中學(xué)物理大概念研究進展述評

關(guān)亞琴

（西南大學(xué)科學(xué)教育研究中心教師教育學(xué)院，重慶 400715）

我國2018年正式頒布的課程方案和各科普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）的前言中明確提出“凝煉學(xué)科核心素養(yǎng)，重視以學(xué)科大概念為核心，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，促進學(xué)科核心素養(yǎng)的落實”.［1］這一要求旨為解決教學(xué)低層次、知識碎片化、學(xué)習(xí)淺表化等現(xiàn)象.以物理學(xué)科大概念構(gòu)建符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展的教學(xué)結(jié)構(gòu)，可為物理學(xué)科核心素養(yǎng)的落實提供新的解決方案.

本文基于舊版CNKI文獻高級搜索功能，主題輸入“大概念”并含“物理”，共搜集了108篇文獻，剔除無效文獻，共篩選出80篇與中學(xué)物理相關(guān)的大概念研究，研究趨勢如圖1所示.由圖可見基于大概念的物理教學(xué)研究自2017年以后幾乎呈指數(shù)式上升趨勢，而發(fā)表的刊物除《課程·教材·教法》有兩篇涉及大概念以外，其他都發(fā)表于基礎(chǔ)教育——物理相關(guān)刊物中，如《物理教師》《物理教學(xué)》《物理教學(xué)探討》《中學(xué)物理教學(xué)參考》等.因而，本研究使用文本閱讀的方法梳理了大概念與物理學(xué)科結(jié)合的相關(guān)主題及具體研究內(nèi)容；在國內(nèi)外對大概念界定及特征分析的基礎(chǔ)上，梳理了有關(guān)物理學(xué)科大概念的概念界定、特征分析、篩選標(biāo)準(zhǔn)；列舉了具體的實施策略，并在此基礎(chǔ)上做了些前瞻.

圖1 大概念研究趨勢

1 大概念與物理學(xué)科相結(jié)合的研究主題及研究內(nèi)容

我國與中學(xué)物理教學(xué)相關(guān)的大概念研究始于國內(nèi)外對科學(xué)大概念研究的關(guān)注.2013年，《中國教師》雜志對郭玉英教授做了一次專訪“關(guān)注物理大概念，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)整體觀”及范增在《我國高中核心概念及其學(xué)習(xí)進階研究》中提到“大概念”引起物理課程與教學(xué)論研究者們的關(guān)注.郭玉英教授講到：“如果教師有大概念的教學(xué)意識，他就會有意識地在組織探究活動時、在設(shè)計實驗時，自覺地圍繞著大概念展開，使得學(xué)生獲得初中物理的整體觀”.［2］之后，自2016—2021年，有關(guān)中學(xué)物理大概念的論文開始逐年遞增，其具體文獻主題、篇數(shù)及所涉內(nèi)容如表1所示.

表1 中學(xué)物理大概念的研究主題、篇數(shù)及所涉內(nèi)容

續(xù)表

從表1可以看出，基于大概念的中學(xué)物理教學(xué)研究主要以單元教學(xué)設(shè)計所占篇幅最多.這可能與近幾年國家課程建設(shè)中提出整合課程內(nèi)容，使課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化的指導(dǎo)思想有關(guān)；其次為與學(xué)習(xí)進階的相關(guān)研究，主要以碩士和博士論文中的概念界定為主，其研究內(nèi)容主要涉及大概念的概念界定、大概念與學(xué)科觀念、核心概念、重要概念的區(qū)分為主，其中大概念為上位概念，包含核心概念和共通概念，重要概念為核心概念的下位概念.再次，大概念促進“物理學(xué)科核心素養(yǎng)”形成的相關(guān)研究也較多，除主題當(dāng)中明確大概念促進學(xué)生物理觀念形成的研究外，在深度學(xué)習(xí)研究主題中也貫穿大概念促進學(xué)生深度學(xué)習(xí)的研究，這可能與深度學(xué)習(xí)是最近幾年比較熱門的話題有關(guān).

因而，與中學(xué)物理相關(guān)的大概念研究相對較集中，主要以單元教學(xué)設(shè)計、物理學(xué)科核心素養(yǎng)的落實、物理觀念的形成、學(xué)習(xí)進階的逐級進展等研究較多，但在該研究領(lǐng)域缺乏實證檢驗，研究方法較為狹窄，幾乎所有研究都為邏輯思辨，沒有實驗研究，所以在有關(guān)這方面研究可以多用實證研究的方法，在理論基礎(chǔ)上，結(jié)合實踐檢驗，將有助于研究可信度的增加.

2 物理學(xué)科大概念的內(nèi)涵及特點

2.1 物理學(xué)科大概念的內(nèi)涵

“大概念”或“大觀念”（BigideasorBigconcepts）最早起源于美國教育心理學(xué)家杰羅姆·布魯納（JeromeBruner）.他認(rèn)為“不論我們選擇教什么學(xué)科，務(wù)必使學(xué)生理解各門學(xué)科的基本結(jié)構(gòu).這是在運用知識方面的最低要求，它有助于解決學(xué)生在課堂外所遇到的問題和實踐，或者在今后訓(xùn)練中解決課堂上所遇到的問題”.［19］他倡導(dǎo)的學(xué)科結(jié)構(gòu)運動認(rèn)為理解學(xué)科知識間相互聯(lián)系的前提是讓學(xué)生掌握學(xué)科知識的基本結(jié)構(gòu).［20］并認(rèn)為“經(jīng)典的遷移問題的中心，與其說是單純地掌握事實和技巧，不如說是教授和學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)”.［19］他所謂的知識結(jié)構(gòu)也就是某一學(xué)術(shù)領(lǐng)域的基本觀念，不僅包括掌握一般原理，而且還包括學(xué)習(xí)的態(tài)度和方法.比如物理學(xué)科中的落體運動、實驗探究.

自布魯納以后，奧蘇貝爾（AusubelD.P.）提出“新近產(chǎn)生的知識急劇膨脹，要求我們精心選擇‘大概念’”，［21］這里的大概念也即奧蘇貝爾認(rèn)為的上位概念.從教育心理學(xué)視角可見，大概念是一種有助于知識遷移的學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)，是統(tǒng)整事實和概念的腳手架，除包含基本知識以外，還包含方法和態(tài)度.奧爾森（Olsen）從認(rèn)知發(fā)展的角度指出，大概念是學(xué)生在離開校門，忘記具體經(jīng)驗和事實后還能長久保持的中心概念.［22］威金斯和懷特利（Whiteley）強調(diào)大概念為“理解的建筑材料”，通過建構(gòu)大概念群將零散的知識點聯(lián)結(jié)起來，從而簡化學(xué)生的認(rèn)知模式.［23］腦科學(xué)認(rèn)為“腦處理的不是分散的信息而是概念，這些概念處在認(rèn)知機制的中心”.［24］2005年，美國科學(xué)促進會（AAAS）把“大概念”界定為“能將眾多的科學(xué)知識聯(lián)為一個整體的科學(xué)學(xué)習(xí)的核心”.

在中學(xué)物理教學(xué)研究中，大多研究者都沿用哈倫對科學(xué)大概念的定義，認(rèn)為科學(xué)上的大概念指“在構(gòu)思科學(xué)教育的目標(biāo)時，在知識方面不是用一堆事實和理論，而是用趨向于核心概念的一個進展過程.這些核心概念及進展過程可以幫助學(xué)生理解與他們在校以及離開學(xué)校以后的生活有關(guān)的一些事件與現(xiàn)象”.［25］權(quán)廣仁在此基礎(chǔ)上編寫了《高中物理大概念主題教學(xué)》著作，認(rèn)為“物理大概念屬于科學(xué)大概念的范疇，是研究同一類物理問題與物理現(xiàn)象本質(zhì)特征的概括，是一定認(rèn)知結(jié)構(gòu)、物理觀念、物理方法、科學(xué)態(tài)度和精神及價值觀所建構(gòu)的知識體系，具有統(tǒng)攝一般物理概念性與物理知識以及物理學(xué)事實性知識的作用”.［26］李悶心在“基于大概念設(shè)置物理復(fù)習(xí)單元——以‘質(zhì)量與密度’為例談中考物理單元復(fù)習(xí)”中認(rèn)為“物理大概念是物理領(lǐng)域中有結(jié)構(gòu)、有聯(lián)系的物理核心概念、規(guī)律和模型，它聯(lián)結(jié)了學(xué)科內(nèi)的相關(guān)概念，融通了學(xué)科內(nèi)知識”.［27］陳克超等人認(rèn)為“物理學(xué)科中的大概念不是具體的概念或規(guī)律、原理等，是能統(tǒng)攝大量概念的，反映物理本質(zhì)的少數(shù)幾個概念或思想和模型，對大量概念起著固定的聯(lián)結(jié)作用，揭示概念間的縱橫關(guān)系，使概念之間能順利地進行有效遷移，并能應(yīng)用于新情境，具有較為廣泛的適用性和持久的解釋力”.［17］

大體上，中學(xué)物理教學(xué)研究中對于大概念的界定都是基于科學(xué)大概念的界定，結(jié)合物理課程標(biāo)準(zhǔn)，把大概念抽象成一種不僅包含學(xué)科知識，還包含方法和態(tài)度的居于學(xué)科中心位置，且能夠向下輻射的可遷移的動態(tài)概念.但對于中學(xué)物理學(xué)科大概念沒有詞源學(xué)、哲學(xué)、心理學(xué)及教育學(xué)理論的支撐，僅僅為研究者主觀上的一種界定，缺乏學(xué)理性.因而，有關(guān)物理學(xué)科大概念的界定可在往后的研究中繼續(xù)深入.

2.2 物理學(xué)科大概念的特征

學(xué)科不同，涉及到的大概念界定不同，其特征也不同.從以上對大概念的界定可以看出，大概念像蜘蛛網(wǎng)一樣，具有網(wǎng)狀“中心輻射性”，而且中心具有高聚合性.越往外，越稀疏，輻射面越廣，比如物理教育中的“能量觀”，以“能量”聚合，往外輻射為電功、電磁能、核能、熱能等，再往外輻射面更廣，如動能、勢能、電勢能、原子能等.李剛在“科學(xué)大概念的課程轉(zhuǎn)化”中總結(jié)出科學(xué)大概念具有中心性、可持久性、網(wǎng)狀型及可遷移性4個特征，并認(rèn)為大概念不是基礎(chǔ)概念，而是聚合概念；不是暫時保存的記憶，是經(jīng)驗和事實消失之后還存留的核心概念；大概念并不是無序游離在學(xué)科結(jié)構(gòu)中，而是呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)；不僅僅只是另一個事實或者一個模糊的抽象概念，而是一種概念性工具，用于強化思維，連接不同的知識片段，使學(xué)生具備應(yīng)用和遷移的能力.［28］我國中學(xué)物理研究界根據(jù)大概念的內(nèi)涵提出大概念的特征如表2所示.

表2 中學(xué)物理學(xué)科大概念的特征

表中所列出的有關(guān)中學(xué)物理學(xué)科的大概念與科學(xué)大概念的特征具有共性，也有不同，兩個大概念都具有中心性、持久性及可遷移性等特點，不同點在于科學(xué)大概念包含的大概念更多、更廣，跨學(xué)科性質(zhì)更明顯，而物理學(xué)科大概念更聚合于物理學(xué)科本質(zhì).這與“核心概念”具有相似性，研究者對大概念及核心概念的界定有所不同，有學(xué)者認(rèn)為兩者相同，具有相同的命名，都是本學(xué)科的中心概念，［32］也有學(xué)者認(rèn)為兩者有本質(zhì)區(qū)別，并認(rèn)為大概念、核心概念、物理觀念3者之間存在一定的差別，也沒有絕對的從屬關(guān)系，彼此之間有一定相通性和對等性.［17］

2.3 物理學(xué)科大概念的選擇標(biāo)準(zhǔn)

溫·哈倫在《科學(xué)教育的原則和大概念》一書中提到科學(xué)大概念的選擇標(biāo)準(zhǔn)，即① 能夠用于解釋眾多的物體、事件和現(xiàn)象，而它們是學(xué)生在他們學(xué)校學(xué)習(xí)和畢業(yè)以后的生活中會遇到的；② 提供一個基礎(chǔ)以幫助理解遇到的問題并作出決策，而這些決策將會關(guān)系到學(xué)生自己和他人的健康與幸福，以及環(huán)境和能源的使用；③ 當(dāng)人們提出有關(guān)自身和自然環(huán)境的問題時，他們?yōu)槟軌蚧卮鸹蚰軌驅(qū)で蟮酱鸢付械接淇旌蜐M意；④ 具有文化上的意義，例如對人類自身有關(guān)的觀念——反映科學(xué)史上的成就，來自研究自然的靈感和人類活動對環(huán)境的影響.［25］哈倫提出的科學(xué)大概念的選擇標(biāo)準(zhǔn)強調(diào)了學(xué)習(xí)的過程和運用知識的過程，不僅僅考慮大概念所起的作用，還考慮大概念是否有助于科學(xué)活動的本質(zhì)及科學(xué)活動的發(fā)現(xiàn)，但因包含內(nèi)容過于寬泛，學(xué)科特色不突出，操作性不強.

在具體的物理學(xué)科大概念方面，曹寶龍認(rèn)為確定高中物理大概念的依據(jù)是課程標(biāo)準(zhǔn)，并認(rèn)為物質(zhì)、運動及相互作用、功及能量是高中物理的3個大概念.［5］周瑩從學(xué)科視角認(rèn)識人類物質(zhì)觀的形成和發(fā)展，結(jié)合課標(biāo)要求，對基礎(chǔ)教育階段相關(guān)內(nèi)容梳理，篩選出了“物質(zhì)大概念”，包括物質(zhì)的“存在”“分類”“相互作用”“守恒”.［33］任虎虎提出大概念的獲取路徑包括“以課程標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)，以基本問題為引導(dǎo)，以高階思維為架構(gòu)”.其中高階思維能力指問題解決能力、批判反思能力、創(chuàng)造性思維能力和溝通協(xié)作能力.［34］鄧靖武認(rèn)為提煉和構(gòu)建學(xué)科大概念可以從“基于學(xué)科視角、聚焦學(xué)科本質(zhì)提煉學(xué)科大概念”“基于課程標(biāo)準(zhǔn)、依據(jù)學(xué)科教材確定學(xué)科大概念”“基于學(xué)生的發(fā)展需求構(gòu)建次級大概念統(tǒng)攝下的單元知識層級結(jié)構(gòu)”，并認(rèn)為中學(xué)階段物理學(xué)科不同層次的大概念可以從以下3個方面把握：一是基于物理學(xué)科研究對象與基本問題來提煉；二是基于物理學(xué)科的研究方法來提煉；三是根據(jù)學(xué)科的課程目標(biāo)與價值來提煉.［31］

綜上可知，對于大概念的提取及篩選，更多研究者都立足于物理課程標(biāo)準(zhǔn)及物理學(xué)科本質(zhì)，再具體到不同物理觀念下的大概念的提煉，具有一定的理論深度，但在研究過程中，缺乏實證檢驗，即該篩選標(biāo)準(zhǔn)篩選出的物理大概念是否符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展，能否促進學(xué)生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展，篩選標(biāo)準(zhǔn)的可操作性如何，標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建是否經(jīng)過信、效度檢驗，這些問題還有待研究者更加深入的思考.

3 大概念與物理學(xué)科結(jié)合的實施策略

關(guān)于大概念與物理學(xué)科結(jié)合的實施策略大部分研究都貫穿于不同主題的教學(xué)設(shè)計，如單節(jié)課教學(xué)設(shè)計、逆向教學(xué)設(shè)計、單元教學(xué)設(shè)計等，部分研究與教材、實踐作業(yè)、學(xué)習(xí)進階及物理觀念相關(guān)，因而就有不同研究者基于物理學(xué)科大概念的落實提出了具體的實施路徑及教學(xué)策略.張玉峰認(rèn)為大概念組織教學(xué)需要“第一，大量具體概念、規(guī)律、原理等具體內(nèi)容是在大概念統(tǒng)領(lǐng)下的，是相互關(guān)聯(lián)的內(nèi)容，這是組織結(jié)構(gòu)化教學(xué)素材的基礎(chǔ)；第二，這些內(nèi)容是按照一定的邏輯線索組織起來的，是有意義的組織，而不是機械的組織；第三，組織起來的內(nèi)容在認(rèn)知水平上具有由淺入深、由簡單到復(fù)雜的特點，具有一定的認(rèn)知層級；第四，不管是在不同認(rèn)知層級之間還是在某一個認(rèn)知層級內(nèi)，教學(xué)素材是結(jié)構(gòu)化的，而不是散亂地堆砌在一起.”［35］

任虎虎提出指向大概念的高中物理教學(xué)設(shè)計策略包括：① 基于逆向教學(xué)的單元整體設(shè)計，即強調(diào)“以終為始”，先確定單元預(yù)期的“大概念”，再確定合適的評估證據(jù)，最后才設(shè)計學(xué)習(xí)活動；② 基于基本問題的“1+X”問題群設(shè)計.基本問題是指那些突出學(xué)科“大概念”的，能夠鼓勵、啟發(fā)甚至是要求學(xué)生超越知識本身，幫助學(xué)生對所學(xué)知識達到更系統(tǒng)、更深入的理解的可遷移的問題；③ 基于核心任務(wù)的探究整合設(shè)計.核心任務(wù)是指在學(xué)科學(xué)習(xí)中最重要的行為表現(xiàn).真實的、挑戰(zhàn)性的核心任務(wù)能促進對大概念的理解和遷移.［29］

冉潔、陳克超、李家全在理論構(gòu)建及教學(xué)實踐基礎(chǔ)上提出大概念視角下的中觀教學(xué)實施路徑：聚焦主題內(nèi)容體系→提煉主題學(xué)習(xí)目標(biāo)→構(gòu)建整體性學(xué)習(xí)流程→實施于評價.［36］曹寶龍用大概念促進高中物理觀念的形成與發(fā)展中提到，大概念的教學(xué)策略有：① 加強概念聯(lián)系，把概念“做大”；② 將新概念的學(xué)習(xí)融合于已有的概念體系；③ 要盡可能將概念拓展到一般性使用范圍；④ 用大概念視角解釋和解決問題；⑤ 注重概念與實際情境或?qū)嶋H問題的聯(lián)系；⑥ 合理設(shè)計課堂教學(xué)的物理觀念目標(biāo).［5］在指向深度學(xué)習(xí)的高中物理大概念教學(xué)策略中，任虎虎以“牛頓第一定律”教學(xué)為例，提出“從整體到局部，明確核心目標(biāo)”“基于探究整合，促進概念轉(zhuǎn)變”“注重科學(xué)論證，達成意義理解”“設(shè)置挑戰(zhàn)任務(wù)，實現(xiàn)遷移應(yīng)用”四個實施路徑實現(xiàn)高中物理大概念的教學(xué).［3］

大多研究者提供的中學(xué)物理大概念教學(xué)策略都是基于經(jīng)驗的總結(jié)，缺少理論的支撐，比如“指向深度學(xué)習(xí)的高中物理大概念教學(xué)策略”，多數(shù)僅是通過案例，缺少學(xué)理性分析及實驗檢驗，研究不夠深入，所以在有關(guān)中學(xué)物理大概念的教學(xué)策略方面可以結(jié)合教育學(xué)基本原理、心理學(xué)、測量學(xué)等理論經(jīng)過更加深入的論證，并在實踐中檢驗將更有利于提升學(xué)生的物理觀念等相關(guān)素養(yǎng).

4 中學(xué)物理大概念研究反思及展望

通過對大概念與中學(xué)物理相結(jié)合的文獻梳理發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)研究聚焦于大概念在單元教學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用，而大概念具有高度的抽象性、中心性及可遷移性，可使知識凝煉、結(jié)構(gòu)化，因而比較適合于單元教學(xué)設(shè)計中使用；梳理過程中，還發(fā)現(xiàn)大概念在促進學(xué)生物理觀念的形成中也起到比較重要的作用；同時與深度學(xué)習(xí)結(jié)合，不僅在教學(xué)深度上有所體現(xiàn)，在教學(xué)廣度上也有擴充，但是在研究過程中也存在以下問題.

（1）中學(xué)物理大概念實證研究較少.研究多為研究者的經(jīng)驗總結(jié)，并未經(jīng)過嚴(yán)格的邏輯思辨和實證檢驗，因而，可信度有待于進一步提高.

（2）有關(guān)中學(xué)物理大概念研究的廣度不夠.文獻大多集中于單元教學(xué)設(shè)計、物理觀念的形成，與深度學(xué)習(xí)結(jié)合的相關(guān)研究，其研究大多也局限于物理觀念形成，但關(guān)于物理觀念如何形成，如何測量物理觀念是否形成，至今是空白.

（3）中學(xué)物理大概念實施過程的評價研究欠缺.在文獻檢索過程中關(guān)于中學(xué)物理大概念教學(xué)實施過程如何評價呈缺失狀態(tài)，因而，就無從知道中學(xué)物理大概念研究的實施現(xiàn)狀及教學(xué)效果到底怎么樣？

通過上述反思，中學(xué)物理大概念研究應(yīng)該進一步推向深入，比如在概念界定上，通過學(xué)理性分析，從詞源學(xué)、哲學(xué)、心理學(xué)及教育學(xué)等多角度界定物理學(xué)科大概念；結(jié)合物理學(xué)史、物理學(xué)科本質(zhì)、物理核心素養(yǎng)、課程標(biāo)準(zhǔn)制定中學(xué)物理學(xué)科大概念的提煉標(biāo)準(zhǔn)，并通過實證研究驗證標(biāo)準(zhǔn)的信、效度.在研究方法上多采用實證研究，減少經(jīng)驗總結(jié)或理論指導(dǎo)下的思考與分析.在研究策略上，可以將研究視角從“教學(xué)策略”轉(zhuǎn)為“學(xué)習(xí)策略”；在教學(xué)評價方面，增加中學(xué)物理大概念教學(xué)的評價研究，結(jié)合結(jié)果評價、增值評價及綜合評價，構(gòu)建多元的中學(xué)物理大概念教學(xué)評價體系；可以嘗試將深度學(xué)習(xí)理念作為縱軸，將大概念理念作為橫軸建構(gòu)單元教學(xué)設(shè)計模型，拓寬中學(xué)物理大概念的研究范圍.