“物理學(xué)科核心素養(yǎng)”導(dǎo)向下的高中物理概念教學(xué)設(shè)計

周 瑋

(北京師范大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100052)

隨著2017版新課標(biāo)的頒布，標(biāo)志著新課程改革正式啟動，這一次的改革則是將學(xué)科核心素養(yǎng)教育作為主要的教學(xué)目標(biāo).如何在教學(xué)過程中真正以學(xué)生為中心，根據(jù)每位學(xué)生的知識和經(jīng)驗(yàn)，滿足他們獨(dú)特的人格成長需要，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)是課堂教學(xué)改革應(yīng)不斷思考的問題.

學(xué)科核心素養(yǎng)是學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，是學(xué)生通過學(xué)科學(xué)習(xí)而逐步形成的正確的價值觀念、必備品格和關(guān)鍵能力.物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”4個方面.

物理概念既是物理學(xué)大廈的基石，也是核心素養(yǎng)導(dǎo)向下物理教學(xué)的重要載體.因此，教師應(yīng)該在課堂教學(xué)中有效落實(shí)基于核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理概念教學(xué).

1 物理概念教學(xué)與學(xué)科核心素養(yǎng)的內(nèi)在聯(lián)系

物理概念內(nèi)容的豐富性為學(xué)生物理觀念的形成提供了直接的知識基礎(chǔ).概念是對大量物理事實(shí)的提煉和總結(jié)，它反映了事物的本質(zhì)，是學(xué)生進(jìn)行理性認(rèn)識的開端.高中物理涉及的主要概念超過200個，每個概念都是物理知識網(wǎng)上的重要節(jié)點(diǎn).不同概念從不同角度揭示了世界的物質(zhì)本性，對物理概念的學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生由表及里地揭示物理現(xiàn)象的本質(zhì)，逐步形成包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動與相互作用觀念、能量觀念等物理觀念.

物理概念的學(xué)習(xí)過程為學(xué)生思維能力的發(fā)展提供了空間.物理概念的形成過程，是學(xué)生自我建構(gòu)的過程.學(xué)生從已有的認(rèn)知出發(fā)，以日常經(jīng)驗(yàn)為起點(diǎn)，往往要經(jīng)歷反復(fù)多次的觀察、比較、概括、抽象等科學(xué)思維過程，才能獲得科學(xué)的物理概念.在此過程中，學(xué)生通常要運(yùn)用許多物理方法，如演繹法、歸納法、理想化方法、類比法、微元法等，才能建立或深化對概念的認(rèn)識，而這些方法是學(xué)生思維能力發(fā)展的重要基礎(chǔ).如果說思維能力是物理學(xué)科的關(guān)鍵能力，那么概念的學(xué)習(xí)就為這一關(guān)鍵能力的培養(yǎng)提供了空間.

物理概念的形成過程是培養(yǎng)學(xué)生內(nèi)在探究精神的有效途徑.物理概念的內(nèi)化不是一蹴而就的，是學(xué)生結(jié)合已有認(rèn)知，去偽存真，不斷完善認(rèn)知結(jié)構(gòu)的過程.為什么引入這一概念？為什么要如此定義一個概念？概念的內(nèi)涵和外延是什么？相關(guān)概念間的邏輯關(guān)系是什么？如何通過概念的深化構(gòu)建出知識網(wǎng)絡(luò)體系？這些問題都是值得學(xué)生思考和研究的.概念的內(nèi)化讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)自我認(rèn)知的缺陷，在自我完善過程中能獲得較高的成就體驗(yàn)，逐漸形成探索自然的內(nèi)在動力.

物理概念的形成過程是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神的有效途徑.物理概念的建立往往經(jīng)歷了漫長和曲折的過程，滿含著人類先賢的智慧和科技進(jìn)步的力量.如“自由落體”這一概念的建立，其中既包含了伽利略運(yùn)用邏輯推理的方法反駁亞里士多德關(guān)于落體運(yùn)動的錯誤觀點(diǎn)，又包含了對落體運(yùn)動規(guī)律的數(shù)學(xué)推理、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以及合理外推這些智慧的閃光點(diǎn)，開創(chuàng)了科學(xué)研究的模式.又如“原子”這個概念，2 000多年前古希臘哲學(xué)家德謨克利特就提出了這一概念，他認(rèn)為，所有物體都由數(shù)不清的、小得人眼無法看到的粒子集合而成，這些粒子叫原子，是物質(zhì)的最小單元.隨著科技進(jìn)步，現(xiàn)代人們不僅可以在微觀層面觀察并控制原子，而且打破了原子不可分的古老觀念，以原子概念創(chuàng)新為起點(diǎn)，建立了分子和原子物理學(xué)以及核物理學(xué)等學(xué)科.對于這些圍繞物理概念而展開的物理學(xué)史的學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生解放思想、開闊眼界，培養(yǎng)他們不斷探索、勇于創(chuàng)新的科學(xué)精神和求真務(wù)實(shí)、規(guī)范嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度.

2 學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的物理概念教學(xué)設(shè)計

2.1 概念教學(xué)設(shè)計應(yīng)有層次的建構(gòu)物理觀念

概念教學(xué)對于學(xué)生物理觀念的形成具有舉足輕重的作用.物理觀念主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動與相互作用觀念、能量觀念等要素，可以說這幾點(diǎn)也是上位的核心概念.學(xué)生的物理觀念是在物理概念、物理規(guī)律等內(nèi)容的學(xué)習(xí)、運(yùn)用及內(nèi)化體驗(yàn)的基礎(chǔ)上，逐步建構(gòu)和發(fā)展起來的，并非一蹴而就.因而制定物理概念的教學(xué)目標(biāo)時，要分析它們在物質(zhì)觀念、運(yùn)動與相互作用觀念及能量觀念等物理觀念發(fā)展過程中的地位和作用，在教學(xué)中由表及里、由淺入深，有層次的逐步推進(jìn)，最后形成上位的物理觀念.

例如，為了發(fā)展學(xué)生的運(yùn)動與相互作用觀念，首先,要讓學(xué)生經(jīng)歷位移、速度、加速度等重要概念的建構(gòu)過程以及研究勻變速直線運(yùn)動、拋體運(yùn)動、勻速圓周運(yùn)動等重要的物理過程，促進(jìn)學(xué)生對“機(jī)械運(yùn)動”核心概念的形成和理解；然后,再引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷各種常見力(包括重力、彈力、摩擦力、萬有引力、安培力、洛倫茲力等)的概念的建構(gòu)過程以及牛頓運(yùn)動定律的學(xué)習(xí)過程，促進(jìn)學(xué)生對“運(yùn)動和力”核心概念的形成和理解.在此過程中，通過知識的不斷內(nèi)化和深化，促進(jìn)學(xué)生的運(yùn)動與相互作用觀念不斷發(fā)展.

又例如，為了建立能量的觀念，首先,需要建立動能、勢能的概念，而勢能是能量概念中的一個難點(diǎn)，在教學(xué)過程中應(yīng)該由淺入深，層層深入地進(jìn)行理解與建構(gòu).學(xué)生是從重力勢能的學(xué)習(xí)開始的，是學(xué)習(xí)勢能概念的第一步.所以學(xué)習(xí)重力勢能時，就要為后期的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).除了要知道重力勢能的定義以外，還有兩點(diǎn)應(yīng)該列為重要的教學(xué)目標(biāo)：一是關(guān)于重力做功與路徑無關(guān)，只與初末位置有關(guān)的特點(diǎn)；二是重力做功等于重力勢能的減少量.這兩點(diǎn)是為什么能定義重力勢能以及如何定義重力勢能的關(guān)鍵.在進(jìn)一步建立“彈性勢能”“電勢能”以及“分子勢能”這些概念時，可以通過類比發(fā)現(xiàn)相關(guān)的力做功與重力做功有相同的特點(diǎn)，從而借助功能關(guān)系建立勢能的概念，研究勢能的普遍含義，促進(jìn)學(xué)生對功能關(guān)系的理解，進(jìn)一步建構(gòu)和發(fā)展能量觀念.

2.2 概念教學(xué)設(shè)計中應(yīng)體現(xiàn)科學(xué)思維的培養(yǎng)

“科學(xué)思維”是從物理學(xué)視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識；是基于經(jīng)驗(yàn)事實(shí)建構(gòu)物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學(xué)領(lǐng)域的具體運(yùn)用；是基于事實(shí)證據(jù)和科學(xué)推理對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，進(jìn)而提出創(chuàng)造性見解的能力與品質(zhì).科學(xué)思維主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素.

概念是人們對事物本質(zhì)的認(rèn)識，是邏輯思維最基本的單元.概念的建立必須借助于感性的材料、理性的科學(xué)思維方法.科學(xué)思維方法作為物理學(xué)研究和發(fā)展的邏輯工具，為物理學(xué)提供了建立物理概念、形成物理原理和提供實(shí)驗(yàn)探究的根本途徑.課堂教學(xué)應(yīng)該針對不同類型物理概念的特點(diǎn)，有意識地融入相應(yīng)的科學(xué)思維方法，恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用實(shí)驗(yàn)、分析、綜合、歸納、類比、概括、抽象、演繹和理想化等方法，引導(dǎo)學(xué)生親歷物理學(xué)的思維發(fā)展歷程，激發(fā)其物理學(xué)習(xí)動機(jī).所以物理概念的學(xué)習(xí)過程為科學(xué)思維的培養(yǎng)提供了最好的途徑.

例如，在對質(zhì)點(diǎn)、自由落體運(yùn)動、簡諧運(yùn)動、點(diǎn)電荷、勻強(qiáng)電場等物理概念進(jìn)行教學(xué)時，教師在教學(xué)中應(yīng)突出對學(xué)生利用理想化方法建立模型的思維方法的培養(yǎng)；在學(xué)習(xí)瞬時速度、瞬時加速度時需要體現(xiàn)出極限的思想，這也是微元法思想的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)；在建立力、機(jī)械運(yùn)動、機(jī)械振動的概念時，通過大量實(shí)例的枚舉，應(yīng)用歸納的方法得出不同的概念；在建立動能、動量、沖量這些概念時，我們可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)演繹的方法，從已知的規(guī)律中得到新的重要的概念；在學(xué)習(xí)磁場、磁感線、磁感應(yīng)強(qiáng)度這些概念時，可以采用類比的方法，類比電場、電場線以及電場強(qiáng)度進(jìn)行概念的定義，降低理解的難度，等等.這些方法是學(xué)生思維能力發(fā)展的重要基礎(chǔ)，也是學(xué)生能夠借鑒并遷移到終身學(xué)習(xí)的重要科學(xué)方法.學(xué)習(xí)的任務(wù)不僅在于獲得知識，更重要的還在于智力的發(fā)展，掌握科學(xué)方法，提高綜合能力.如果說思維能力是物理學(xué)科的關(guān)鍵能力，那么概念的習(xí)得就為這一關(guān)鍵能力的培養(yǎng)提供了條件.

2.3 概念教學(xué)設(shè)計中應(yīng)選擇合理的教學(xué)流程

以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)為目標(biāo)的概念教學(xué)，應(yīng)強(qiáng)化物理情境的創(chuàng)設(shè)，要有意識地引導(dǎo)學(xué)生自我建構(gòu)，凸顯學(xué)生的主體地位.同時，教師應(yīng)尊重學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，從感性認(rèn)識過渡到理性認(rèn)識，從直觀的形象思維發(fā)展為抽象的邏輯思維，以概念為基石，逐步培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

2.3.1 事實(shí)積累 引入概念

這是物理概念教學(xué)的首要環(huán)節(jié).通過這一環(huán)節(jié)，能夠豐富學(xué)生的感性認(rèn)識，積累生動的實(shí)例，同時激發(fā)學(xué)生已有的隱概念，提取知識儲備，為科學(xué)概念的建立奠定基礎(chǔ).

一般在日常教學(xué)中采用比較多的有兩種方法：一種是引導(dǎo)學(xué)生列舉大量的生活實(shí)例，或者是回顧已有的生活經(jīng)驗(yàn)，從典型的生活現(xiàn)象中引入，比如彈力、摩擦力、機(jī)械振動、機(jī)械波等，都可以從大量的實(shí)例中來認(rèn)識這些物理現(xiàn)象，進(jìn)一步歸納出物理概念；又如慣性、動量、浮力、機(jī)械運(yùn)動這些內(nèi)容，在學(xué)生平常跑跳、碰撞、游泳或者乘坐交通工具時，都有切身的感受，這些基于直接經(jīng)驗(yàn)的感性認(rèn)識是學(xué)生認(rèn)知的基礎(chǔ)，也可以作為他們思維的起點(diǎn).第二種是運(yùn)用演示實(shí)驗(yàn)，展現(xiàn)真實(shí)的物理情景，幫助學(xué)生形成對日常生活中不常見現(xiàn)象的直觀感受.在電學(xué)、光學(xué)、原子物理等內(nèi)容中有大量的物理概念距離現(xiàn)實(shí)生活較遠(yuǎn)，如感應(yīng)起電、電磁感應(yīng)、光的色散、光電效應(yīng)等，教師必須要做好演示實(shí)驗(yàn)，才能讓學(xué)生具有概念建立必要的前認(rèn)知，或者通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象幫助學(xué)生形成認(rèn)知沖突，促進(jìn)他們有意義學(xué)習(xí)的生成.在此過程中，教師注意引導(dǎo)學(xué)生觀察、思考并記錄重要的物理現(xiàn)象，為導(dǎo)入概念埋下伏筆.

當(dāng)然，教師還可以根據(jù)學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的知識狀況和新概念特點(diǎn)采取其他的引入方式，比如從物理學(xué)史的角度引入，如自由落體運(yùn)動、萬有引力、電磁波等；或者從已有概念的類比中引入，如磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁感線等；也可以是從已知規(guī)律的演繹、推理中引入，如動能、動量等.

無論采取什么方法，概念引入的過程必不可少，這是學(xué)生能建立清晰的概念，區(qū)分不同概念的區(qū)別與聯(lián)系的重要基礎(chǔ)，也是學(xué)生能通過不斷學(xué)習(xí)，經(jīng)過基本事實(shí)的積累升華為物理觀念的物質(zhì)基礎(chǔ).

2.3.2 抽象概括 定義概念

一切概念都要通過詞語來表現(xiàn)，定義就是對于一種事物的本質(zhì)特征或一個概念的內(nèi)涵和外延所作的確切表述.在這一過程中，教師要合理引導(dǎo)學(xué)生正確進(jìn)行科學(xué)抽象，能用自己的語言將模糊的認(rèn)識轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)的定義，由感性認(rèn)識上升到理性認(rèn)識階段，這是形成概念的關(guān)鍵.

物理學(xué)由于其發(fā)展歷史長，涉及的內(nèi)容廣泛，物理概念的數(shù)量也相當(dāng)多.如果我們能對概念進(jìn)行科學(xué)的分類，針對不同概念可以采用不同的定義方法，對于概念的學(xué)習(xí)便能事半功倍.

我們可以粗略地將高中階段的不同概念劃分為以下4類.

(1)抽象模型概念

物理學(xué)中具有大量物理模型，而這些物理模型是自然界不存在的理想化的抽象模型.所謂抽象模型，就是利用理想化方法，抓住事物的主要特征和性質(zhì)，舍去特定條件下無關(guān)緊要的因素而建立的模型.這些抽象模型概念近似地反映了客觀事物的本質(zhì)，在研究問題時可以方便我們抓住主要矛盾，將問題大大簡化.例如質(zhì)點(diǎn)、自由落體、彈簧振子、簡諧運(yùn)動、簡諧波、點(diǎn)電荷、勻強(qiáng)電場、理想氣體、純電阻、盧瑟福原子模型等.

(2)現(xiàn)象描述概念

我們對事物的認(rèn)識總是從觀察開始，觀察是認(rèn)識的基礎(chǔ)，許多概念的建立都來自于長期周密、細(xì)致的觀察.不僅在自發(fā)的情況下觀察自然界的物理現(xiàn)象，也根據(jù)研究的目標(biāo)，利用科學(xué)實(shí)驗(yàn)有控制地研究自然規(guī)律.對自然和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察總結(jié)就構(gòu)成了部分物理概念.我們把定性描述物理現(xiàn)象的這類物理概念稱為現(xiàn)象描述概念.這類概念在物理學(xué)中很多，例如慣性、機(jī)械振動、機(jī)械波、電場、波的衍射和干涉、布朗運(yùn)動、光電效應(yīng)等.

(3)導(dǎo)出物理概念

物理學(xué)發(fā)展到近代成為一門高度定量化的學(xué)科，為了構(gòu)建理論體系，往往還需要定義若干概念.這些概念比起前兩類概念來，更為抽象，通常都是由幾個量組合而成，反映出新定義的導(dǎo)出概念與已知物理概念之間的聯(lián)系.例如，功W=Fxcosθ就是一個定義概念，在現(xiàn)實(shí)生活中沒有一個直接的物理現(xiàn)象可與之對應(yīng)，類似的定義概念還有很多，如速度、加速度、動能、動量、沖量、功率、電場強(qiáng)度、電勢、電動勢、電阻、電容等.

(4)物理量單位概念

作為物理量單位的物理概念數(shù)量很大，根據(jù)性質(zhì)可分為基本單位和導(dǎo)出單位兩種.在國際單位制中規(guī)定了 7個基本單位，這7個基本單位概念的涵義在國際物理學(xué)界有非常明確的規(guī)定.導(dǎo)出單位數(shù)量很大，如力的單位為牛頓，功和能的單位為焦耳，壓強(qiáng)單位為帕斯卡，等等，它們均可依據(jù)該單位的定義由物理公式導(dǎo)出.

如果清楚地知道了概念的種類，那么就可以根據(jù)不同類型概念的特點(diǎn)，進(jìn)行概念的定義.有的用語言對主要特征或現(xiàn)象進(jìn)行定性描述，有的是尋找已知的物理概念采用邏輯方法進(jìn)行定量的公式描述.學(xué)生通過自己的觀察、探究、總結(jié)、歸納將概念表述出來，完成了概念從感性到理性、從模糊到科學(xué)的轉(zhuǎn)變.

2.3.3 對比反思 深化概念

在初步建立概念的時候，學(xué)生的認(rèn)知往往是片面的、碎片化的、淺層的，而且容易遺忘，需要通過進(jìn)一步的理解來深化對概念的認(rèn)識，以使學(xué)生構(gòu)建完整的概念知識體系.

第一，明確概念的內(nèi)涵與外延.物理概念的特點(diǎn)是準(zhǔn)確而抽象的，但是其豐富的含義需要學(xué)生慢慢體會.首先，需要深刻地理解物理概念的內(nèi)涵與外延，將概念與其他概念之間的區(qū)別和聯(lián)系探索清楚.物理概念的內(nèi)涵是該概念所反映的物理事實(shí)的本質(zhì)屬性，而外延是該概念所涉及的一切物理事實(shí)的范圍和條件.例如，對比“標(biāo)量與矢量”的內(nèi)涵與外延：標(biāo)量是只有大小、沒有方向的物理量，在合成法則中只需要將其代數(shù)相加就可以了，如溫度、速率、功、功率、路程、能量等；矢量是既有大小又有方向的物理量，在合成法則中符合平行四邊形法則，例如速度、加速度、力、位移、動量、電場強(qiáng)度等.學(xué)生通過對概念內(nèi)涵與外延的理解，不僅能分清概念之間的聯(lián)系與區(qū)別，還能結(jié)合自己的知識將概念應(yīng)用到具體的實(shí)例中，從而對概念有了感性的認(rèn)識.

第二，要注意概念的進(jìn)階.在課堂教學(xué)中應(yīng)該設(shè)計合理的學(xué)習(xí)梯度，考慮前、后學(xué)習(xí)的銜接與拓展，引導(dǎo)學(xué)生循序漸進(jìn)地開展學(xué)習(xí).例如，“電流”是電學(xué)中的核心概念，可以將這一概念的理解分為3個階段.第一階段學(xué)生從電路的角度來認(rèn)識電流的概念，是初中就學(xué)習(xí)過的知識；第二階段則是從導(dǎo)線中的電場與電荷所受電場力的角度來認(rèn)識電流的形成，這是高中階段的要求；第三階段則需要從微觀與宏觀的聯(lián)系來認(rèn)識電流，理解電流的微觀表達(dá)式，這是一個更高的要求.通過3個階段的教學(xué)活動，幫助學(xué)生深化對電流概念的理解，經(jīng)歷從形象到抽象，從具體到一般的過程.

第三,要注意概念的延續(xù)與擴(kuò)展.根據(jù)中學(xué)生的思維特點(diǎn)和學(xué)習(xí)能力，物理概念會隨著學(xué)生物理知識的增加以及研究問題的深入而不斷地變化和發(fā)展，即一個完整物理概念的形成需要有一個發(fā)展的過程.如“力”這一重要的概念，最初學(xué)生對力的認(rèn)識是“力是物體與物體間的相互作用”，在研究力與運(yùn)動的關(guān)系時，對力的理解變?yōu)椤傲κ鞘刮矬w運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生變化的原因”或者“力是產(chǎn)生加速度的原因”，學(xué)習(xí)了牛頓運(yùn)動定律，更可以將力定量的定義為

F=ma

在學(xué)習(xí)了動量定理之后，也可以將力的定量定義寫為

這樣對“力”這一概念的掌握就達(dá)到了從具體到抽象、從感性到理性、從定性到定量、從簡單到系統(tǒng)的過程，深化對這一重要概念的認(rèn)識，從而建立完整的概念體系.

第四,要注意科學(xué)方法的總結(jié).概念的建立過程涉及的科學(xué)方法很多，對科學(xué)方法的總結(jié)也能深化概念的理解.比如,比值定義法是我們在定量定義導(dǎo)出物理概念時常用的方法，就是用兩個或兩個以上的物理量的比值去定義另外一個新物理量的方法.我們往往用比值法來定義物質(zhì)或物體屬性特征的物理量，兩個或多個物理量的比值是個定值，屬于性質(zhì)量.初中我們學(xué)習(xí)過密度與電阻，高中我們在電場中用比值法來定義電場強(qiáng)度、電容、電勢,等等.應(yīng)用比值法往往需要一定的條件：一是客觀上需要，二是間接反映特征屬性的兩個物理量可測，三是兩個物理量的比值是一個定值.如果理解了比值法，那么我們在學(xué)習(xí)磁場時就可以很容易理解磁感應(yīng)強(qiáng)度的定義，甚至還能借鑒到重力場的研究.雖然課本上沒有描述，但我們能輕松地定義出重力場強(qiáng)度、重力勢等概念，深入理解對于場這種物質(zhì)進(jìn)行研究的方法，以及辨析場中跟場力與能量相關(guān)的各概念間的區(qū)別和聯(lián)系.同時理解了比值定義法，那么對于這些概念的定義式與決定式也就能很好地加以區(qū)分了.所以，從科學(xué)方法的角度去深化理解概念，也是一個重要的方面.