生物理觀念的形成和發展

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摘要：大概念強調以學科核心知識為主線構建知識結構，這與物理觀念的培養不謀而合。另外，任何物理學的核心概念、大概念都有相應層級的物理觀念。因此，大概念為實現有效教學、促進學生物理觀念的形成和發展提供了新的思路和有效手段。大概念和物理觀念兩者的結合可謂相得益彰。本研究在闡明物理觀念和大概念內涵的基礎上，探討以大概念為核心促進學生物理觀念形成和發展的教學策略：圍繞大概念重新整合教學內容，突出物理觀念；以大概念為核心規劃教學主線，強調物理觀念；聯系情景創設“大”情景承載大概念，形成物理觀念；聚焦于物理“大”問題活化大概念，發展物理觀念。

關鍵詞：大概念；促進；物理觀念；發展

近幾年來，培養學科核心素養是我國基礎教育的重要目標。《普通高中物理課程標準（２０１７）年版》（以下簡稱《課程標準》）中明確提出，物理觀念是學科核心素養的基本要素之一。物理觀念并不是物理知識的簡單積累，而是物理知識在學生頭腦中的凝練和升華，也是運用物理知識解決實際問題的基礎。所以，物理觀念與大概念的知識整合和結構化的核心理念不謀而合。再加之，從物理學核心概念、大概念中都可以提取出一定層級的物理觀念。可以說，大概念為促進學生物理觀念的形成和發展提供了新的有效手段和方法，是課程內容與學科核心素養的中介機制。大概念能夠將各種相關的概念和理解聯系成為一個整體，讓學生對知識的掌握不再是片面、繁雜、零散的。以大概念為牽引，可以幫助學生掌握持久記憶、深度理解和廣泛遷移的知識。正因如此，最新普通高中課程標準指出：“進一步精選學科內容，重視以大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情景化促進學科核心素養的落實。”本文將在闡明物理觀念和大概念內涵的基礎上，探討以大概念為核心促進學生物理觀念形成和發展的教學策略。

１大概念和物理觀念的內涵

１．１大概念的內涵

大概念，又稱大觀念和或者核心概念。自威金斯與麥克泰在《重理解的課程設計》（１９８８）中最早系統闡述大概念以來，國內外學者對于大概念內涵的界定大致分為三個觀點：（１）大概念處于更高的層次，能夠連接和統領下位概念，是一個上位概念。（２）大概念在一個學科領域中占據著核心地位，是可以在遺忘具體的經驗和事實之后仍保持記憶的具體知識背后的本質核心。（３）大概念本身是有組織、有結構的知識和模型，也可以為學習者提供一種認知框架和結構［１］。綜合關于大概念的多方面界定，筆者認為，一方面，大概念在一個學科領域中，占據著核心地位，它統領著一個學科的重要思想和教學知識，它是最有價值、最具有概括性、最精華的內容；另一方面，大概念是物理知識向物理學科核心素養轉化的中介機制，圍繞大概念進行的教學，就是在大概念統領下將大量具體的物理概念、規律、原理等按照由淺入深、由簡單到復雜的邏輯順序，組織成具有結構化的知識體系。大概念統領下的物理教學，改變了物理課堂從前零散和扁平化的教學狀態，可以清晰地引導學生體會和理解知識之間的內在聯系和邏輯，使學生對知識的理解不再停留在表面，從而幫助學生掌握持久記憶、深度理解和廣泛遷移的知識。以大概念為核心的教學使零碎復雜的物理知識轉化為學生自己特有的物理觀念，并且學生能夠運用物理觀念來解決生活中的實際問題，最終也就促進了學生學科核心素養的形成和發展。

１．２物理觀念的內涵

關于物理觀念的內涵，學術界眾說紛紜。在《課程標準》中，物理觀念作為核心素養的基本要素之一被明確提出。《課程標準》指出，物理觀念不同于單純機械記憶的物理知識和公式，是物理概念和規律等知識的加工和升華；是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用和能量等的基本認識；是利用物理觀念分析和解決問題，做到對物理知識的融會貫通、學以致用。物理觀念主要包括物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等要素。這樣界定的物理觀念類似于國際科學教育中的核心概念、大概念［２］。“觀念”一詞偏向主觀性，所以物理觀念的形成和發展并不是簡單地對知識進行積累，它需要教師在學生原有知識的基礎上，充分調動和發揮學生主觀性，引導學生深刻理解物理知識之間的聯系和區別，并提煉出其中的核心思想和內容，形成學生自己獨有的看法和思想。學生可以通過自己形成的物理觀念靈活遷移知識和解決實際問題，做到真正地讓知識內化為思想觀念，實現“物理知識”到“物理觀念”的轉變。為了表示清晰，我們用圖１表示高中物理觀念總體系。這一體系將高中物理零散的概念和規律，歸納在物質、運動與相互作用、功與能量三個物理觀念之下。高中物理知識點較多且難度較大，教師僅憑單純地、平鋪直敘地按照教材內容講授是很難幫助學生建立這些物理觀念的。所以，教師應當從大概念視角出發進行單元整合性教學設計。

１．３基于大概念促進學生物理觀念形成的物理教學

基于大概念培養學生物理觀念的物理教學是為了解決目前高中物理教學“散”“低”“淺”三大問題，即知識點龐雜而零散，學生理解得片面和淺層等問題。以大概念為統領，將零散的知識點整合在一個上位概念，即大概念之下。大概念將一些小概念構建成了一種可以使學生深刻理解和靈活遷移的知識框架，伴隨著這樣具有結構的知識的誕生，學生的物理觀念可以逐漸形成，從而學科核心素養也就得以提升。所以，從大概念視角出發，培養學生物理觀念，兩者的配合可謂相得益彰。

２基于“大概念”視角，促進學生物理觀念形成和發展的教學策略

２．１圍繞大概念重新整合教學內容，突出物理觀念

物理觀念具有一定的抽象性和內隱性，高中物理眾多零散的知識點使學生不易把握知識本質和厘清其之間的區別和聯系。教師需要認真研讀課程標準和教材，并以大概念為抓手重新整合教學內容，分清概念層級，突出物理觀念，從而幫助學生認識和理解各知識點的本質，同時通過語言的表達和結構圖的呈現使抽象的物理概念相對直觀地呈現給學生，幫助學生結構化地建構物理概念和規律。例如，學生在剛進入高中階段學習物理時，首次建立“運動與相互作用”這一物理觀念，雖然初中已經涉及，但是高中階段更為抽象和復雜。所以，教師可以從大概念視角出發有效整合教學內容，明確概念層級，如下表所示。上表中，“力是改變物體運動狀態的原因”作為這部分內容的大概念，是幫助學生形成“運動與相互作用”物理觀念的紐帶，也是該部分教學內容的統領和抓手。在物理課堂教學中，教師應該以這個大概念展開教學。該內容知識點繁雜，經過整理得到如上表所示的“運動與相互作用”內容的大概念———核心概念———物理概念的層級來構建。基于此概念層級，在教學過程中應該貫穿“力是改變物體運動狀態的原因”這一大概念，突出“運動與相互作用”的物理觀念。

２．２以大概念為核心規劃教學主線，強調物理觀念

在對知識進行有效整合后，如何將這些物理概念和規律展現在課堂教學中，就需要一條清晰的主線將眾多知識點穿起來。這樣一條教學主線，既可以幫助學生通過嚴謹的邏輯線層層遞進地學習知識，也可以明確各知識點的聯系，每一個知識點都不是孤立的存在，它都具有承前啟后的作用。在規劃教學主線時，應該注意每一條教學主線的設計都應該以大概念為抓手展開，將大概念教學理念貫穿整個教學過程，在教學活動中強調物理觀念，為后面逐步形成和發展物理觀念進行鋪墊。教學主線主要可以分為兩種類型：（１）對應每一個物理概念、規律的知識邏輯線；（２）一個有趣的故事情境線。也可以選擇知識邏輯線和故事情境線兩條線齊頭并進、相輔相成，效果更優。例如，學生在面對相對于初中變得更加抽象和復雜的物理概念、規律時，難免會感到物理學習的難度大幅度提高。這就需要教師在教學前先對知識進行有效整合，再進一步以“力是改變物體運動狀態的原因”這一大概念為核心，設計“運動觀———相互作用觀———運動與相互作用觀”的教學主線，再依據該教學主線設計教學活動，詳細如圖２所示。遵循這一邏輯主線展開教學，在教學適時強調相應的大概念和物理觀念，讓學生明白每學一部分的知識都不是獨立存在的，它都會與前后知識產生關聯。例如，為何學習完牛頓第一定律后要有一個“探究加速度與力、質量的關系”的實驗，這個實驗的出現并不是突兀的存在，而是具有它的意義。在牛頓第一定律的學習中，學生明確了力是改變物體運動狀態的原因，并理解了慣性以及慣性的大小與什么因素有關。在此基礎上，可以適當引導學生思考：是否可以定量探究牛頓第一定律中提及到的這些物理量的關系。牛頓第一定律中提到，力是改變物體運動狀態的原因，那么多大的力可以改變多少物體的運動狀態，運動狀態也就是之前學習過的速度（ｖ），運動狀態的改變即速度的改變———加速度（α）。問題１：力（Ｆ）與加速度（α）具有什么定量關系呢？牛頓第一定律也稱慣性定律，其中慣性是一個新接觸到的物理量，慣性的定義是運動狀態改變（α）的難易程度，影響慣性大小的因素是質量（ｍ）。問題２：質量（ｍ）與加速度（α）具有什么定量關系呢？以兩個問題作為該實驗的導入，既幫助學生明確了各知識點之間的聯系，又加深了學生對于牛頓第二定律的理解。在學生可以運用牛頓定律解釋運動后，為何還需要繼續學習動能定理和動量定理，這是大多數初學者都難以理解的問題，這導致做題的時候思維混亂，不知道到底應該選用哪一條定理或定律來解題。這時，基于大概念的邏輯線就顯得尤為重要。牛頓運動定律、動能定理和動量定理三者是分別由“力是改變物體運動狀態的原因”“能量”和“動量”三個大概念展開的三條不同方面，但都用于解釋運動的邏輯線。這些知識需要引導學生把握本質，厘清邏輯關系，強調物理觀念，從而更好地掌握結構化知識。詳細邏輯線如圖３所示。

２．３聯系實際創設“大”情境承載大概念，形成物理觀念

物理觀念的形成需要依托情境的創設，通過將復雜枯燥的物理學術問題轉化為生動的教學情境，可以較好地體現其中的物理思維。同時，一個好的教學情境可以很好地激發學生學習的內在驅動力并深化學生對相應知識點的理解和掌握。但這里所說的情境并不是只對應于單一知識點，而是一個可以承載大概念的“大”情境。所謂承載大概念的“大”情境，是指在人們的生產生活中，符合學生的認知規律、具有綜合性、與大量物理知識相聯系的問題情境［３］。這樣的情境種類繁多，可以是貼近生活的實際情境，也可以是學習過程中的探索情景。例如，２０２１年１０月１６日，神舟十三號載人飛船在酒泉衛星發射中心點火發射，這讓每一個中國人為祖國航天事業的發展感到驕傲和自豪。航空航天這一“大”情境，所涉及的內容覆蓋的知識面較廣，特別是物理學科，可以很好地激發學生的學習興趣。每一個孩子在成長的過程中都對浩瀚無邊的宇宙有過自己的幻想，航空航天似乎具有一種天然驅動力激發孩子的探索欲望和創新精神。在結束圓周運動的學習后，可以以中國航天“大”情境導入“萬有引力與宇宙航天”的新課，根據相關概念設計子問題群，引導學生思考以下問題：（１）神州十三號載人飛船如何發射的？（２）神舟十三號載人飛船是如何變軌的？（３）到達預定軌道后在做什么運動？（４）能否聯系之前學習的圓周運動進行分析？這一系列的問題串，在引發學生自主思考的同時，注重知識之間的聯系和區別，幫助學生建立起知識之間的邏輯體系。以“圓周運動”這一大概念為抓手，創設我國航天事業發展的大情境，幫助學生逐步完善運動觀念。

２．４聚焦于物理“大”問題活化大概念，發展物理觀念

在教學活動中，教師都比較重視培養學生利用物理知識解決實際問題的能力。這是因為物理教學的重要目的是：學生面對生活實際問題時，可以利用物理觀念去思考和解決問題，形成自己的科學思維，實現觀念與實踐的有效聯通。但大部分教師僅注重與具體單一知識點對應的小問題，而忽略了具有綜合性的“大”問題，讓學生陷入了“只見樹木，不見森林”的局面。所謂“大”問題，是指當面對生活中真實的、復雜的大情境時，可以凝練出包含大量具體物理概念、規律，需要學生運用多方面知識才能解決的帶有綜合性的核心問題，這里的核心問題即“大”問題［３］。所以，基于“大”情境聚焦“大”問題顯得尤為重要，想要發展學生的物理觀念，教師需引導學生利用所學知識解決實際生活情境中的“大”問題，對大概念進行活化。這樣既可以提高學生的學習興趣，幫助學生鞏固相關知識，還可以在實踐中檢驗、完善和發展學生的物理觀念，真正實現具備物理學科核心素養。在“大”問題的解決過程中，其特點是將一個“大”問題分解成數個小問題，最終一一破解。這也正是活化大概念的過程，將大概念轉化設計成有效的核心問題，引導學生在解決問題中進一步學習。例如，基于貼近生活的騎自行車這一大情境，聚焦物理“大”問題。（１）起動階段：感覺馬路邊的樹木在后退，是以什么為參考系？此時摩擦力的變化情況如何？（２）勻速運動階段：二力平衡相關知識。３３頁）（３）剎車階段：經歷多少時間速度減為零？摩擦力的變化情況如何？（４）轉彎階段：由什么力提供向心力？通過一個絕大部分學生都經歷的“大”情境聚焦物理“大”問題，這些“大”問題有運動學的相關計算，有力學的受力分析，同時貫穿了直線運動和曲線運動。學生運用相關物理概念和規律解決問題的過程中，體會到了物理學知識來源于生活并應用于生活，并且在此過程中很好地發展了學生自己的物理觀念，即運動觀和相互作用觀，從而達到了培養學生物理學科核心素養的教學目的。所以，從大概念視角出發的教學，促進學生物理觀念的形成和發展，實現有效教學，學生可以使用自己形成的物理觀念解決實際大問題。

結語

物理學科知識抽象、繁雜，大概念教學有助于找到學科知識的主線，從而展開教學，讓知識不再一節一節地孤立存在，而是構成相互聯系的物理學科知識網絡。這樣的整合，實現了從“概念”到“觀念”的轉變，學生獲得的不僅僅是知識，還有思想、能力和觀念。所以，物理觀念的建立要以大概念的整體建構與夯實為基礎，促進課堂轉型，致力于培養學生學科核心素養。

作者：孫圓 徐曉梅 單位：云南師范大學物理與電子信息學院