聚焦物理觀念形成和發(fā)展的高中物理單元教學(xué)設(shè)計

馮馨雯

【摘 要】“物理觀念”是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的一個重要方面，其形成和發(fā)展的過程亦是實現(xiàn)核心素養(yǎng)全部要求的必經(jīng)之路。高中物理單元教學(xué)設(shè)計是基于課標要求、以形成和發(fā)展學(xué)生物理觀念為目的，落實物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。本文以“幾何光學(xué)現(xiàn)象”單元為例，以思維導(dǎo)圖搭建教學(xué)框架，展示以發(fā)展物理觀念為主線的高中物理教學(xué)單元設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】物理觀念 核心素養(yǎng) 單元教學(xué)設(shè)計 光學(xué)

《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課標》）將物理學(xué)科的課程標準由三維目標升級為核心素養(yǎng)。物理核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四方面，是物理學(xué)科實現(xiàn)“教書育人”價值的核心體現(xiàn)，是學(xué)生接受教育后形成的獲得個人終身長久發(fā)展和適應(yīng)社會需要的關(guān)鍵能力和必備品格。

一、物理觀念的形成和發(fā)展過程，體現(xiàn)了核心素養(yǎng)的全部要求

核心素養(yǎng)中的物理觀念，是指從物理視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運動、能量和相互作用等的基本的、理性的認識;這種認識指導(dǎo)著人們解釋不通的現(xiàn)象、預(yù)言其發(fā)展規(guī)律，并隨著物理學(xué)科的發(fā)展而發(fā)展。

人在探索和學(xué)習(xí)物理知識的過程中形成的認識叫做物理觀點，而其中正確的、科學(xué)的物理觀點，經(jīng)過提煉、綜合構(gòu)建成一定的邏輯結(jié)構(gòu)體系，進行提升之后，就會形成物理觀念。學(xué)生在學(xué)習(xí)時，必須經(jīng)歷對知識的提煉和升華過程，才能實現(xiàn)物理觀念的形成和發(fā)展。這個過程需要學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)思維、科學(xué)探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任等的深入融合。物理觀念是核心素養(yǎng)的一個組成方面，但是其形成和發(fā)展過程也承載著發(fā)展科學(xué)思維、培養(yǎng)科學(xué)探究能力和熏陶科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的重要功能?？梢哉f，物理觀念的形成和發(fā)展過程，體現(xiàn)了核心素養(yǎng)的全部要求。

二、單元教學(xué)設(shè)計是物理觀念形成和發(fā)展的必然選擇

物理觀念的形成和發(fā)展不是一蹴而就的，而是逐階建構(gòu)的：一是直覺感受直接概括的基礎(chǔ)概念;二是親歷知識的形成過程，并通過一定的抽象概括之后形成的重要概念;三是對若干重要概念進一步抽象概括得到的主題核心概念;四是在層次模型中處于抽象概括水平最高層的學(xué)科核心概念，最終內(nèi)化為物理觀念。

因此在實際教學(xué)過程中，物理觀念的形成和發(fā)展是這樣進行的：基礎(chǔ)概念的學(xué)習(xí)—重要概念的深刻理解—主題核心概念的構(gòu)建—學(xué)科核心概念的認識。例如，力學(xué)模塊中，“運動與相互作用”是學(xué)科核心概念，而“機械運動”則屬于主題核心概念，而囊括在“運動描述”下的“位移”“速度”“加速度”等則屬于重要概念。主題核心概念在這四層概念層次中具有承上啟下的重要作用。

相應(yīng)地，教師進行教學(xué)設(shè)計可以分為三個層次：對一門課程的宏觀計劃綱要;起到承上啟下作用的、針對一個單元或模塊的教學(xué)設(shè)計;對某一節(jié)課的微觀教學(xué)設(shè)計。其中，單元教學(xué)設(shè)計即對應(yīng)上面的主題核心概念。因此，從單元角度進行教學(xué)設(shè)計符合物理觀念形成和發(fā)展規(guī)律，更是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的必然選擇。

三、基于物理觀念形成和發(fā)展的單元教學(xué)設(shè)計實踐

基于物理觀念形成和發(fā)展的單元教學(xué)設(shè)計，要注重挖掘物理概念間的邏輯關(guān)系，構(gòu)建知識之間聯(lián)系的紐帶。其重點是整合學(xué)習(xí)內(nèi)容，構(gòu)建主題核心概念下各重點概念之間的邏輯和聯(lián)系。單元教學(xué)設(shè)計的基本路徑可以這樣描述：單元教材內(nèi)容分析→單元教學(xué)目標確定→明確單元教學(xué)順序→課時微觀教學(xué)設(shè)計。筆者以人教版選擇性必修一“幾何光學(xué)現(xiàn)象”單元為例，就以上環(huán)節(jié)進行具體的教學(xué)設(shè)計。

1. 分析單元教材內(nèi)容

在“光”這一章節(jié)中，就知識結(jié)構(gòu)而言，可以劃分為兩個部分：其中前兩節(jié)（光的折射、全反射）是利用幾何學(xué)的概念和方法研究光的傳播規(guī)律，稱為幾何光學(xué);而其余內(nèi)容（光的干涉、實驗：用雙縫干涉測量光的波長、光的衍射、光的偏振，激光）則主要研究光的本質(zhì)，屬于波動光學(xué)。

從學(xué)習(xí)者的認知過程上來說，前者聚焦認識現(xiàn)象、探尋規(guī)律，并應(yīng)用規(guī)律解釋生活;后者則是進一步認識物質(zhì)世界的本質(zhì)，屬于更高層次。因此，筆者將教材中的這一章節(jié)劃分為兩個教學(xué)單元，本文主要著眼于“幾何光學(xué)現(xiàn)象”這一單元進行教學(xué)設(shè)計分析。

2. 確定單元教學(xué)目標

教學(xué)目標是單元教學(xué)設(shè)計的統(tǒng)領(lǐng)核心所在。《課標》對本單元的教學(xué)要求如下：

1.3.1 通過實驗，理解光的折射定律。會測量材料的折射率。

1.3.2 知道光的全反射現(xiàn)象及其產(chǎn)生的條件。初步了解光纖的工作原理、光纖技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用。

（1）提煉觀念性目標

筆者以《課標》要求提煉主題核心概念，并以此為出發(fā)點，自上而下地提煉本單元的重點概念、基礎(chǔ)概念（見表1）。

表1 幾何光學(xué)模塊重點概念及《課標》要求

概念 概念表述 課標要求

光的折射 當(dāng)光射到兩種介質(zhì)的分界面時，一部分光進入第二種介質(zhì)繼續(xù)傳播的現(xiàn)象 通過實驗，理解光的折射定律

折射率 光從真空射入某種介質(zhì)發(fā)生折射時，入射角正弦值與折射角正弦值的比值 會測量材料的折射率

光疏介質(zhì) 折射率較小的介質(zhì)

光密介質(zhì) 折射率較大的介質(zhì)

全反射 光從光密介質(zhì)射到光疏介質(zhì)的界面時，全部被反射回原介質(zhì)的現(xiàn)象 知道光的全反射現(xiàn)象及其產(chǎn)生的條件

臨界角 光從某種介質(zhì)射向真空時，折射角等于90°時的入射角

不難發(fā)現(xiàn)，以上內(nèi)容均是圍繞光的折射現(xiàn)象展開的，全反射可以看作光折射的一種特殊現(xiàn)象，臨界角和折射率之間的關(guān)系也可以用折射定律定量表示。因此，“光的折射”可以確定為本單元的一級主題核心概念，而“全反射”可以作為二級主題核心概念。

用概念圖來表示以上概念之間的關(guān)聯(lián)（見圖1）：

圖1 幾何光學(xué)現(xiàn)象單元概念關(guān)聯(lián)關(guān)系

（2）安排科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

這一單元中，各概念之間有很強的整體性和發(fā)展性，在學(xué)習(xí)概念的同時，要更注重展現(xiàn)物理研究的方法和思路。例如，學(xué)生在初中已經(jīng)學(xué)習(xí)過光的折射現(xiàn)象，課堂上教師在回顧此現(xiàn)象的同時可以提出問題：光的折射遵循怎樣的定量規(guī)律？如何利用實驗數(shù)據(jù)找到規(guī)律？這符合物理研究從定性到定量、從特殊到一般的科學(xué)思維。全反射是一種特殊的折射現(xiàn)象，教師可以讓學(xué)生通過實驗觀察發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，并進一步用實驗探究其發(fā)生的條件，進而認識臨界角等概念。而在學(xué)習(xí)這些現(xiàn)象和規(guī)律之后，可順理成章地引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識解決生活問題，培養(yǎng)其科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

也就是說，教學(xué)時，教師在通過構(gòu)建重點概念間的聯(lián)系，深入認識主題核心概念的過程中，要注重融入核心素養(yǎng)的要求，幫助學(xué)生自主構(gòu)建知識間的聯(lián)系，最終實現(xiàn)發(fā)展物理觀念的目的。

3. 明確單元教學(xué)順序

在明確單元教學(xué)目標和核心概念之后，需要圍繞單元核心概念組織該單元主要知識的教學(xué)主線和順序。根據(jù)加涅的教學(xué)設(shè)計原理，一個單元中每一節(jié)課的教學(xué)順序應(yīng)當(dāng)基于各教學(xué)目標間的關(guān)系，使先前的學(xué)習(xí)支持新的學(xué)習(xí)，并且完整、有邏輯性?；诮虒W(xué)設(shè)計基本原理，筆者在幾何光學(xué)現(xiàn)象的單元教學(xué)設(shè)計中確定的教學(xué)順序是：光的折射—全反射—生活中的全反射（共三課時）。

4. 設(shè)計課時微觀教學(xué)

單元中每一課時的微觀教學(xué)設(shè)計是教學(xué)目標得以實施的最后一步計劃，也是與學(xué)習(xí)者關(guān)聯(lián)最近的教學(xué)程序。關(guān)于本單元內(nèi)容，學(xué)生在初中階段已經(jīng)了解過基礎(chǔ)的光學(xué)現(xiàn)象，知道光的折射和反射現(xiàn)象。在本單元的學(xué)習(xí)中，學(xué)生的認識是從回顧舊知識“光的折射”開始的，從定性到定量研究光的折射規(guī)律。這樣對學(xué)生能力跨度的要求并不是很大，更多的是對知識的“寬度”進行擴展。

但筆者在實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生對于本單元重點概念的認識是零散的，無法自主構(gòu)成概念間的聯(lián)系。例如，學(xué)生能夠記住全反射現(xiàn)象發(fā)生的條件是光從光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)、入射角大于或等于臨界角，但并不能說清楚為什么光從光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì)時不會發(fā)生全反射現(xiàn)象，臨界角和哪些因素有關(guān)，或者根本不知道全反射現(xiàn)象發(fā)生的條件，甚至不能分清反射和全反射現(xiàn)象等。歸根結(jié)底是學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中只是在單純地記憶知識，并沒有實現(xiàn)對知識真正有意義的構(gòu)建，各種概念雜亂地堆疊在學(xué)生的腦海中，未經(jīng)提煉和組織，使學(xué)生不能真正實現(xiàn)物理觀念的形成和發(fā)展。

因此，設(shè)計課時教學(xué)必須遵循學(xué)習(xí)者的客觀認知規(guī)律，在單元教學(xué)編排的基礎(chǔ)上，根據(jù)課時教學(xué)目標，分析學(xué)習(xí)者已經(jīng)掌握哪些內(nèi)容、最近發(fā)展區(qū)在哪里、挖掘新舊知識之間的聯(lián)結(jié)……最終把單元教學(xué)設(shè)計中的目標切實落實到每一節(jié)課中，達成教與學(xué)的一致性。

基于以上分析，筆者再次使用思維導(dǎo)圖，繪制出細到課時教學(xué)設(shè)計層次的單元教學(xué)設(shè)計框架（見圖2）。

在圖2中，上方向右的箭頭表示本單元教學(xué)順序;曲線表示每課時主題核心概念下屬的重要概念或教學(xué)內(nèi)容，每節(jié)課中，按照圖中從上到下、從左到右的順序組織教學(xué)內(nèi)容。如在“光的折射”一節(jié)中，“折射現(xiàn)象”屬于前概念，是學(xué)生已有的知識基礎(chǔ)，折射率、光密介質(zhì)和光疏介質(zhì)是本節(jié)課的新概念，最后利用本節(jié)課學(xué)習(xí)的概念規(guī)律來測量材料的折射率。

教材中，“光密介質(zhì)”和“光疏介質(zhì)”的概念出現(xiàn)在“全反射”一節(jié)中，而筆者認為，這兩個概念體現(xiàn)了“折射率是描述介質(zhì)折光本領(lǐng)的參數(shù)，不同的介質(zhì)折射率不同，折光本領(lǐng)更強的介質(zhì)折射率更大”這一知識點。如果將其放在光的折射這一節(jié)中進行教學(xué)，有助于學(xué)生深刻理解折射率的概念，在腦海中構(gòu)建起介質(zhì)“折光本領(lǐng)”和“折射率”之間的聯(lián)系。同時，在學(xué)習(xí)“全反射”一節(jié)時，這兩個概念是學(xué)生明確知道并可以簡單使用的前概念，在此基礎(chǔ)上探究全反射現(xiàn)象發(fā)生的條件時，可以通過對其的使用，加強理解，也有助于學(xué)生更快地認識全反射的條件—不是簡單地記憶“從玻璃到空氣或從水到空氣”，而是更進一層地形成更加一般的“從折射率大的介質(zhì)到折射率小的介質(zhì)”的觀念。

接下來便可根據(jù)此教學(xué)框架設(shè)計每一課時的微觀教學(xué)設(shè)計。下面以“全反射”一課為例，展示課時微觀教學(xué)設(shè)計的思維導(dǎo)圖（見圖3）。

本課時的大致教學(xué)思路是：通過學(xué)生分組實驗觀察發(fā)現(xiàn)全反射現(xiàn)象，并進一步經(jīng)歷猜想、設(shè)計和實驗驗證得出全反射的發(fā)生條件，最后利用全反射規(guī)律解釋常見的生活現(xiàn)象。這樣的過程遵循物理學(xué)科研究的“發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象—深入觀察總結(jié)規(guī)律—實驗驗證—得到結(jié)論—解釋其他現(xiàn)象”的一般步驟，以讓學(xué)生親身經(jīng)歷“觀察、計劃、決策、實踐、總結(jié)、應(yīng)用”等過程為重點，引導(dǎo)學(xué)生逐漸將認知抽象、提煉、提升，最終形成內(nèi)化于心的物理觀念。

物理觀念是發(fā)展學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的關(guān)鍵，是理解物理學(xué)科的根本。因此在高中物理教學(xué)中，抓住了物理觀念，以物理觀念的形成和發(fā)展過程作為教學(xué)開展的主線，也就抓住了發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的主線。正如前文所說，物理觀念的形成和發(fā)展應(yīng)特別關(guān)注學(xué)習(xí)的“過程性”和學(xué)生對事實經(jīng)驗的提煉，使學(xué)生的認知和事實的特征、規(guī)律達成一致。以單元為起點，可以更好地從整體上審視和把握物理規(guī)律和概念之間的聯(lián)系，規(guī)劃發(fā)展物理觀念的課堂教學(xué)，教學(xué)目標才會真正落實到培養(yǎng)學(xué)生的關(guān)鍵能力、必備品格上去;以物理觀念的發(fā)展作為劃分單元的依據(jù)，也是最適合的選擇。

本文系北京市西城區(qū)普通高中新課程新教材實施國家級示范區(qū)建設(shè)專項課題“指向深度學(xué)習(xí)的高中物理單元教學(xué)實踐研究”（課題編號SX2021Z036）的階段性研究成果。

（作者單位：北京市第一六一中學(xué)）

責(zé)任編輯：胡玉敏