指向深度學習的高中物理大概念教學策略*
——以“牛頓第一定律”教學為例

任虎虎

(江蘇省太倉高級中學 江蘇 蘇州 215411)

大概念又稱大觀念，是目前國內(nèi)外研究的熱點問題，克拉克基于布魯姆等人的研究，認為大概念能理解和聯(lián)結(jié)小概念；懷特利強調(diào)大概念是理解的建筑材料，用以使人們能夠聯(lián)結(jié)其他零散的知識點.埃里克森認為大概念是指向?qū)W科中的核心概念；威金斯和麥格泰認為大概念相當于車轄，能夠?qū)⒍喾N知識有意義地連結(jié)起來，并倡導基于逆向設計揭示和理解大概念[2].哈倫從科學教育角度提出了14個科學教育的大概念；査莫斯在研究STEM的大概念時，認為其可以分為兩類:內(nèi)容大概念和過程大概念[3].

國內(nèi)，2018年1月教育部頒布了20個學科的普通高中課程標準，并在前言中明確指出“重視以學科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，以主題為引領(lǐng)，使課程內(nèi)容情境化，促進學科核心素養(yǎng)的落實.”[4]韋鈺院士提出圍繞大概念實施科學教育，李剛和呂立杰兩位專家提出了指向核心素養(yǎng)落實的大概念課程設計路徑，郭玉英教授及其團隊提出圍繞大概念組織知識內(nèi)容,設計合理的學習進階實施教學.

1 什么是大概念教學和深度學習

1.1 大概念教學的內(nèi)涵

大概念是指在一個學科領(lǐng)域中最精華、最有價值的內(nèi)容，在學科中發(fā)揮著概念“魔術(shù)貼”或“文件夾”的作用.大概念教學就是以大概念為核心選擇與整合分散的概念、事實、經(jīng)驗和問題等，并通過整體設計與實施，幫助學生形成深層次的、有意義的、結(jié)構(gòu)化的和可遷移的概念體系.

1.2 深度學習的內(nèi)涵

深度學習是對學習狀態(tài)的質(zhì)性描述，涉及學習的投入程度、思維層次和認知體驗等層面，強調(diào)對知識本質(zhì)的理解和對學習內(nèi)容的批判性吸收與利用，追求有效的學習遷移和真實問題的解決，屬于以高階思維為主要認知活動的高投入、有意義的學習過程[5].

2 為什么基于大概念的教學能促進深度學習

2.1 大概念教學是深度學習的邏輯起點

深度學習是為解決知識呈現(xiàn)的碎片化，知識理解的淺層化，知識探究的去情景、去背景等問題而提出的，期望學生理解知識的本質(zhì).而大概念是基于事實抽象出來的核心本質(zhì)，大概念教學是整合分散的知識點，超越知識，把握知識背后的思想方法、意義和價值觀念，建立概念網(wǎng)絡.可見，這與深度學習的目標不謀而合.

2.2 大概念教學是深度學習的過程保障

大概念不僅是核心的概念，還是一種思維工具，發(fā)揮著概念“文件夾”和“透鏡”的作用，有助于使新的、不熟悉的概念看起來更熟悉，大概念能實現(xiàn)學科內(nèi)縱向、學科間橫向核心內(nèi)容的有機整合，優(yōu)化學習路徑，為單元、課時教學設計指明方向，保障深度學習真實發(fā)生.

2.3 大概念教學是深度學習的價值追求

深度學習的結(jié)果為能靈活應用所學物理知識和方法解決實際問題，知識只有上升達到概念層面才能被遷移，學科大概念作為概念的概念有強大的解釋能力和遷移能力.所以掌握處于學科中心、最有價值的大概念是深度學習的價值體現(xiàn)和必然結(jié)果.

3 如何實施高中物理大概念教學

3.1 從整體到局部 明確核心目標

傳統(tǒng)教學中教師較多關(guān)注于課時層面的設計與實施，較少從整體出發(fā)關(guān)注單元層面的設計與實施，即關(guān)注局部忽視整體，這樣很難落實新課標的理念和培育學科核心素養(yǎng).教學設計要兼顧整體和局部，要處理好“森林與樹木”的關(guān)系，基于大概念從整體到局部明確核心目標是教學的魂.

新課標提出“在機械運動情景下培養(yǎng)學生運動與相互作用的觀念”，這就是本章需要揭示和理解的大概念.其中牛頓第一定律的學習要提升學生對運動與相互作用關(guān)系的認識，初步形成正確的運動與相互作用觀.

從整體到局部的目標分析如圖1所示.先揭示錯誤前概念：力是維持物體運動的原因.接下來明確兩個核心目標：力不是維持物體運動狀態(tài)的原因；力是改變物體運動狀態(tài)的原因.學生學習的過程就是要由表及里、從外向內(nèi)，逐步抽象概括大概念.

圖1 牛頓第一定律的核心目標

3.2 基于探究整合 促進概念轉(zhuǎn)變

大概念對學科專家來說是清晰和有用的，但對初學者來說是模糊和抽象的，需要在現(xiàn)象和事實的基礎(chǔ)上激發(fā)認知沖突，不斷探究整合、不斷抽象概括、不斷理解升華，實現(xiàn)從迷思概念到科學概念的轉(zhuǎn)變，使概念持續(xù)“變大”.

教學中，用一個正方形的硬塑料板，中間有一個可通氣圓柱樁，通過圓柱樁氣流可以從上面到硬塑料板下面，如圖2所示.剛開始讓學生在桌面上嘗試用力持續(xù)輕推該裝置，裝置向前運動，當力撤去后，隨即靜止.據(jù)此大家能得出什么結(jié)論？

圖2 自制裝置

生甲：運動需要力來維持.

師：這正是亞里士多德兩千多年前的觀點，接下來請大家用力猛推該裝置，觀察現(xiàn)象.

生乙：發(fā)現(xiàn)離開手后，還會向前運動一段距離才靜止？

師：這說明了什么？

生丙：桌面對它的摩擦力反而阻礙了運動，運動不需要力來維持.

師：這里如何減小摩擦力的影響，讓其在離開手后運動的距離更遠一些呢？

生丁：可以在桌面上涂潤滑油.

師：很好，老師現(xiàn)在給每一小組再提供一個氣球，大家結(jié)合裝置討論可以采取什么措施呢？

學生想到將氣球吹大后直接套在通氣圓柱樁上，這樣氣球內(nèi)的氣體通過小孔流到塑料板和接觸面間，形成一個氣墊，有效地減少了摩擦.為了使現(xiàn)象明顯，可以將加氣球后的裝置放在教室地面上進行實驗，推一下發(fā)現(xiàn)可以運動很長一段距離才停止.

接下來用伽利略的斜面實驗儀器進行探究，如圖3所示.第一次在軌道上鋪一層毛面的棉布，將小球從某一高處自由釋放，小球滾到另一側(cè)上一小段距離，第二次在軌道上鋪一層絲綢，將小球從同一高處自由釋放，小球滾到另一側(cè)比第一次更遠的距離；第三次軌道擦干凈，將小球從同一高處自由釋放，小球可以滾到另一側(cè)接近等高的地方，通過這一組對比實驗，合理外推：當沒有摩擦阻力的影響，小球?qū)淼降雀叩奈恢?第四次將另一側(cè)軌道傾角調(diào)小，發(fā)現(xiàn)小球仍差不多滾到和原來等高位置，但運動距離更遠一些.繼續(xù)外推：當另一側(cè)放置水平，由于小球找不到等高的位置將永遠運動下去.這就是伽利略的觀點：物體一旦具有某一速度，如果沒有摩擦阻力，物體將保持這個速度一直運動下去.

圖3 伽利略斜面實驗儀

后來經(jīng)過笛卡爾的補充、牛頓的綜合最終形成牛頓第一定律：一切物體在不受力時總保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)，直到有外力迫使它改變這種狀態(tài)為止.

定律的前半句說明物體有保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài)的屬性，即慣性，后半句說明力的作用是改變物體運動狀態(tài).牛頓第一定律明確了運動與相互作用的關(guān)系，為幫助學生建立運動與相互作用觀奠定基礎(chǔ).

3.3 注重科學論證 達成意義理解

物理學科以理性思維為中心，科學論證就是建立在思維之上，是學習共同體圍繞某一問題，收集證據(jù)并運用一定的論證方法解釋、評價自己及他人的觀點，促進思維的交鋒，最終達成雙方可接受結(jié)論的活動.科學論證是促進深度學習和大概念發(fā)展的重要途徑.

首先讓學生觀看汽車在安全測試過程中沒系安全帶和系安全帶的對比視頻，然后提出問題.

師：通過這個短片，說說實際行車過程中為了避免交通事故的發(fā)生，應該如何做？

生戊：應該避免酒后駕駛、系好安全帶、不能超載、不能超速.

師：從這個問題中請大家猜想慣性與哪些因素有關(guān)？

生己：與質(zhì)量和速度有關(guān)，質(zhì)量越大、速度越大慣性就應該越大.

師：請大家現(xiàn)在小組討論論證慣性與質(zhì)量、慣性與速度的關(guān)系.

生庚：如圖4所示，當在水平面上用一恒力拉A物體，速度增加較快，當用細線在后面連接另一物體B，此時整體一起運動，速度和之前相比增加得較慢，即運動狀態(tài)越難改變，說明質(zhì)量越大，慣性越大.

圖4 慣性與質(zhì)量關(guān)系示意圖

生辛：如果慣性與速度有關(guān)，速度越大運動狀態(tài)越難改變，那么自由落體運動的v-t圖像是圖5所示的曲線，而事實上是一條過原點傾斜的直線，所以慣性與速度大小無關(guān).

圖5 v-t圖

3.4 設置挑戰(zhàn)任務 實現(xiàn)遷移應用

真實的、挑戰(zhàn)性的核心任務能促進對大概念的理解和遷移，教學中設計待解決的挑戰(zhàn)性任務一方面能激發(fā)學生探究的熱情和興趣，另一方面能遷移和拓展所學知識解決實際問題，實現(xiàn)做中學、用中學.

挑戰(zhàn)任務：將一瓶還沒開過的礦泉水水平放在書桌上，如圖6所示.可以觀察到上面有一個小氣泡，讓學生先思考：當?shù)V泉水瓶突然向前加速運動時，氣泡相對水瓶向哪里運動？突然停下來呢？

圖6 礦泉水瓶水平放置

大多數(shù)學生都認為：氣泡由于慣性，突然加速時，氣泡向后運動，突然停下來時，氣泡向前運動.接下來同桌兩人一組發(fā)一瓶沒開過的礦泉水，體驗這個過程.一個同學做，另一個同學觀察并記錄實驗現(xiàn)象.同學們記錄到的實驗現(xiàn)象恰恰相反：礦泉水瓶突然加速時，氣泡向前運動，突然停下來時，氣泡向后運動.這個情景激發(fā)了學生強烈的認知沖突，學生已經(jīng)自發(fā)的開始交流討論了，教師此時只需順水推舟，讓學生討論解釋為什么實際的現(xiàn)象是這樣的呢？