单元设计概览

一年级物理科学与工程单元设计《光和影》，是一份结构严谨、理念先进、高度以学生为中心的教学设计方案。其整体关键特征表现如下：

首先，采用了逆向设计的课程开发模式。设计稿开篇即明确了单元的预期成果（阶段1），包括课程标准、迁移目标、核心理解和基本问题。随后，它清晰地规划了评估证据（阶段2），特别是以“影子木偶剧”作为课程嵌入式表现评估（CEPA），这要求学生综合运用所学知识进行创造和表达。最后，才具体设计了实现这些目标的学习过程和教学活动（阶段3）。这种设计逻辑确保了所有教学活动都紧密围绕核心学习目标展开，避免了教学的随意性。

其次，贯彻了探究式学习的教学理念。设计稿强调，教师的角色是引导者而非知识的灌输者。课程活动（如室内外影子探究、利用光传递信号等）旨在驱动学生主动提出问题、动手实验、收集证据并做出解释。整个单元通过一系列引导性的“基本问题”（如“影子是如何形成的？”）来激发和维持学生的学习兴趣和好奇心，鼓励他们成为积极的知识建构者。

第三，注重科学与工程实践的融合。该设计不仅涵盖了物理科学的核心概念（光的传播、与物质的互动、影子的形成），还明确融入了工程设计（K-2-ETS1-2标准）。第9课的“利用光传递信号”和最终的“影子木偶剧”设计，都要求学生运用科学知识来设计和建造解决方案或产品。这不仅加深了学生对科学原理的理解，也培养了他们解决实际问题的初步能力。

最后，评估方式多样且与教学过程紧密结合。除了最终的表现性评估任务，设计稿在每节课中都穿插了多种形成性评估方法，例如课堂讨论、总结工作表（随堂测验）、科学笔记等。这些评估工具帮助教师持续追踪学生的理解程度，及时发现并处理学生的“先入之见”或“误解”（设计稿中明确列出），从而为教学调整提供依据。整个设计体现了“为学习而评”和“在学习中评”的现代评估观。

总体而言，这份设计稿凭借其系统性的结构、以探究为核心的教学法、科学与工程的有机结合以及贯穿始终的评估体系，构成了一个高质量的、符合当代教育理念的课程单元范例。

高质量教学材料关键特征分析

1 与课程标准的对齐程度（超越知识点的深度对标）：本单元设计与课程标准高度对齐。单元的核心目标、教学活动和评估任务均直接围绕所列举的三个标准（1-PS4-3, 1-PS4-4, 1.K-2-ETS1-2）设计。例如，第2课“光与材料的性质”直接对应1-PS4-3标准，而第9课“利用光传递信号”和最终评估任务则对应1-PS4-4和1.K-2-ETS1-2标准。

2 以研究为基础的教学设计（源于研究，归于实践）：本单元设计体现了多种基于教育研究的先进教学模式。它明确采用“逆向设计”理论构建整体框架；每节课遵循“引入-探索-评估”的教学流程，这是探究式学习（如5E模型）的体现；并且，设计中明确包含了对学生“先入之见/误解”的预判和应对策略，这体现了建构主义学习理论的应用。

3 促进深度学习（实现从X到Y的深刻转变）：本单元设计通过多种策略促进深度学习。它强调对概念的“深刻理解”而非“词汇记忆”；通过驱动性的“基本问题”引导学生进行持续的思考和探究；最终的“影子木偶剧”表现性评估要求学生综合、迁移和应用所学知识，而非简单的复述，从而推动了高阶思维能力的发展。

4 内容准确且概念严谨（坚如磐石的专业严谨性）：本单元设计所涉及的科学内容准确无误，符合一年级学生的认知水平。关于光源、光的传播、透明/半透明/不透明物体、影子的形成与变化等核心概念的阐述清晰、科学。在保持严谨性的同时，设计稿通过生动、具体的活动将抽象概念形象化，做到了科学性与适龄性的良好平衡。

课时简介

第1课：光的来源。通过圆圈时间讨论评估学生对光及其行为的先验知识和可能的误解。学生被问到“你认为光来自哪里？”并在班级图表上记录他们的答案。随后，学生在教室内识别光的来源。

第2课：光与材料的性质。学生探索光在不同类型材料中的行为。他们在科学笔记本中记录观察结果。全班对材料进行分类并制作一个小组图表。

第3课：阴影简介。学生开始探索阴影。他们特别学习阴影是如何产生的。

第4课：户外阴影。学生在户外观察和注意他们的阴影。学生将新学到的光与物体互动的概念（第2课）与阴影的产生（第3课）进行联系。

第5课：友好的阴影。学生探索如何在户外改变他们阴影的形状和大小。

第6课：移动的阴影。学生再次到户外观察阴影的形状和位置在一天中的变化。

第7课：室内阴影。在探索了户外阴影之后，学生开始使用台灯在室内制作阴影，并反思在室内制作阴影与在户外制作阴影的不同。学生了解阴影如何改变形状。学生重新审视光对物体的影响：光可以穿过、光可以被重新定向、光可以被阻挡。

第8课：收缩和拉伸阴影。学生面临一个解决问题的任务：如何使阴影变大。学生提出解决方案，然后测试他们的想法和设计。

第9课：使用光线发送信号。在这个工程挑战中，学生面临一个解决问题的任务：如何使用光线发送信号。他们使用实验设计来寻找解决方案，然后测试他们的想法和设计。

CEPA：影子木偶剧。学生被要求通过表演评估展示他们对所学内容的理解。他们还将反思自己所学的知识、学习方式、思维的变化，并记录仍然存在的问题以及他们可能找到答案的方法。学生通过影子木偶剧小品展示光如何与不同材料互动，以及阴影如何在形状和大小上发生变化。

单元设计评估

整体评估情况：

总分：7 / 9

等级：E/I (如改进，可成高质量范例)

各维度具体评估

整体评估总结

优点:

1. 结构清晰，逻辑性强：严格遵循“逆向设计”原则，确保了目标、评估和教学活动的高度统一。
2. 探究导向，学生中心：课程以驱动性问题和动手探究为核心，充分激发学生的好奇心，鼓励学生主动建构知识。
3. 评估体系完善且真实：嵌入式的形成性评估和综合性的表现性评估设计精良，能够有效、全面地衡量学生的学习成果。
4. 科工结合，学以致用：将科学探究与工程设计紧密结合，培养学生解决实际问题的能力。

缺点与改进建议:

1. 缺点：跨学科概念（CCCs）的融合不足。 设计稿中很少明确提及或引导学生运用“因果关系”、“结构与功能”等思维工具来深化他们对现象的理解。
   • 改进建议：在相关的教学环节中，明确引入相应的跨学科概念。例如，在讨论影子大小变化时，可以引入**“因果关系”的思考框架，引导学生讨论“什么原因导致了影子变大/变小这个结果？”。在制作木偶时，可以引导学生讨论木偶材料的“结构”如何决定了其透光或遮光的“功能”**。
2. 缺点：缺乏具体的差异化教学策略。 这是本设计稿最主要的短板。设计稿没有为有特殊学习需求的学生提供足够的支持策略。
   • 改进建议：
     • 为语言学习者提供支持：为关键术语提供图文词汇卡；在写作和讨论环节提供句式模板（Sentence Starters）。
     • 为学习困难学生提供支持：将复杂任务分解为更小的步骤；提供操作步骤的核查单（Checklist）。
     • 为资优学生提供挑战：设计开放性的延伸探究问题，例如“如何制作一个彩色的影子？”或“你能设计一个能同时显示两种不同形状影子的木偶吗？”。

注：本单元设计评估基于EQuIP（Educators Evaluating the Quality of Instructional Products，教育工作者教学材料质量评估框架），它主要由 Achieve牵头开发，并联合了教育官员、教师、以及学术团体共同研制，逐渐发展为全美普遍使用的教学设计与材料质量评估框架，旨在识别符合共同核心州立标准（CCSS）或下一代科学标准（NGSS）的高质量教学材料，包括EQuIP Rubric for ELA（英语），EQuIP Rubric for Mathematics（数学），EQuIP Rubric for Science（科学）。

跨学科学习判断与分析

分析结论：本单元是“跨学科学习”。

该单元满足跨学科学习需要具备的所有5个要素。它并非简单的多学科内容叠加，而是一个经过精心设计的、将多个学科有机整合的、以解决问题和创造性表达为目的的跨学科学习单元。

包含的学科及其相关内容

本单元明确包含了以下有界限、可识别的知识领域：

物理科学：这是课程的核心学科。

• 相关内容：探索光源（自然与人造）、光的传播特性、光与不同材料的互动（透明、半透明、不透明、反射）、影子的形成原理、影子形状与大小的变化规律（光源与物体位置关系）、光的反射现象以及利用光来传递信号。（贯穿第1-9课，如第2课“光与材料的性质”，第3课“阴影入门”，第8课“阴失的收缩与伸展”等）

工程与技术：

• 相关内容：应用科学原理进行设计与建造。具体体现在要求学生“使用工具和材料设计并建造一个利用光或声音在远距离发送信号的设备”（标准1-PS4-4，第1页、第6页），以及在第9课“利用光传递信号”（第41-45页）中，学生需要设计并测试解决方案。此外，最终的“影子木偶剧”也包含了设计和制作木偶的工程实践。

英语：

• 相关内容：信息性/解释性文本的写作与表达。文件明确列出了英语标准W.1.2和W.1.8（第6页）。具体活动包括：第6课中，学生需“撰写一篇关于阴影的信息性文本”（第30页），练习说明主题、提供事实和给出结尾。在整个单元中，学生通过科学笔记、讨论、分享等方式持续使用语言文字进行沟通和表达（如S2, S5技能要求，第7页）。

艺术（戏剧与视觉艺术）：

• 相关内容：虽然文件中没有明确列出艺术学科的课程标准代码，但最终的“课程嵌入式表现评估（CEPA）”——“影子木偶剧场”（第46-51页）是典型的艺术创作与戏剧表演活动。学生需要承担“导演和表演者”的角色（第49页），选择故事（叙事艺术），设计并制作木偶（视觉艺术），并进行最终的戏剧表演（表演艺术）。

跨学科学习要素分析

要素1：学科知识的整合与理解的综合。

• 分析结论：满足此要素。该课程单元的设计超越了知识点的简单并置，实现了有意义的整合与综合，并产出了全新的、更高层次的理解成果。
• 分析依据：
  1. 整合 (Integration)：最终的“影子木偶剧”（CEPA，第46页）是整合的核心体现。学生为了成功表演一个故事（艺术/语言），必须运用在本单元中学到的物理科学知识。例如，他们需要根据角色特性，选择合适的材料（透明、不透明等）来制作木偶，这直接关联第2课“光与材料的性质”的学习。同时，他们需要操控光源和木偶的距离来改变影子大小以服务于剧情（如表现一个角色的“变大”或“走远”），这整合了第8课“阴影的收缩与伸展”的探究成果。
  2. 综合 (Synthesis)：学生最终产出的“影子木偶剧”是一个综合性的成果。这个成果无法被还原到任何单一学科：它不是一份科学实验报告，也不只是一场戏剧表演。它是一个“用科学原理讲述的艺术故事”。例如，一个成功的表演可能体现出这样的综合性见解：“通过使用半透明材料制作的‘鬼魂’木偶，并将其迅速远离光源，我们创造出了一个既飘渺又逐渐消失的视觉效果，这精准地传达了故事中的神秘氛围。” 这种将科学原理（材料透光性、影子大小变化）与艺术表达（角色塑造、氛围营造）融为一体的成果，正是“大于各部分之和”的综合性理解。

要素2：这种综合的主体必须来自多个有界限、可识别的不同知识领域。

• 分析结论：满足此要素。该课程单元明确地建立在物理科学、工程、英语语言艺术和艺术四个可识别的学科基础之上，并尊重各学科的专业性。
• 分析依据：
  1. 有界限、可识别的知识领域：如“子任务2”所详述，课程在“单元规划”（第6页）中明确列出了物理科学标准（1-PS4-3, 1-PS4-4）、工程标准（1.K-2-ETS1-2）和英语语言艺术标准（W.1.2, W.1.8）。最终的评估任务“影子木偶剧”则清晰地引入了艺术（戏剧/视觉）领域。这些都是公认的学科领域。
  2. 尊重学科专业性：课程首先通过第1至第9课系统地、循序渐进地教授了关于光和影的科学核心概念和探究技能，为学生打下了坚实的学科基础。这体现了对物理科学学科专业性的尊重。在此基础上，才引入写作（英语）、设计（工程）和表演（艺术）等任务，让学生有足够的“积木”去进行跨学科的“搭建”。

要素3：几乎所有关于跨学科性的概念定义都包含某种效用的观念——需要明确追求这种综合的理由。

• 分析结论：满足此要素。该课程单元的跨学科设计服务于明确且有价值的目标，而非为了“跨”而“跨”。
• 分析依据：
  1. 效用观念：本单元的跨学科设计追求的“效用”主要体现在两个方面：
     • 获得更深刻的洞见与应用能力：通过“影子木偶剧”这一综合性任务，学生不仅是知道了光的原理，更是学会了如何应用这些原理去进行创造性的表达和沟通。这种“知行合一”的体验，让学生对科学知识的理解更为深刻和牢固。
     • 解决复杂现实问题：第9课“利用光传递信号”（第41页）是一个典型的工程设计挑战，其目标是解决一个具体问题：“如何利用光线发送信号”。这要求学生综合运用对光的反射原理的理解（科学）和设计建造的技能（工程），以创造出一个有实际功能的产品。

要素4：从学生的角度来看，跨学科学习必须有一个明确的目的，以构建学生的 "学习空间"。

• 分析结论：满足此要素。该课程单元的设计具有高度的透明性，为学生构建了一个清晰的“学习空间”。
• 分析依据：
  1. 明确的目的：“单元概览”（第1页）开篇即点明学生将探索光、影，并“在最终的评估中，学生们将以情景短剧的形式，应用所学知识来表演光与材质的互动”。这让学生从一开始就知道学习的最终目标是一个创造性的表演任务。
  2. 构建“学习空间”：课程设计清晰地呈现了学习的路径：
     • 起点（学科知识的贡献）：每节课的目标都非常明确（例如第2课目标是探索光在不同材料中的行为，第8课目标是探究如何使阴影变大）。学生清楚地知道他们需要从科学探究中获取哪些具体的知识和技能。
     • 过程（实现的综合）：课程嵌入式表现评估（CEPA）的学生指南（第49页）通过GRASP模型（目标、角色、观众、情境、产品）明确告知了学生将如何进行综合。“情境”部分写道：“你将编写一个关于材料如何与光相互作用的短剧。你会用不同材料和冰棒棍制作的木偶来表演这个短剧。” 这清晰地指出了综合发生的环节和方式。
     • 终点（形成的跨学科理解）：CEPA的学生目标（第49页）明确列出学生最终需要展示什么：“1. 光是如何与不同材料相互作用的；2. 阴影如何变大或变小；3. 阴影如何改变形状...” 这为学生的最终学习成果提供了清晰的靶向。

要素5：跨学科教学和学习以单个学科组和学科为基础，但以综合和有目的的方式扩展对学科的理解。

• 分析结论：满足此要素。该课程单元根植于学科，并通过巧妙的设计，引导学生结合不同学科的概念、方法和交流模式，催生了新的视角。
• 分析依据：
  1. 以学科为基础：课程的探究活动建立在成熟的科学探究方法之上（如第2课中，学生通过实验观察、记录和分类材料），并使用了科学的交流模式（如在科学笔记本中记录观察，第7页技能S2）。
  2. 扩展与超越：课程的精髓在于“结合”。学生将科学的探究成果（如不同材料对光的阻挡效果）作为艺术创作（木偶设计）的依据；用戏剧表演（艺术的交流模式）来解释和呈现对光影原理（科学概念）的理解。这种“用艺术来解释科学”的方式，本身就是一种超越单一学科的扩展，形成了一种新的、富有创造力的认知和表达视角。

教学评一致性评估

单元设计《光和影》在“教学评一致性”方面表现出色，展现了“逆向设计”理论的精髓。

一致性分析

1. 预期结果（目标）与证据（评估）的一致性：

   • 分析：两者高度一致。单元目标（阶段1）中明确指出学生需要“进行调查”以确定材料如何影响光（1-PS4-3），并能“设计并建造一个利用光的设备”（1-PS4-4）。评估证据（阶段2）中的核心任务——影子木偶剧（CEPA），完美地对这些目标进行了回应。学生在创作木偶剧时，必须选择不同材料（对应1-PS4-3）并设计光影效果来讲述故事，这本身就是一种综合性的“设计与建造”（对应1-PS4-4）。CEPA的评分标准也直接指向了这些核心能力。

2. 学习计划与预期结果（目标）和证据（评估）的一致性：

   • 分析：学习计划（阶段3）为实现目标和成功完成评估任务提供了系统性的铺垫，一致性非常强。9个课时的学习活动逻辑清晰地构建了学生所需的知识与技能。例如，没有第2课对材料性质的探索，学生就无法在CEPA中为角色选择合适的材料；没有第3-8课对影子形成、大小、形状变化的反复探究，学生就无法在表演中自如地操控光影效果。整个学习过程的每一步都是在为最终的、能够证明学生达成学习目标的表现性评估做准备。

改进建议

尽管该设计稿的“教学评一致性”很高，但仍有提升空间，尤其是在促进学生深度学习和自我监控方面。以下建议基于学习科学的理论，旨在进一步优化其一致性。

建议1：引入更多促进“元认知”的环节，强化学习过程与最终目标的联结。

• 分析与理论基础：当前的学习计划虽然能支持学生完成最终评估，但学生可能只是被动地完成每个课时的任务，而未能主动地、有意识地将每日所学与最终目标（创作木偶剧）联系起来。根据学习科学中的元认知和自我调节学习（Self-Regulated Learning）**理论，能有意识地监控、评估和调节自己学习过程的学生，其学习效果更佳、理解更深刻。
• 具体做法：在每个关键学习节点（例如，第2、5、8课结束时），在学生的“科学笔记本”中增加一个名为“导演日志”的反思环节。可以设置两个固定问题：“1. 今天我们学习了[当日核心概念，如‘材料的透光性’]，这给了我一个关于我们的影子木偶剧的新想法：[学生填写]。” “2. 为了让我们的木偶剧更精彩，关于[当日核心概念]，我还有一个问题需要弄明白：[学生填写]。” 这样做可以持续地激活学生对最终目标的思考，使学习计划的每一步都与“证据”和“目标”在学生的认知层面建立更强的一致性。
• 参考文献：
  • Flavell, J. H. (1979). Metacognition and cognitive monitoring: A new area of cognitive–developmental inquiry. American Psychologist, 34(10), 906–911.
  • Zimmerman, B. J. (2002). Becoming a Self-Regulated Learner: An Overview. Theory Into Practice, 41(2), 64–70.

建议2：在学习计划中增加对“评估素养”的培养，使学生成为评估的积极参与者。

• 分析与理论基础：目前，CEPA的评分标准主要是给教师使用的。如果能让学生在学习过程中逐步理解并使用这些标准，他们就能更明确地了解“成功”的标准是什么，从而更有效地指导自己的学习。这基于形成性评估和评估素养的研究，强调让学生理解学习目标和评估标准，并运用同伴和自我评估来促进学习。
• 具体做法：将CEPA的评分标准（可简化为儿童友好的语言和图标）在单元开始时就介绍给学生。在学习计划中，可以设计“排练与互评”环节。例如，在第8课后，可以让各小组展示一小段木偶操作，并让其他小组根据评分标准中的某一项（如“能够改变影子的大小”）提供反馈。这不仅使学习计划直接服务于评估，也让学生对评估标准（证据）的理解与“预期结果”的要求更加一致。
• 参考文献：
  • Black, P., & Wiliam, D. (1998). Assessment and Classroom Learning. Assessment in Education: Principles, Policy & Practice, 5(1), 7–74.
  • Stiggins, R. J. (2005). From Formative Assessment to Assessment FOR Learning: A Path to Success in Standards-Based Schools. Phi Delta Kappan, 87(4), 324–328.

科学

1-PS4-3. 进行调查，以确定将允许光线通过、仅允许部分光线通过、阻挡所有光线或在光束路径中重新定向光线的材料放置在光束路径中的效果。*澄清说明：效果包括部分或全部光线通过、影子的形成以及光线的重新定向。不要求进行定量测量。

1-PS4-4. 使用工具和材料设计并建造一个利用光或声音在远距离发送信号的设备。* 澄清说明：设备的示例可以包括用来发送信号的光源、纸杯和绳子的“电话”以及鼓点模式。对通信设备如何工作的技术细节不要求掌握。

1.K-2-ETS1-2. 产生多个设计问题的解决方案，并绘制图纸（计划）以表示一个或多个解决方案。

英语

W.1.2 撰写信息性/解释性文本，说明一个主题，提供一些有关该主题的事实，并给出一定的结尾。

W.1.8 在成人的指导和支持下，回忆经历中的信息或从提供的来源中收集信息以回答问题。

教学实施过程中的困难与建议

一线教师在按照《光和影》设计稿进行教学时，尽管设计稿本身质量很高，但在实际操作中，尤其面对一年级学生时，可能会遇到以下困难，并提出相应建议。

教学实施中的5个关键问题与建议

一线教师在实施此设计稿时，应在头脑中不断思考以下五个关键问题，以确保教学的深度和质量。

学生学习建议

在《光和影》这个有趣的单元里，学生会像真正的科学家和工程师一样去探索和创造。为了让你们学得更棒，这里有一些小建议：