2025年山東省“數字化賦能教師專業(yè)發(fā)展”工程優(yōu)課

《功與能的工程之旅》大單元教學設計與實施反思

一、對整體設計的反思

（一）設計優(yōu)勢：緊扣“項目驅動+素養(yǎng)落地”，實現(xiàn)知識與實踐深度融合

1.情境與任務的連貫性，強化單元整體性。

大單元以“穿越助曹”為核心情境，圍繞“投石機競賽” 大任務拆解的5個子任務（結構探索→動力設計→性能優(yōu)化→能量提升→成果展示），形成“從基礎認知到綜合應用”的完整邏輯鏈。例如：子任務一“結構—功能探索”聚焦“功”的概念建構，為子任務二“動力系統(tǒng)設計”（功率應用）奠定基礎；子任務三“投擲性能優(yōu)化”（機械效率、動能勢能）與子任務四 “能量利用率提升”（機械能及其轉化）層層遞進，最終通過子任務五“展示會”實現(xiàn)知識的綜合輸出。這種設計避免了傳統(tǒng)教學中知識點的碎片化，讓學生在“完成真實工程任務”的過程中自然串聯(lián)“功、功率、機械效率、動能、勢能、機械能及其轉化”等核心知識，體現(xiàn)“用中學、做中學”的理念。

2.學科素養(yǎng)與工程能力的雙向滲透，突破單一知識目標。

每個子任務的設計均兼顧物理核心素養(yǎng)（物理觀念、科學思維、科學探究、科學態(tài)度與責任）與工程實踐能力（設計、制作、調試、優(yōu)化）。例如子任務三“投擲性能優(yōu)化”中，學生通過“探究拋射角度對投擲距離的影響”實驗，既掌握“動能勢能轉化”的物理觀念（物理觀念），又學會控制變量法的科學探究方法（科學探究）；同時在“調整投石機結構減少摩擦”的過程中，培養(yǎng)工程優(yōu)化思維（工程能力）。這種“素養(yǎng) + 能力”的雙目標設計，符合新課標“從知識本位轉向素養(yǎng)本位”的要求，讓學生不僅學會物理知識，更能運用知識解決實際工程問題。

3.評價設計的多元化，呼應任務進階邏輯。

單元評價未局限于傳統(tǒng)紙筆測試，而是針對每個子任務設計“過程性+成果性” 的多元評價。例如子任務一通過“結構草圖完整性+做功環(huán)節(jié)辨析準確性”評價知識掌握；子任務四通過 “能量利用率提升數據+改進方案合理性”評價實踐能力；子任務五通過“競賽性能（距離、精準度）+ 成果匯報（知識點應用）”綜合評價綜合素養(yǎng)。評價主體也涵蓋教師評價、小組互評、學生自評，既關注“投石機實物成果”，也重視“學生探究過程與思維發(fā)展”，確保評價與任務目標高度匹配。

（二）設計不足：對“差異化需求”與“跨學科深度”考慮不足

1.子任務難度梯度未充分適配學生差異，易導致參與不均。

五個子任務雖整體遞進，但每個任務內部的“分層設計” 不足。例如子任務二“動力系統(tǒng)設計”中，要求所有小組均通過 “功率公式計算塔式起重機和履帶式起重機”，但基礎薄弱學生可能因“公式應用不熟練”難以完成，而學有余力學生則缺乏 “創(chuàng)新動力設計”的拓展空間。這種 “統(tǒng)一任務要求” 易導致部分學生“跟不上”或“吃不飽”，無法充分滿足不同層次學生的學習需求。

2.跨學科融合停留在“表面關聯(lián)”，未形成深度協(xié)同

單元設計雖融入“歷史（穿越助曹情境）、數學（參數計算）、美術（投石機外觀設計）”等跨學科元素，但多為“物理知識為主，其他學科為輔”的淺層結合。例如子任務五“展示會”中，僅要求“PPT 圖文排版美觀”（美術），未深入設計 “結合歷史中古代投石機技術，對比分析現(xiàn)代投石機的能量優(yōu)化邏輯”（歷史與物理深度融合）；數學計算也多局限于“公式代入”，未涉及“通過數據分析建立投石機性能預測模型”（數學與物理的深度協(xié)同）?？鐚W科融合的“碎片化”，難以讓學生形成“多學科視角解決復雜工程問題”的綜合能力。

3.子任務間的“問題銜接”不夠緊密，情境代入感易弱化

雖以“投石機競賽”為大任務，但部分子任務的驅動問題與 “競賽目標”的關聯(lián)不夠直接。例如子任務四“能量利用率提升”的驅動問題為“如何減少機械能損耗”，若未明確“能量利用率提升對競賽中'投擲距離’的直接影響”，易導致學生僅關注“減少損耗”的物理原理，而忽略“該優(yōu)化如何幫助投石機在競賽中獲勝” 的實際意義。任務間的“目標斷層”可能弱化學生的情境代入感，降低對任務的內在驅動力。

二、對目標達成與實施效果的反思

（一）目標達成亮點：物理觀念與實踐能力的落地效果顯著

1.物理核心知識的“理解與應用”目標高效達成

通過5個子任務的實踐，學生對“功、功率、機械效率、機械能轉化”等抽象知識的理解明顯深化。例如在子任務二“動力系統(tǒng)設計”中，85% 以上的小組能準確通過“功率公式”不同計算投石機做功快慢，并根據計算結果調整動力參數；在子任務四“能量利用率提升”中，78% 的小組能完整梳理“投石機從蓄力到拋射的機械能轉化流程”，并指出“摩擦、空氣阻力”等損耗環(huán)節(jié)。這表明學生不僅“記住”了知識，更能“應用”知識解決投石機設計中的實際問題，物理觀念目標達成度較高。

2.科學探究與工程實踐能力得到有效提升

在子任務三“投擲性能優(yōu)化”的實驗探究中，學生能自主設計“控制拋射角度，改變彈藥質量”的對比實驗，規(guī)范記錄數據并分析“彈藥質量與投擲距離的關系”；在子任務四“能量利用率提升”中，65% 的小組能基于“機械能損耗原因”提出針對性改進方案（如“用滾珠軸承減少摩擦”“流線型彈藥減少空氣阻力”），并通過實驗驗證方案有效性。這些過程表明學生已初步掌握“提出問題→設計方案→實驗驗證→總結優(yōu)化”的科學探究流程，工程實踐中的“問題解決能力”與“創(chuàng)新思維”得到顯著提升。

3.科學態(tài)度與團隊協(xié)作意識的培養(yǎng)效果突出

在“小組合作設計投石機” 的過程中，學生需分工完成 “結構繪制、參數計算、實物制作、調試測試”等任務，多數小組能通過討論協(xié)調分工，解決“結構不穩(wěn)定”“動力不足”等突發(fā)問題；在子任務五“展示會”中，學生能客觀評價自己與他人投石機的優(yōu)勢與不足，例如主動指出“本組投石機精準度不足，需借鑒其他組的'瞄準裝置’設計”。這種“合作與反思 的過程，有效培養(yǎng)了學生的“嚴謹求實”“樂于合作”的科學態(tài)度，與“科學態(tài)度與責任”素養(yǎng)目標高度契合。

（二）實施效果不足：部分目標落地存在“斷層”，需針對性優(yōu)化

1.“創(chuàng)新能力”目標達成度較低，多為“模仿式設計”。

盡管多數小組能完成投石機的設計與制作，但創(chuàng)新點多集中于“結構細節(jié)調整”（如增加支架穩(wěn)定性），缺乏“突破性創(chuàng)新設計”（如“可調節(jié)拋射臂長度的模塊化結構”“太陽能輔助動力系統(tǒng)”）。分析原因：教師在探究過程中“引導過度”（如直接提示“減少摩擦可涂潤滑油”），限制了學生的自主創(chuàng)新思維，導致“科學探究與創(chuàng)新”素養(yǎng)中“創(chuàng)新”維度的目標未充分落地。

2.“跨學科應用”目標未有效達成，學科融合流于形式。

在子任務五“展示會”的成果匯報中，僅30%的小組能結合 “古代投石機（如霹靂車）”的歷史背景，分析現(xiàn)代投石機的技術進步；數學計算也多停留在“基礎公式代入”，未涉及“通過數據擬合分析投石機性能規(guī)律”。這表明跨學科目標的落地效果不足，學生仍習慣“以物理視角解決問題”，未形成“結合歷史、數學等多學科知識綜合分析問題”的能力，與“跨學科素養(yǎng)”的培養(yǎng)目標存在差距。

3.部分學生“參與度不均”，個體發(fā)展目標存在差異。

在小組合作中，約20%的學生（多為基礎薄弱或性格內向者）僅承擔“材料準備、數據記錄”等輔助任務，未參與“設計方案討論、核心參數計算”等關鍵環(huán)節(jié)；在子任務五“展示會” 的匯報中，80%的小組僅由2-3 名“表達能力強”的學生主講，其他成員未參與匯報。這種“少數人主導”的現(xiàn)象導致部分學生的“知識應用能力”“表達能力”未得到充分鍛煉，個體發(fā)展目標存在明顯差異。

三、改進方向與優(yōu)化建議

1.細化任務分層設計，滿足差異化需求

在每個子任務中設置“基礎版 + 進階版 + 挑戰(zhàn)版”三級任務。例如子任務二“動力系統(tǒng)設計”中，基礎版：對功率的簡單應用；進階版：設計“重力 + 彈力”復合動力系統(tǒng)并計算功率；挑戰(zhàn)版：對比不同動力系統(tǒng)的功率優(yōu)勢，提出創(chuàng)新動力方案。通過分層任務，讓基礎薄弱學生“能完成”，學有余力學生“有拓展”，確保全員參與并獲得發(fā)展。

2.深化跨學科融合設計，構建協(xié)同任務鏈。

增設“跨學科子任務”，例如在子任務四“能量利用率提升”中，融入歷史與物理：“調研古代投石機的能量利用方式，對比現(xiàn)代投石機的優(yōu)化邏輯，撰寫《投石機能量技術演變分析》”；融入數學與物理：“通過多次測試記錄'配重塊質量、投擲距離’數據，用數學圖表擬合兩者關系，預測配重塊質量為 2kg 時的投擲距離”。通過“跨學科任務鏈”，讓學生在解決問題中自然融合多學科知識，培養(yǎng)綜合能力。

3.優(yōu)化小組分工與評價，確保全員參與

推行“角色輪換制”，要求小組內成員輪流承擔“設計負責人、參數計算員、匯報發(fā)言人”等關鍵角色，并在評價中增設 “個體貢獻度評分”（如小組互評時需說明“每位成員的具體貢獻”）。例如子任務五“自制投石機展示會”中，要求每個小組至少3名成員參與匯報，確保每位學生都有“知識輸出”的機會，促進個體目標的均衡達成。

4.強化“情境-任務-目標”的關聯(lián)性，提升內在驅動力。

在每個子任務的驅動問題中，明確“該任務與競賽目標的關聯(lián)”。例如子任務四“能量利用率提升”的驅動問題調整為：“如何減少投石機的機械能損耗，提升能量利用率，讓彈藥投擲距離更遠（競賽關鍵指標）？”通過“直接關聯(lián)競賽目標”，強化學生的情境代入感，讓學生理解“為什么學、學了有什么用”，提升學習的內在驅動力。

四、典型課例教學反思

（一）子任務二：投石機動力系統(tǒng)設計即《功率》課例反思

1.亮點：以“大任務”為錨點，實現(xiàn)知識與實踐的深度綁定

（1）情境設計貼合單元邏輯，激發(fā)內在驅動力

課例以“穿越助曹”大情境為切入點，通過“曹操需要設計瞄的準、投的遠的投石機”的問題，自然引出“比較做功快慢” 的核心需求，進而導入“功率”概念。這種設計并非孤立的情境導入，而是緊密銜接單元大任務“投石機競賽”，讓學生感知 “功率”知識是解決“投石機動力效率”問題的關鍵工具，避免了傳統(tǒng)概念教學的枯燥性。例如“搬書比賽”后回歸“投石機做功快慢判斷”，讓學生體會到所學知識的實際應用價值，有效提升學習興趣。

（2）探究活動層次分明，突破抽象概念難點

課例通過“兩次搬書比賽+小組實驗”的遞進式探究，逐步引導學生構建功率概念：先通過“控制功相同比時間”“控制時間相同比功”的直觀比賽，讓學生建立“比較做功快慢需雙因素考量”的感性認知；再通過“水平拉木塊 / 豎直提鉤碼”的小組實驗，讓學生親歷“測量力、距離、時間→計算功→推導功率” 的過程，理解“功率 = 功 / 時間”的比值定義邏輯。這種 “從具象到抽象”“從生活到科學”的探究路徑，符合八年級學生“具象思維為主”的認知特點，成功突破“功率與功的辨析”“比值定義法理解”等難點。

（3）評價設計兼顧過程與結果，聚焦素養(yǎng)發(fā)展

課例中的“自我評價表格”從“提出問題、實驗設計、數據處理、分析推理、合作反思”五個維度出發(fā)，覆蓋科學探究的全流程，不僅關注學生對“功率公式計算”的掌握，更重視“實驗操作規(guī)范性”“數據分析能力”等過程性表現(xiàn)。例如“能獨立設計實驗方案并正確使用工具”的評價標準，直接指向“科學探究與創(chuàng)新”素養(yǎng)，與單元素養(yǎng)目標高度契合。

2.不足：差異化與創(chuàng)新性設計存在短板

（1）探究任務缺乏分層，難以適配學生差異

無論是“搬書比賽”還是“小組實驗”，均采用“統(tǒng)一任務要求”，未考慮學生基礎差異。例如基礎薄弱學生可能在“計算功率時混淆單位”，卻缺乏針對性的引導；學有余力學生則因 “任務無拓展空間”，難以深入進行探究，導致“吃不飽”與 “跟不上”并存。

（2）創(chuàng)新思維培養(yǎng)不足

小組實驗中，教師提供“水平拉木塊”“豎直提鉤碼”兩種固定方案，學生只需按步驟操作、計算，缺乏“自主設計探究問題”的空間。這種“驗證性探究”雖能鞏固知識，但難以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維與問題解決能力，與“未來工程師”的單元培養(yǎng)目標存在差距。

3.改進建議

增設分層探究任務：基礎層任務聚焦“功率公式的應用與單位換算”；進階層任務要求“設計測量身邊物體功率的方案”（如測量爬樓梯的功率）；挑戰(zhàn)層任務關聯(lián)投石機大任務（如 “設計實驗比較不同投石機功率大小”），滿足不同層次學生需求。

引入開放性探究問題：讓學生“自主選題”，引導學生提出“影響投石機功率的因素有哪些”，并自主設計實驗驗證（如探究“配重塊質量”“拋射臂長度”與功率的關系），培養(yǎng)創(chuàng)新思維與工程探究能力。

（二）子任務四：投石機能量利用率提升即《機械能及其轉化》教學反思

本節(jié)課是初中物理能量部分的基石，概念抽象但與學生生活經驗聯(lián)系緊密。課后，將從教學目標達成度、教學過程、學生反饋等方面進行了深入反思。

1.成功之處

（1）情境導入成功，激發(fā)學習興趣：課前導入使用了“堰”視頻和演示實驗作為引入，迅速吸引了學生的注意力。為學生學習新課留下懸念。

（2）實驗探究主導，化抽象為具體：本節(jié)的核心規(guī)律——機械能守恒，是抽象的。設計了分組實驗，讓學生通過“滾擺”和“單擺”的自主操作、觀察和記錄，親身經歷動能與重力勢能相互轉化的過程。學生通過測量擺球在不同高度時的速度變化，初步驗證了“此消彼長”的轉化關系，有效地將抽象規(guī)律轉化為可感知的現(xiàn)象。

（3）緊密聯(lián)系生活，體現(xiàn)物理價值：在應用環(huán)節(jié)，我引導學生分析“彈簧門”、“重力門”等生活中的實例。學生能運用所學知識進行解釋，感受到了物理知識就在身邊，學以致用，提升了學習成就感。

2.不足之處與原因分析

（1） 對“機械能守恒條件”的處理過于理想化：在講解守恒時，為了降低難度，我強調了“只有動能和勢能轉化時，機械能守恒”。但很多學生因此產生了誤解，認為現(xiàn)實中所有動能和勢能的轉化都守恒。原因在于：我沒有清晰地通過對比實驗（如用存在明顯阻力的擺與空氣阻力小的擺進行對比）來凸顯“摩擦力/空氣阻力”會導致機械能減少這一關鍵點，導致學生對守恒條件的理解停留在表面。

（2）部分學生思維參與度不足：在小組討論中，發(fā)現(xiàn)往往是思維活躍的尖子生主導了討論和結論，而一些基礎較弱的學生只是被動地觀察和記錄，未能進行深度思考。原因在于：提供的學習任務單梯度設計不夠，缺乏引導性的問題鏈來層層深入地引導所有學生思考。

3.改進策略與再教設計

針對以上不足，我計劃在未來的教學中進行如下改進：

（1）強化對比，突破條件難點：

再教設計：增加一個對比性演示實驗。先展示一個滾擺在空氣中運動，學生觀察其最終會停下，引導思考“機械能去哪了？”；再展示一個（理想化的）磁懸浮小車軌道模型（盡可能減小摩擦），對比其運動時間更長。通過強烈對比，讓學生自己總結出機械能守恒的嚴格條件，并理解“機械能轉化為內能”的概念。

（2）豐富實驗，構建完整能量觀：

再教設計：增加一個“彈簧槍發(fā)射小球”或“彈性球碰撞地面”的探究活動。讓學生清晰地觀察“彈性勢能→動能→重力勢能→動能...”的完整轉化鏈條，將彈性勢能真正納入到機械能轉化的大家庭中。

（3）分層任務，促進全員參與：

再教設計：優(yōu)化探究學習任務單，設計分層問題。例如：

基礎層：擺球在A、B、C三點，哪點動能最大？哪點重力勢能最大？（直接觀察）

進階層：從A點到B點，能量是如何轉化的？為什么？（分析轉化）

挑戰(zhàn)層：如果存在空氣阻力，擺球每次能達到的高度有什么變化？減少的機械能變成了什么？（深化理解守恒條件）

通過分層提問，確保不同層次的學生都能找到思考的切入點，真正參與到探究過程中。

本節(jié)教學總體達成了知識傳授的目標，但在培養(yǎng)學生批判性思維和深度理解方面仍有提升空間。教學反思讓我更清晰地認識到，對于“機械能守恒”這類核心規(guī)律的教學，必須通過巧妙的實驗設計、鮮明的對比和梯度性的問題引導，才能幫助學生突破前概念，建立科學的物理觀念。今后的教學中，將更加注重學生思維過程的暴露和引導，而不僅僅是結論的給予。

（三）子任務五：自制投石機展示會教學反思

本次投石機競賽展示會以“實踐創(chuàng)新與團隊協(xié)作”為核心，通過動手實踐與成果展示，不僅檢驗了大家對力學原理的應用能力，也暴露了籌備與執(zhí)行中的問題?，F(xiàn)將反思總結如下：

1.展示會的亮點與成效。

（1）實踐與理論結合緊密：多數參賽團隊能將物理中的杠桿原理、勢能轉化等知識融入投石機設計，從支架結構的穩(wěn)定性到配重與拋射角度的匹配，體現(xiàn)了對理論知識的靈活應用，部分作品拋射精度和距離超出預期，實現(xiàn)了“做中學”的目標。

（2）團隊協(xié)作氛圍濃厚：各團隊在設計、制作、調試環(huán)節(jié)分工明確，有人負責繪制圖紙、有人采購材料、有人反復測試調整，過程中成員間的溝通協(xié)調能力得到鍛煉，展示時也能清晰闡述團隊的合作思路與分工細節(jié)。

（3）創(chuàng)新意識突出：部分團隊跳出傳統(tǒng)木質結構，嘗試使用PVC管、3D打印零件等材料，或在拋射裝置上加入可調節(jié)角度的卡扣、緩沖減震的彈簧等設計，展現(xiàn)了對材料特性和結構優(yōu)化的創(chuàng)新思考，為競賽增添了多樣性。

（4）材料環(huán)保，廢品再利用：投石機的制作材料都是利用身邊的木棒、飲料瓶底、廢舊拖把桿等廢舊環(huán)保材料。這些廢舊材料的使用不僅體現(xiàn)了環(huán)保理念，還讓學生們學會了變廢為寶。學生們在尋找和利用這些材料的過程中，培養(yǎng)了對資源再利用的意識和能力。同時，使用這些常見的廢舊材料也降低了制作成本，使得更多學生能夠參與到投石機的制作中來。而且，用這些材料制作出的投石機并不遜色，在展示會上同樣展現(xiàn)出了良好的性能和穩(wěn)定性。這也讓學生們明白，創(chuàng)新并不一定需要昂貴的材料，身邊的廢舊物品也能創(chuàng)造出有價值的作品，激發(fā)了他們在今后的學習和生活中不斷探索創(chuàng)新的熱情。 

2.存在的問題與不足

（1）展示環(huán)節(jié)：流程銜接不順暢。

互動體驗不足：展示以“團隊講解+作品演示”為主，未設置觀眾體驗或提問環(huán)節(jié)，觀眾參與感較弱，且點評多集中在“拋射數據”，對作品的設計創(chuàng)意、團隊合作過程等維度的點評較少，反饋不夠全面。

（2）作品本身：實用性與穩(wěn)定性待提升。

結構穩(wěn)定性不足：部分作品雖設計新穎，但忽略了實用性，如支架采用細木棍拼接，配重過大時出現(xiàn)支架傾斜、斷裂的情況；部分拋射裝置的觸發(fā)機制不靈敏，多次嘗試后才能成功拋射，影響了展示的流暢性。

（3）數據記錄不規(guī)范：多數團隊僅記錄了最終的拋射距離，未對調試過程中的“配重變化與拋射距離的關系”“角度調整對精度的影響”等數據進行記錄和分析，導致展示時無法通過數據支撐設計思路，說服力不足。

3.改進方向與未來計劃

（1）細化籌備流程，強化規(guī)則與支持：下次活動前，需通過“文字+圖示+現(xiàn)場演示”的方式明確競賽規(guī)則，提前1周收集各團隊的材料與工具需求，準備備用物資；同時設置“賽前答疑會”，及時解決團隊的疑問，避免因規(guī)則或物資問題影響作品質量。

（2）優(yōu)化展示流程，增強互動性：采用“時間分段制”，為講解、演示、點評分別設定時間（如講解5分鐘、演示3分鐘、點評2分鐘），安排專人負責計時提醒；增設“觀眾提問”和“最佳創(chuàng)意投票”環(huán)節(jié)，讓觀眾參與其中。

（3）引導過程性記錄，提升作品實用性：賽前明確要求各團隊記錄調試過程中的關鍵數據（如配重、角度、拋射距離的對應關系），并整理成簡單的分析報告；展示時將“數據記錄與分析”納入評分標準，引導團隊重視過程性研究，同時在設計階段提醒團隊優(yōu)先考慮結構穩(wěn)定性，平衡創(chuàng)新與實用。

本次展示會是一次“實踐出真知”的嘗試，雖存在不足，但為后續(xù)科技類實踐活動積累了經驗。未來需更注重細節(jié)籌備與流程優(yōu)化，讓活動既能檢驗知識應用能力，也能真正激發(fā)大家的創(chuàng)新熱情與團隊協(xié)作意識。