用大概念教育促進高中物理觀念的形成與發(fā)展

作者簡介：曹寶龍，杭州市基礎(chǔ)教育研究室主任。教育學(xué)博士，教授，中學(xué)正高級教師，物理特級教師，浙江省科學(xué)教育學(xué)會會長，浙江省物理教育學(xué)會副會長，浙江省督學(xué)。教育部課程教材專家委員會委員，高中物理課標(biāo)修訂組核心成員。

摘 要： 物理觀念是學(xué)習(xí)物理概念與規(guī)律之后學(xué)習(xí)者經(jīng)過了信息再加工處理過程，提煉升華從而形成的關(guān)于物理問題的認識，是高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一。大概念教育是提升物理觀念水平的重要方法。用“物質(zhì)”“運動與相互作用”和“功與能”三個核心概念就可以構(gòu)建高中物理概念體系。以下措施可以促進學(xué)生物理觀念的形成與發(fā)展：加強概念聯(lián)系，把概念“做大”；將新概念的學(xué)習(xí)融合于已有的概念體系；將概念盡可能拓展到一般性的適用范圍；用大概念視角解釋和解決問題；注重概念建立和概念應(yīng)用的過程與實際情境的聯(lián)系；合理設(shè)計課堂教學(xué)的物理觀念目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：物理觀念；大概念；學(xué)科核心素養(yǎng)；高中物理大概念體系

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2019）1-0001-7

物理觀念是修訂版普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)提出的物理學(xué)科核心素養(yǎng)之一，它與科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任組成高中物理學(xué)科的核心素養(yǎng)體系，這也是高中物理的課程目標(biāo)。形成與發(fā)展學(xué)生的物理觀念是高中物理的重要任務(wù)，也是課程改革中物理教學(xué)的重點。

1 物理觀念的概念界定

觀念是人們對世界的認識和看法，是人們根據(jù)已有的經(jīng)驗形成的基本認識。從認識論的角度來看，人們對世界的觀察、研究等經(jīng)驗事實的累積會對一個事件或一類事件形成一些基本的看法，這些看法有的是反映對象的本質(zhì)屬性，有的是反映對象的表面特征，有的與對象的本質(zhì)屬性有偏差或者完全不同，但這些都是個人對這個“被觀察的世界”的認識。主體對客觀對象形成觀念有以下性質(zhì)：（1）觀念形成源于主體對客觀對象所感覺到的現(xiàn)象；（2）主體對客觀對象的經(jīng)驗有直接的和間接的；（3）主體對所獲得的經(jīng)驗材料有一個綜合性的信息加工過程。因此，觀念是主體對客體對象所感覺到的所有現(xiàn)象經(jīng)過綜合加工所形成的認識。這種認識有些是正確的，有些是不全面的，有些可能是錯誤的，主要原因是觀念的形成取決于主體所獲取的經(jīng)驗或信息的數(shù)量、種類和總量等的多少、主體對感知材料的綜合處理能力等因素。

從教育與學(xué)生心理發(fā)展的角度來考慮，觀念是什么性質(zhì)的呢？按照安德森（Anderson，2001）對布魯姆理論的修改版可知，觀念應(yīng)該屬于知識的一個類型，屬于概念性知識[1]。而從馬扎諾來看，觀念應(yīng)該是知識系統(tǒng)中的信息類知識。知識系統(tǒng)有信息、心理程序和心理運作程序三種類型，而信息由細節(jié)（details）和有組織的觀念（organizing ideas）組成；細節(jié)由術(shù)語（vocabulary terms）、事實（facts）、時間序列（time sequences）組成；有組織的觀念由概括（generalizations）、原理（principles）組成[2]。所以，觀念就是馬扎諾所指的“有組織的觀念”。這里“有組織”的意思是指兩方面：一方面指觀念是對經(jīng)驗材料的概括化重組；另一方面是指主體對客觀材料的心理加工過程所形成的觀念是具有結(jié)構(gòu)化“組織”的。

“物理觀念”是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的基本認識；是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎(chǔ)[3]。所以，我們可以認識到以下幾點：（1）物理觀念包括三個方面，物質(zhì)、運動與相互作用和能量三方面的觀念；（2）物理觀念不是物理概念和規(guī)律的本身，而是通過學(xué)習(xí)概念和規(guī)律之后在我們頭腦中形成的更進一步的認識，這種認識本身主要反映了學(xué)習(xí)者對概念和規(guī)律的自我加工成果；（3）物理觀念的學(xué)習(xí)是為了學(xué)習(xí)者能夠用觀念去解釋自然現(xiàn)象，解決實際問題。

物理觀念應(yīng)該有兩種基本類型：（1）對事物性質(zhì)的概括所形成的概念。例如，當(dāng)物體本身的大小對研究的問題幾乎沒有影響時，可以把物體看成質(zhì)點；力的作用是相互的；力可以使物體運動狀態(tài)發(fā)生改變或使物體發(fā)生形變；物質(zhì)由大量分子組成；分子做無規(guī)則的熱運動；電場線的疏密程度可表示電場強度；電阻是由材料屬性、導(dǎo)線長度、導(dǎo)線橫截面積和溫度等因素決定的；光具有波粒二象性等等。（2）對一些現(xiàn)象的歸納所形成的規(guī)律。例如，溫度越高，分子運動越劇烈；通過導(dǎo)體的電流與導(dǎo)體兩端的電壓成正比，與導(dǎo)體本身的電阻成反比；物體運動的加速度與所受的合外力成正比，與物體本身的質(zhì)量成反比；兩個天體之間的引力為F=Gm1m2/r2；穿過閉合回路中的磁通量發(fā)生變化，回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流；如果某一區(qū)域內(nèi)的磁通量發(fā)生變化，其周圍就會形成感應(yīng)電動勢等等。當(dāng)然，這兩類觀念之間也沒有非常明晰的界線。例如，通過一系列實驗得出“穿過閉合回路中的磁通量發(fā)生變化，回路中就會產(chǎn)生感應(yīng)電流”這個結(jié)論，顯然應(yīng)該是規(guī)律層次的。但對于一個早已熟悉這個規(guī)律的人來說，這就應(yīng)該屬于概念層面的了。

學(xué)生頭腦中形成的物理觀念并不完全等同于馬扎諾知識系統(tǒng)中的概括和原理，即不會完全與學(xué)習(xí)的物理概念與規(guī)律本身相同。例如，我們發(fā)現(xiàn)地面上的物體有力拉它，它就會運動，力停止作用后物體便靜止了。于是我們可能會認為“有力才有運動”，這種認識是我們對生活中大量相似現(xiàn)象觀察后形成的概括，這就是觀念。當(dāng)然，這個觀念是錯的，原因是我們沒有對現(xiàn)象本質(zhì)作深度分析，而是從表象得出的結(jié)論。所以，形成什么樣的觀念，不僅與學(xué)習(xí)者掌握的經(jīng)驗材料有關(guān)，還與學(xué)習(xí)者對這些材料的心理加工過程、加工水平等有關(guān)。

學(xué)生從課本上學(xué)習(xí)的概念和規(guī)律應(yīng)該是以優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)過程支持的，學(xué)習(xí)過程的經(jīng)驗或經(jīng)歷越豐富，就越能促進概念形成和對規(guī)律的正確認識。概念應(yīng)該是在大量的經(jīng)驗事實的基礎(chǔ)上形成的，如果教學(xué)過程是“速成”的，是教師以“簡捷”的方式告知的，沒有必要的學(xué)習(xí)經(jīng)歷支持，即使學(xué)生知道了某物理概念或規(guī)律，也不可能形成正確、全面而又有深度的觀念，也不可能將獲得的觀念自覺應(yīng)用于相關(guān)的物理現(xiàn)象和物理問題。

物理概念的學(xué)習(xí)是物理觀念形成的重要組成部分，也是物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)與核心。物理概念的學(xué)習(xí)應(yīng)該重視概念的本質(zhì)屬性、概念之間的關(guān)聯(lián)，重視物理概念的深度理解與實際情境中的解釋性應(yīng)用[4]。大概念教育是教學(xué)中強化概念的本質(zhì)屬性、拓展概念之間聯(lián)系的一種重要的手段和方法，它能讓學(xué)習(xí)者在更大的視域內(nèi)認識問題，從寬泛的角度形成物理觀念，提升學(xué)生的物理觀念水平，發(fā)展學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

2 認識大概念

概念是反映對象本質(zhì)屬性的思維形式，是對事物概括后形成的一種存在于人的頭腦中的觀念。大概念是科學(xué)教育提出的一個名詞，大概念是在一組概念群中起核心引領(lǐng)作用的概念。大概念是相對于一般概念而言的，是一種比組內(nèi)其他概念更具抽象水平、更具有一般意義的概括性表達。

科學(xué)大概念包括學(xué)科核心概念、共通概念和關(guān)于科學(xué)本身的概念。核心概念是指滿足以下四個條件中兩個或兩個以上的科學(xué)概念：（1）在知識結(jié)構(gòu)上處于上位的能夠確定學(xué)科邊界的概念，或是能夠組織具體學(xué)科知識的關(guān)鍵性概念；（2）能夠與實際生活建立強聯(lián)系的概念，或能夠幫助認識的基礎(chǔ)性概念；（3）與學(xué)生的興趣和生活經(jīng)驗相關(guān)，或與科學(xué)和技術(shù)有關(guān)的社會或個人問題相關(guān)；（4）通過增加深度和復(fù)雜性，能在多個年級中進行持續(xù)的教和學(xué)。例如，生物—動物—脊索動物—昆蟲……，能量—機械能—勢能—重力勢能……，在上述系統(tǒng)中，上一級概念是下一級概念的核心概念。

共通概念是指通行或適用于科學(xué)各學(xué)科之間，不同科學(xué)領(lǐng)域之間都需要理解和使用的科學(xué)概念。這類概念幫助學(xué)生將不同學(xué)科之間相互聯(lián)系的知識構(gòu)成一個連廊，組成連貫的科學(xué)世界。例如，運動、轉(zhuǎn)化、守恒、對稱、作用、時間、空間、質(zhì)量、能量、信息與波等，這些概念可稱為科學(xué)學(xué)科的共通概念。

關(guān)于科學(xué)本身的概念，或者OECD定義的關(guān)于科學(xué)的知識（Knowledge about science）是指學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)過程中需要理解的關(guān)于科學(xué)本質(zhì)、科學(xué)探究、科學(xué)方法、STSE等方面的概念?？茖W(xué)本質(zhì)教育是科學(xué)教育的熱點，可以幫助學(xué)生理解“科學(xué)是什么”“科學(xué)如何研究”“科學(xué)有什么意義”等問題，這些問題的研究與解釋有助于學(xué)生提升其科學(xué)決策能力，幫助學(xué)生理解相關(guān)的概念，形成大概念[5]。

物理學(xué)習(xí)中，大概念的教學(xué)可以幫助學(xué)生從物理學(xué)整體上，甚至于科學(xué)的整體上把握物理概念與規(guī)律，把整個物理學(xué)科連成一個整體。大概念能夠強化學(xué)生的物理學(xué)與實踐、物理學(xué)與生活之間的聯(lián)系能力，是提高物理觀念水平、提升物理學(xué)科素養(yǎng)的重要組成部分。

3 構(gòu)建高中物理大概念體系

高中物理核心概念是建立物理觀念的基礎(chǔ)。根據(jù)修訂版課程標(biāo)準(zhǔn)，我們可以確定三個高中物理大概念：物質(zhì)、運動與相互作用、功與能量。從這三個大概念出發(fā)可以建立物質(zhì)觀、運動與相互作用觀和能量觀。我們可以試著從三個大概念出發(fā)來建構(gòu)表1所示的高中物理概念體系。

我們可以用概念層級來表達高中物理概念之間的邏輯體系。我們從高中物理核心概念物質(zhì)、運動與相互作用、功與能量為邏輯起點展開高中物理概念體系，可以把高中物理的所有概念都涵蓋于該體系中。為了清晰表達，我們用圖1所示的“概念總體系”和圖2到圖5所示的局部圖逐一表示。

4 大概念的教學(xué)建議

大概念的理念并不是概念本身的大小問題，而是讓我們在教學(xué)過程中注重概念之間的聯(lián)系、概念與實際情境的聯(lián)系。關(guān)注這樣的“聯(lián)系”，學(xué)生才有可能對概念有深度理解，形成物理核心素養(yǎng)所要求的物理觀念。

4.1 加強概念聯(lián)系，把概念“做大”

物理大概念的形成首先要加強概念之間的聯(lián)系。一些概念之間看上去沒有什么關(guān)聯(lián)，但它們背后可能存在很有意義的聯(lián)系。例如，我們可以把初中物理（科學(xué)）的密度概念擴大，從一維密度、二維密度、三維密度到四維密度進行深刻的理解，就可以更進一步深度理解平常說的密度（）概念。描述電線上鳥的疏密程度（一維）、田野里昆蟲的密度（二維）、空氣質(zhì)量指數(shù)（顆粒物的體密度，三維）等都可以用密度來表示。因此，密度是一個大概念。其實，課本上密度定義式表示的是關(guān)于質(zhì)量的體積密度，即物質(zhì)質(zhì)量的三維密度。同理，我們可以把壓強（）理解成力的面密度的大小，力的面密度越大，就是壓強越大，針尖刺物時力的面密度極大；還可以用雨滴的面密度的大小來客觀表達下雨大小的程度；用電場線的面密度（）表示電場強度；用磁感線的面密度（）表示磁感應(yīng)強度[6]。因此，我們把密度看成是反映物質(zhì)某種特性的疏密程度的話，它就是一個大概念。

4.2 將新概念的學(xué)習(xí)融合于已有的概念體系

如果原有的概念中有新概念的上位概念或下位概念，那么我們必須搞清它們之間的聯(lián)系，這有利于構(gòu)建概念的“大家庭”。例如，我們是從電場力做功的角度來學(xué)習(xí)電勢差概念的，所以電場力做功與電勢能的概念將會有很強的聯(lián)系。那么，我們必須在電場力做功與電勢能變化的大概念下學(xué)習(xí)與理解電勢差的概念。獲得電勢差概念后我們可以問學(xué)生：電勢差的本質(zhì)是什么？是移送單位電荷過程中電場力所做的功的多少。但這樣的聯(lián)系還不夠，初中階段我們學(xué)過的電路兩端的電壓（電勢差）是什么意思呢？其實，電壓（電勢差）的本質(zhì)可以從能的角度來考慮，兩點之間的電壓（電勢差）越大，在兩點之間移動電荷時電場力所做的功就越多，或者說電荷移動時“釋放”的動能越大，這就說明電壓（電勢差）表示單位電荷移動時電場力對電荷做功的多少。電壓（電勢差）的本質(zhì)也可以從力的角度來考慮，電路兩端如果沒有電壓（電勢差）也就沒有電流，說明電荷不會定向移動，如果電路兩端加上電壓（電勢差），電路中就會產(chǎn)生電流，加的電壓（電勢差）越大，電流就越大，這說明電壓（電勢差）的本質(zhì)是對電荷的“推動作用”，而且這種“推動作用”與電壓（電勢差）的大小有關(guān)。因此，電壓（電勢差）概念的學(xué)習(xí)涉及到的概念很多：電場強度、電場力、電勢能、電勢、功、“推動作用”等。如果與重力場類比，涉及的概念就更多了。

4.3 要盡可能將概念拓展到一般性適用范圍

新概念的學(xué)習(xí)中，要盡可能讓一個新概念建立在更大的適用范圍內(nèi)，以利于新概念更牢固地融入到概念體系中。例如，功的概念是力與力的方向上的位移的乘積。雖然我們的定義是建立在力學(xué)中的機械運動的情境之上的，這個“功”是否只適用于力學(xué)呢？不是！它適合于所有物體運動時做功量的計算，只要有力和力的方向上的位移這兩個要素即可。例如，電荷在電場中移動、原子的電離過程、分子之間的距離變化等都可以用功的概念或計算式進行判斷和計算。

4.4 用大概念視角解釋和解決問題

物理學(xué)中很多概念的形成有其特定的范圍，但它的使用范圍往往超出了引出情境的特定范圍。利用概念的這種特性往往可以解釋和解決很多疑難問題。例如，一個人提著30 kg的物體300 s，但物體沒有移動，我們往往說人對物體沒有做功，原因是力的作用點沒有發(fā)生位移。學(xué)生卻很難理解這個問題。如果老師說，沒有什么可懷疑的，因為物體沒有發(fā)生位移，所以做功為零。學(xué)生還是會疑問：我提著這么累，你說我不做功？其實，這個案例中人對物體沒有做機械功。那么，人為什么會感覺“累”呢？其實這個人是做功的，但這個功不是機械功，做功使得人體內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)化過程，使體內(nèi)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能。直觀地看，因為人提著物體使他出現(xiàn)體溫上升、出汗等狀況。其實，“機械功”是一個小概念，而“功”是一個大概念，從功、機械功兩個角度來分析解釋這個問題，比單一地從機械功的角度來解釋效果會更好。因此，用大概念的理念強化概念之間關(guān)聯(lián)的能力，對理解新概念非常重要。如果我們把力學(xué)中的功與能的概念進一步聯(lián)系和擴大，就很容易理解hν-W=mv2這個方程式了。

4.5 注重概念與實際情境或?qū)嶋H問題的聯(lián)系

新概念的引入一般來自實際問題研究的需要，所以概念的引入需要有實際情境的支持；新概念獲得后可用來解釋或解決實際問題，所以概念的應(yīng)用可擴大新概念的涉獵范圍。例如，學(xué)習(xí)動量與沖量，我們需要創(chuàng)設(shè)相互碰撞的實際問題，在實際問題的研究中尋找出碰撞過程中的守恒量是質(zhì)量與速度的乘積。然后自然會想到：引入一個質(zhì)量與速度的乘積組成的物理量是很有意義的，將這個物理量稱為“動量”；接著再研究動量變化的原因，是力和力對物體的作用時間共同決定的，所以可引入沖量的概念；就得出動量和沖量之間的關(guān)系——動量定理。這個過程結(jié)束后，我們可以用動量的概念和動量與沖量之間的關(guān)系來解決很多牛頓運動定律很難解決的實際問題。所以，動量概念的學(xué)習(xí)要從實際情境中來，再回到實際問題中去。所以，大概念的“大”也體現(xiàn)在概念的引入和概念的應(yīng)用要盡可能與實際情境聯(lián)系，以此擴大學(xué)習(xí)者的經(jīng)驗范圍。當(dāng)然，動量與沖量的關(guān)系（動量定理）對進一步深化動量和沖量概念非常重要，而且這樣的學(xué)習(xí)為動量守恒定律的探索奠定了很好的基礎(chǔ)。

4.6 合理設(shè)計課堂教學(xué)的物理觀念目標(biāo)

物理課堂教學(xué)要體現(xiàn)素養(yǎng)發(fā)展理念，就必須在教學(xué)設(shè)計上體現(xiàn)觀念目標(biāo)。根據(jù)我們的研究，一節(jié)課的內(nèi)容比較少，教師很難表達學(xué)生通過一節(jié)課的內(nèi)容學(xué)習(xí)所獲得的“物理觀念”，原因是我們總認為“物理觀念”很大很抽象，而一節(jié)課不可能讓學(xué)生真正獲得大概念。事實上，一個大概念往往由很多相關(guān)的小概念逐漸累積而形成。因此，我們可以把一節(jié)課的“物理觀念”理解成：通過一節(jié)課的物理概念、物理規(guī)律的學(xué)習(xí)，學(xué)生對相關(guān)問題所獲得的自我認識，這種認識可以是很小很具體的事實陳述。我們發(fā)現(xiàn)這樣的解釋與處理，使所有參與實踐性研究的教師都能夠?qū)懗鲆还?jié)課的“物理觀念”目標(biāo)了[7]。

下面我們分別以“動能定理”（必修2）和“動量定理”（選擇性必修1）為例，來設(shè)計課堂教學(xué)的物理觀念目標(biāo)。

“動能定理”的物理觀念目標(biāo)重點在如何尋找力在一段位移后發(fā)生的效應(yīng)，我們從力在一段位移上發(fā)生的物體運動狀態(tài)的變化描述，建立功的概念、與功對應(yīng)的表達物體能量改變的物理量。所以可以表達成：讓學(xué)生認識到力作用一段空間距離后對物體運動狀態(tài)的變化會產(chǎn)生影響，這個影響就是物理量mv2的變化。

“動量定理”的物理觀念目標(biāo)重點在如何尋找力作用一段時間后發(fā)生的效應(yīng)，我們從力在一段時間內(nèi)使物體的運動狀態(tài)發(fā)生變化的描述中，建立沖量的概念以及與沖量對應(yīng)的表達物體動量改變的物理量。所以可以表達成：讓學(xué)生認識到力作用一段時間后對物體運動狀態(tài)變化會產(chǎn)生影響；它所產(chǎn)生的效應(yīng)是物理量mv的變化。

強調(diào)物理概念與規(guī)律的重要性，以物理概念與規(guī)律的強化來提升學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)一直是物理教師們的努力方向。修訂版課程標(biāo)準(zhǔn)提出物理觀念教育的要求，從概念與規(guī)律的學(xué)習(xí)獲得的物理觀念水平的提升來提升物理學(xué)科素養(yǎng)，這需要我們改進教學(xué)目標(biāo)體系與實施方式，提倡與開展大概念教育無疑是有效的方法。

參考文獻：

[1]吳紅耘. 修訂的布盧姆目標(biāo)分類與加涅和安德森學(xué)習(xí)結(jié)果分類的比較[J]. 心理科學(xué)， 2009（4）：994-996.

[2]盛群力.旨在培養(yǎng)解決問題的高層次能力——馬扎諾認知目標(biāo)分類學(xué)詳解[J].開放教育研究，2008，14（2）：10-21.

[3]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4.

[4]曹寶龍. 概念的形成原理與教學(xué)建議——以物理概念為例[J]. 物理教學(xué)， 2016（4）：5-8.

[5]曹寶龍. 科學(xué)本質(zhì)及其教學(xué)建議[J]. 物理教學(xué)探討， 2017，35（9）：1-4，8.

[6]曹寶龍. 概念的形成原理與教學(xué)建議——以物理概念為例[J]. 物理教學(xué)， 2016（4）：5-8.

[7]何文明， 曹寶龍. 構(gòu)建基于學(xué)科素養(yǎng)的高中物理教學(xué)目標(biāo)新體系[J].物理教學(xué)探討， 2017， 35（8）：19-21.

（欄目編輯 廖伯琴）