模型"来设计“量角器电路的设计与制作”这一跨学科实践活动，运用UbD为跨学科实践活动的设计提供结构化框架，结合PBL为学习体验和教学的设计提供实施路径，最后运用UbD来修正设计。

1 基于UbD-PBL的“量角器电路的设计与制作”跨学科实践教学设计。

1.1 阶段1：确定预期结果——锚定学科大概念与跨学科目标

UbD和PBL都强调聚焦于概念性知识的学习。如果没有概念，事实性的知识将处在零散的水平上，而概念可以让学生将事实性知识作为材料和内容来进行抽象性的思考。^【1】本项目是上科版九年级第十二章“欧姆定律”的跨学科实践活动，“欧姆定律”这一单元学习涉及到物理课程一级主题“能量”下的“电磁能”主题，因而统领整个单元学习的核心物理观念是“能量转化观”。而要实现电能与其他形式的能之间的转化，必须依赖电路这个载体。同时我们不能忘记跨学科是在学科本质理解的重要基础上的整合，而假如我们要关注理解，我们应该把表现性任务或项目抛锚在单元或课程中，因为它们能提供证据表明学生是如何结合实际情况运用知识的。^【2】所以笔者准备用“量角器电路的设计与制作”这一跨学科实践来串联起这一单元的学习。又由于在“电路设计与制作”主题实践中学生需要经历“物理系统→抽象模型→实物产品→迭代优化”的过程，整个过程依赖建模思维和系统思维，而同时“系统与模型”是贯穿所有学科的基础思维框架。此外笔者首先确定统领这一主题实践的大概念为“系统与模型的构建与优化”。

接下来笔者以UbD逆向设计模板为框架，按照三个阶段的逻辑展开对“量角器电路的设计与制作”跨学科实践的设计。UbD逆向设计强调首先确定预期结果，从而确保评估和设计始终关注对预期结果的理解；同时用能激发学生思考和探究的问题即“基本问题”有效地架构学习内容从而明确指向对核心大概念的理解。由于“基本问题”再适合不过地可以作为问题链有机地将单元核心知识和活动组织起来并驱动学生的自主学习，因此笔者将这些“基本问题”同时作为每个子任务的“驱动问题”整合到了后边的表3的设计框架中。在明确了预期结果的基础上，笔者又导出了该跨学科实践的学科学习目标，并与其他跨学科目标整合在了表3中。

1.2 阶段2：确定合适的评估证据——开发多元化的表现性评价体系

UbD逆向设计强调评估前置，即把评估放到设计之前，鼓励设计者站在“评估员”而非“设计者”的角度来审视能真正评估理解程度的学习证据有哪些？理解的证据是迁移，而迁移的最佳证据不能从传统测试中获得，而一定是学生在真实的表现性任务中的行为表现。接下来，笔者根据阶段1中确定的基本问题确定了该实践活动的评价指标（表现性任务）和量规。导出了该跨学科实践的表现性评价量表，见附录A表A1。

在计划、教学和评价学习的过程中，教师很容易忽视与理解相关的目标。而根据UbD逆向设计逻辑，围绕前面确定的基本问题设计的较为通用的评估指标和量规，则能更好地关注目标理解，在提升评价效度的同时，确保教师能设计出更合理更合适的教学活动以提升教学的效果和效率。

1.3 阶段3：设计学习体验和教学——建立PBL驱动的项目任务序列

前面的两个阶段为接下来的学习体验和教学设计建立了必要的基础。在这一阶段中，笔者将结合PLB法，根据项目化学习的六个维度（核心知识、驱动型问题、高阶认知、学习实践、公开成果、全程评价）来逐步开展设计，以下展示其中部分。

1.3.1关注深度理解，设计驱动性问题

PBL认为一个好的驱动性问题应是一个真实情境，能激发学生的高阶思维与持续探究。在关注这些关键特征的基础上，笔者设计了驱动性问题：学校正在筹备建造智能体育实验室，为了更好地监测实心球投掷的角度来帮助学生技术提升，作为校科技创新社成员，你们需要为智能体育实验室量身打造一个“量角器电路”。要求：1、便于测量，在一定角度范围内准确度较高；

2、最好能够数字化显示。

1.3.2 整合跨学科核心知识，关注高阶认知，设计学习实践

跨学科强调整合不同学科的知识和方法，并主张用高阶认知带动低阶认知，所以接下来，笔者将任务分解成若干子任务，并用前面确定的基本问题作为问题链串联起来，进行整个项目的构架。表3为该项目的设计框架。框架同时反映了各子任务中包含的高阶（和低阶）认知策略以及整个项目中跨学科核心知识的整合策略。

表3:设计框架

2 “量角器电路的设计与制作”跨学科实践的实施与成果

以下是笔者在实施“量角器电路的设计与制作”这一跨学科实践的过程中的一些片段和学生基于理解的表现性证据的展示。

2.1 问题驱动 项目设计

在子任务7“量角器电路”的电路设计的实施过程中，学生建立了两种电路模型，如图1。通过可行性分析与交流，学生们相互质疑提出了很多有价值的问题，如：角度与待测物理量之间是否成线性关系？ 针对这一问题大多数同学猜想电位器连入电路的电阻与角度成正比，同时认为需要设计探究实验来验证。并且部分同学认为待测物理量应与角度成正相关，并最终建立了图1（a）中电路模型。还有部分同学同时考虑了另外一种电路模型，如图1（b），他们认为这一模型的表盘标定方式虽然不符合习惯，且刻度不均匀，但也有可能这种电路模型在某些角度区间内的测量更为精确，因此先保留两种模型。在进一步的交流中，学生们还提出电路安全问题，并不约而同地想到了增加保护电阻。在确定了电路模型后，同学们关于测量的线性度问题展开了激烈的讨论，通过实验、推导建模等过程，最终形成了可行性分析报告。图2为某小组可行性报告的一部分。

                                （a）                     （b）

图1学生设计的两种电路模型

图2 学生关于量角器电路设计方案的可行性报告的部分

2.2 模型物化 测试改进

在子任务8 “量角器电路”的产品设计的实施过程中，同学们估算得出：若使用USB供电5V稳压电源模块和10kΩ高精度单圈电位器，考虑到电位器的电阻较大，会使得图1（b）中的电路中的电流将非常小，无法精确测量，因而不再考虑图1（b）的电路模型。

在子任务9交流设计方案的实施过程中，同学的交流讨论主要聚焦于电路测量范围和精度。有小组则提出：由于实心球投掷的合适角度在35°-45°区间，因此测量范围设定在0°—60°范围可以更好的兼顾测量精度的问题，并计算得出定值电阻应为1.1kΩ。还有小组认为：可以用一个阻值可变的电位器替代定值电阻，方便日后调节其阻值来调节电路的测量范围和精度。

在子任务10“量角器电路”的产品制作和子任务11测试与优化的实施过程中，同学们在调试电路的基础上完成了标定，如图3。画出函数图像（如图3）后发现在0—60°的测量范围内电压与角度的线性度较低，但细致标定后，0—60°角度范围内测量的精度尚能满足需求。

图3 表盘标定和电压—电阻关系图像

2.3 AI助力 数字校准

为了进一步提高测量的精度，学生在子任务12数字校准和显示的实施过程中，个别组同学们勇于挑战，利用deepseek获得了数字化校准和显示的方案、示例代码、器材清单以及电路搭建方案。图4是某小组同学通过deepseek提供的python算法获得的拟合方程。根据deepseek的反馈，该小组同学又基于arduino开发平台，利用arduino开发板和四位数码管实现了数字化显示。图5为学生借助AI工具组织的代码。图6为该小组中期汇报的产品和最终交付的产品。

图4 用python算法获得拟合方程

图5数字化校准和显示的arduino代码

图6 中期汇报的产品和最终交付的产品

通过测试该小组发现：产品在25—60°角度范围内测量准确。说明可以在一定范围内实现较为准确的拟合，数字化校准确实提高了测量的精度。

3 “量角器电路的设计与制作”跨学科实践的UbD修正

在实践实施之后，笔者结合实施的情况，按照UbD设计标准按以下三个阶段展开对设计进行了修正。

阶段1审查大概念的关注程度。为验证UbD-PBL双循环模式的有效性，选取某校九年级两个平行班（各30人）进行对照实验。实验组采用UbD-PBL双循环模式教学，对照组采用传统分科教学。实验前后分别进行核心知识测试（欧姆定律应用题）和素养表现评估（工程思维、问题解决等维度）。结果如下：核心知识理解：实验组后测平均分（85.2±6.3）显著高于对照组（72.1±8.4）（p<0.01），尤其在电路设计应用题中，实验组正确率（78%）远超对照组（45%）。

核心素养表现：实验组在“系统分析能力”（4.2/5分）和“跨学科迁移”（3.9/5分）等维度均优于对照组（2.8/5分、2.5/5分）。例如，实验组90%学生能结合数学函数优化电路设计，远高于对照组的40%。这说明逆向设计框架确实能使设计者聚焦核心概念，进行基于理解的设计，从而帮助学生对学科本质的理解，同时助力学生核心素养与关键能力的提升。

阶段2审查评估的效度：在该实践实施的过程中，教师发现评价指标和量规能较好地指向学科核心概念的理解。但同时教师发现有的学生不擅长制作或交流，但是其对核心知识有一定程度的理解。为了提升评价的效度，笔者从以下方面尝试修正设计：1、全局设计，让学生在练习、小测试（采用情景化问答题的命题模式）中的表现等其他证据共同形成证据集合来评价学生对学科概念理解。2、将评价量表拆分成两个量表再细化，其中一个用于评估对学科概念的理解，另一个用于评估表现的质量（产品和过程）。

阶段3审查活动的有效性和参与性：通过课堂观察教师发现较多学生受阻于AI工具应用、程序开发、新元件使用和复杂电路搭建等技术门槛。因此笔者考虑增加支架的设计，增设“微型工作坊”（如焊接技巧、AI应用、器件手册学习、代码理解等方面的指导），从而为学生的跨学科实践提供更细致的脚手架支持。

4  反思与推广

“量角器电路的设计与制作”案例表明，通过精心设计的跨学科实践，我们完全可以在深化学科理解的同时培养学生解决复杂问题的综合能力。UbD-PBL双循环模型为这种实践提供了科学框架，其价值在学生的课堂表现和测试中得到了初步验证。未来我们还需要通过更大范围、更长周期、基于数据的实践研究，来不断完善这一模型，使其真正成为核心素养落地的有效路径，为培养新时代需要的创新型复合人才贡献力量。

参考文献

 [1] 威金斯, 麦克泰格. 追求理解的教学设计[M]. 2版. 闫寒冰, 宋雪莲, 赖平, 译. 上海: 华东师范大学出版社, 2016:171.

[2] 夏雪梅. 项目化学习设计:学习素养视角下的国际与本土实践[M]. 北京: 教育科学出版社, 2018:35.

[3] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准(2022年版)[S]. 北京: 北京师范大学出版社, 2022:2.

[4] 中国教育科学研究院. 跨学科主题学习指导手册(初中物理)[K]. 北京: 教育科学出版社, 2023.

[5] 中华人民共和国教育部. 义务教育课程方案(2022年版)[S]. 北京: 北京师范大学出版社, 2022.

[6] Wiggins G, McTighe J. Understanding by Design[M]. 2nd ed. Alexandria: ASCD, 2005.