陳克超 冉 潔 戴 浩

(重慶市長壽中學(xué)，重慶 401220)

《普通高中物理課程標準(2017年版)》中提出，“進一步精選了學(xué)科內(nèi)容，重視以學(xué)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(xué)科核心素養(yǎng)的落實.”[1]大概念一詞雖然只出現(xiàn)了這一次，卻揭示了大概念是物理課程改革與創(chuàng)新的著力點，并處于核心位置.具體體現(xiàn)為：課程內(nèi)容呈現(xiàn)方面，從以知識內(nèi)容為線索的呈現(xiàn)形式改變?yōu)橐灾黝}為線索的呈現(xiàn)形式；從強調(diào)知識的邏輯與內(nèi)容的前后鋪墊改變?yōu)閺娬{(diào)內(nèi)容的綜合.課程結(jié)構(gòu)方面，從直線型的知識結(jié)構(gòu)改變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)型知識結(jié)構(gòu)，共分為“機械運動與物理模型”“相互作用與運動定律”“機械及其守恒定律”“曲線運動與萬有引力定律”“牛頓力學(xué)的局限性與相對論初步”等20個主題，以27個教材的章節(jié)形式編排教材內(nèi)容，主題名稱比章節(jié)名稱要籠統(tǒng)一些，章節(jié)中體現(xiàn)為小章大節(jié)的策略.可見，大概念理念滲透于物理課程與教學(xué)深處.

1 大概念的辨析

1.1 認識大概念

什么是大概念？國內(nèi)外學(xué)者對大概念的理解沒有形成一致性，溫·哈倫等專家提出了科學(xué)教育大概念教育理念[2]，確立了課 程 內(nèi) 容、教 學(xué) 法 、評 測3個維度的關(guān)聯(lián)體系，是結(jié)構(gòu)化、一體化教學(xué)觀念的體現(xiàn)，又有具體的操作層面的教育理念.按照科學(xué)大概念理念可得出，大概念是有組織、有結(jié)構(gòu)的知識和模型，[3]“大”是大結(jié)構(gòu)、大格局，指概念所解釋事物的范圍與概括程度，其本質(zhì)是“核心”，包括學(xué)科核心概念、共通概念與關(guān)于科學(xué)本身的概念.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，使概念之間的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.總而言之，物理大概念有如下特點：從學(xué)科地位上看，處于學(xué)科的中心，是少數(shù)幾個對自然現(xiàn)象高度抽象后形成的核心概念；從學(xué)科內(nèi)容的組織上看，有助于學(xué)習(xí)者形成專家的整體、多元、變化的思維方式，有效地對知識進行理解和遷移，不斷地被論證與討論；從學(xué)科知識結(jié)構(gòu)上看，大概念和物理主題、小概念和其它大概念構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)知識結(jié)構(gòu)；從應(yīng)用上看，具有普適性，與生活科技與社會相關(guān)，影響較多人群并能解釋較大范圍的物理事實和現(xiàn)象；從物理文化性，符合人們科學(xué)探索的發(fā)展邏輯.簡單來說，大概念的內(nèi)涵有高度抽象與統(tǒng)攝性，強調(diào)人的主觀意識，形成整體的知識體系.

1.2 課標中的物理觀念

“《標準》將物理觀念分為“物質(zhì)觀念”“運動與相互作用觀念”以及“能量觀念”.這樣界定的物理觀念類似于國際科學(xué)教育中的核心概念、大概念”[4].由此可以看出核心素養(yǎng)結(jié)構(gòu)體系中的物理觀念是以大概念為理念為基礎(chǔ)，提出的具有自主創(chuàng)新意義的理念，從而構(gòu)成了物理課程體系中的重要部分——科學(xué)觀念與思想中的精煉表達，與大概念對等.新課標對物理觀念意義表述的主要內(nèi)容有： (1) 學(xué)科核心素養(yǎng)的解釋,“物理觀念是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運動與相互作用、能量等的基本認識；是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華：是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎(chǔ)”.(2) 素養(yǎng)水平劃分，物理觀念所對應(yīng)的5級水平，“能從物理學(xué)的視角觀察自然現(xiàn)象……”“形成初步的物理觀念……”“具有……”“具有清晰的……”“具有清晰、系統(tǒng)的……”，強調(diào)“物理概念與物理規(guī)律逐步學(xué)習(xí)、系統(tǒng)反思和遷移應(yīng)用，促進物理觀念的發(fā)展與運用”.(3) 教學(xué)建議，提出“物理觀念的形成和發(fā)展需要學(xué)生通過物理概念、物理規(guī)律等內(nèi)容的學(xué)習(xí)及運用才能逐步形成”.(4) 內(nèi)容選擇，“注重選擇與物質(zhì)、運動與相互作用、能量等相關(guān)的核心內(nèi)容,幫助學(xué)生從物理學(xué)視角認識自然,理解自然,形成物理觀念”.課標中的物理觀念是大物理觀，作為思想史范疇的物理觀念是遠離具體知識的，是物理思想的濃縮與凝練，是與大概念對等的3個大概念——物質(zhì)、運動與相互作用、功與能量.在業(yè)界，人們對物理觀念的認識是為了適應(yīng)廣大教師的理解，將物理觀念的理解簡單化，包括知識、方法、情意類觀念，有大有小.比如科學(xué)術(shù)語、科學(xué)概念、科學(xué)規(guī)律(規(guī)則)、科學(xué)理論、科學(xué)模型、科學(xué)器件.[5]結(jié)合其他專家提出的還有對現(xiàn)象形成分觀念，如亞里士多德對運動和力認識的觀念“有力作用物體就運動，沒有力作用物體就靜止”的錯誤的物理觀念.

1.3 核心概念

美國《K12科學(xué)教育框架》和《下一代科學(xué)教育標準》(NGSS)提出確定學(xué)科核心概念的4點原則，核心概念與基本概念、主要概念、核心觀點的意義相近,是位于學(xué)科中心的概念性知識,包括對重要概念、原理、理論等的基本理解和解釋,這些內(nèi)容是學(xué)科結(jié)構(gòu)的主干部分.[5]物理核心概念是學(xué)科中心知識，在概念體系中處于中心地位.處于上位的核心概念可進行發(fā)散，若干小概念通過一定的方式，以核心概念為凝結(jié)核，聯(lián)結(jié)成網(wǎng)絡(luò)化的概念體系.核心概念的本質(zhì)特征是處于中心，簡單點理解就是概念體系建立與運用中的高頻概念.

通過上述3個概念的辨析，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.例如加速度是一個核心概念，比加速度基礎(chǔ)的概念有時間、速度、速度變化、一維矢量運算，加以擴展深化理解與輻射，可以延伸到速度變化與速度變化率，輻射到質(zhì)量、力、位移等，但它不是大概念，又不便于理解為一個觀念.實際上大概念理念融合了核心概念、學(xué)習(xí)進階理念、核心素養(yǎng)、深度學(xué)習(xí)等最先進教育理念，追求統(tǒng)一化，強調(diào)知識結(jié)構(gòu)的整合與發(fā)展，構(gòu)建結(jié)構(gòu)化、關(guān)聯(lián)性的知識體系，形成學(xué)科知識的整體圖景.依據(jù)課程標準，可得出高中物理的大概念有物質(zhì)、運動與相互作用、能量.

2 大概念的解構(gòu)

2.1 物理大概念知識層級結(jié)構(gòu)

以大概念的知識層級結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，結(jié)合物理課程設(shè)計，物理大概念層級結(jié)構(gòu)如圖1所示.從課程論視角看，高中物理學(xué)科大概念有物質(zhì)、運動與相互作用、能量，可以把這3個大概念解構(gòu)為若干較大概念和小概念，實現(xiàn)學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)進行宏觀規(guī)劃；從教學(xué)論視角，在實際學(xué)習(xí)中，以學(xué)生的認知水平為基礎(chǔ)，將極其抽象的大概念解構(gòu)為抽象程度較低，適合學(xué)生學(xué)習(xí)水平，凸顯知識體系的較大概念、小概念，在微觀的課堂教學(xué)活動中依據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)生認知水平和學(xué)習(xí)階段，不斷融入大概念思想，拓展思維的視角、廣度和深度.其構(gòu)建過程是科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度的形成過程.

圖1 大概念知識層級結(jié)構(gòu)圖

2.2 高中物理大概念結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)物理課程標準，物理大概念有物質(zhì)、運動與相互作用、能量3個大概念，而概念間的橫向關(guān)聯(lián)揭示出不同概念形成過程的本質(zhì)有相同之處，從而可進一步抽象為上位的概念或者大概念.利用事實與現(xiàn)象、前概念、簡單概念，對具體的事實進行抽象概括、聯(lián)想、發(fā)散等思維活動，形成概念間縱向向上的關(guān)聯(lián)，一步一步概括，抽象出普遍意義的大概念.解讀概念的意義、思維方式和思想，從內(nèi)容與形式、概念與結(jié)構(gòu)、關(guān)系與意義、抽象與具體、宏觀與微觀等方面進行關(guān)聯(lián)與重構(gòu)，并完成知識結(jié)構(gòu)的拓展與完善.以物質(zhì)大概念為例，物質(zhì)的存在形態(tài)分為：“實物”和“場”，“實物”具有的共同特點是，質(zhì)量集中在某一空間，一般有比較確定的界面(氣體的界面雖然模糊，但它又是由一個個實物粒子構(gòu)成)；“場”是看不見摸不著的物質(zhì)，可以充滿全部空間，具有“可入性”.由此分為固體、液體、氣體、原子、電荷、電磁場、物質(zhì)波等，再從內(nèi)容、描述進一步向下縱向延伸，形成如圖2的物質(zhì)與小概念的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系.

圖2 物質(zhì)結(jié)構(gòu)體系

3 大概念的建構(gòu)策略

3.1 理論分析

大概念的建構(gòu)策略運用了學(xué)習(xí)進階理論，運用概念發(fā)展的策略組織概念進階，其進階模型分為如下3種：一是爬梯子模型，概念的進階單線式發(fā)展策略，類似于爬梯子，其缺點容易建立單一知識結(jié)構(gòu)，爬到終點才能完成大概念的建構(gòu).二是拼圖模型，如拼圖游戲一樣，概念是橫向拓展模式，不是縱向發(fā)展，多個小概念關(guān)聯(lián)在一起構(gòu)建大概念，其缺點是過程靈活多變，不容易提供方式指導(dǎo).三是螺旋式模型，如馬拉松賽跑，先短程、半馬到全馬，同一內(nèi)容反復(fù)學(xué)習(xí)，逐漸增大其深度和復(fù)雜程度，其缺點和爬梯子模型一樣，學(xué)習(xí)容易脫節(jié).

以知識邏輯編排的初高中物理教材，將物理學(xué)科按照力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、原子物理分塊進行學(xué)習(xí)，螺旋式上升.初中主要學(xué)習(xí)第一、二級，要求“能從物理學(xué)的視角觀察自然現(xiàn)象……”“形成初步的物理觀念……”.高中學(xué)習(xí)再加深拓展，又分別將力學(xué)、電學(xué)知識按照知識邏輯體系分別學(xué)習(xí)，所以整個內(nèi)容顯得分散、零碎.新課程體系中明顯打破邏輯體系，前3個主題“機械運動與物理模型”“相互作用與運動定律”“機械及其守恒定律”，按照運動與相互作用、能量兩個大概念進行學(xué)習(xí)，物質(zhì)的學(xué)習(xí)是滲透在各個相關(guān)部分進行的.這種編排形式不但實現(xiàn)了知識結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化，還結(jié)合了維果茨基的最近發(fā)展區(qū)原理，而最近發(fā)展區(qū)原理或按照一個系列逐漸進階發(fā)展，或相互關(guān)聯(lián)同一大概念下的各小概念.

例如力的概念構(gòu)建，從形式和內(nèi)容視角看，力的形式是指各種性質(zhì)的力具有相同的本質(zhì)特征，為物質(zhì)性、矢量性(合成與分解、運動的合成與分解)、三要素、相互性；力的內(nèi)容指有不同性質(zhì)的力，為重力、電磁力、分子力、核力等.從抽象與具體視角看，力是重力、彈力、摩擦力等概念的抽象概念，各種形式的力是其具體內(nèi)容.

又如磁通量是磁場與電磁感應(yīng)現(xiàn)象的基礎(chǔ)概念，而磁通量概念的建立基礎(chǔ)是其所涉及的邏輯與實證的現(xiàn)象、實驗、概念、規(guī)律等，如磁感線的概念和平面的知識，并理解概念建立的條件和意義，意義拓展為磁通密度(即磁感應(yīng)強度).概念建立后，輻射到相關(guān)的概念——磁通量變化與磁通量變化率，進行拓展，同時將磁通量的理解實現(xiàn)了擴展和加深；運用定性分析和定量研究，理解法拉第電磁感應(yīng)定律，通過感應(yīng)電動勢延伸到電路，通過通電導(dǎo)線延伸到磁場力、通過磁場力延伸到運動和相互作用、能量；區(qū)別原磁場激發(fā)的磁通量與感應(yīng)電流應(yīng)激的磁通量的因果關(guān)系，形成楞次定律.建立概念體系后要檢驗在實際中的運用，揭示自感、互感、渦流、電磁阻尼現(xiàn)象的本質(zhì)原因，并運用于生活實際.

3.2 大概念的構(gòu)建維度

(1) 邏輯體系.

物理概念的內(nèi)在邏輯脈絡(luò)是概念構(gòu)建及延伸的核心，概念的大小在于在概念體系中的邏輯地位，知識脈絡(luò)利用其邏輯關(guān)系才能形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)關(guān)系.如對時空觀的認識，時間和空間是物理世界認知的基本概念，其認知發(fā)展的過程，是物理學(xué)的發(fā)展過程的邏輯線索——從亞里士多德的時空觀、到牛頓絕對時空到相對論發(fā)展.高中主要學(xué)習(xí)牛頓時空觀，包含經(jīng)典牛頓力學(xué)、電學(xué)中庫侖定律、安培力(定律)、理想氣體狀態(tài)方程、光的微粒說等內(nèi)容，初步形成量子論的觀點.又如力物質(zhì)性、相互性和瞬時作用以及對時空的積累效果，將物質(zhì)、運動與相互作用和能量有機聯(lián)結(jié)在一起.

(2) 模型體系.

概念及概念的關(guān)聯(lián)構(gòu)建了高中物理知識結(jié)構(gòu)體系，而建立知識結(jié)構(gòu)的目的是走向知識的運用.物理認知過程的初步是將事實、現(xiàn)象、過程模型化.模型的建構(gòu)、理解和運用的本質(zhì)是知識的理解與應(yīng)用.這是大概念構(gòu)建后測評與運用的重要途徑.按照模型的功能和認知分為模擬式和理想化兩類模型.模擬式模型有電場線、磁感線、原子結(jié)構(gòu)模型，理想模型又可分為實體模型(如質(zhì)點、單擺、理想氣體等)、條件模型(如勻強電磁場、直導(dǎo)線等)、過程模型(如勻變速直線運動、勻速圓周運動、碰撞等)小球、彈簧、斜面、板塊模型在高中電磁學(xué)中可以貫穿始終.例如改變斜面模型的情景和運動的初始條件，有如下多種演變：固定斜面，物體在斜面上靜止、沖上斜面向上運動、沿斜面向下運動等情形；可動斜面，無論物塊在斜面上靜止還是運動，斜面體保持不動，物塊與斜面體一起運動，物塊在斜面體上運動的動量與能量問題、相對運動問題等；添加電磁場構(gòu)成電磁場中斜面問題；物體恰好不脫離支持面類臨界問題.巧妙地將3個大概念的內(nèi)涵、特征、知識體系等應(yīng)用于一個簡單的模型中，還可以將模型演變成實際問題，如泥石流中石塊從斜坡上滑下，概念、模型在有血有肉的生活實際問題中頓時靈動起來.

(3) 原理與方法體系.

大概念理念的目的是讓學(xué)生不僅知道專家結(jié)論，還要滲透專家思維.知識結(jié)構(gòu)建構(gòu)過程中方法的運用，是大概念有效建構(gòu)與過程優(yōu)化的根本保障，才能實現(xiàn)從內(nèi)容與形式、具體與抽象、概念與結(jié)構(gòu)、關(guān)系與意義等進行重構(gòu)，活化充滿變數(shù)的大概念.在實際問題的解決中實現(xiàn)從無序到有序又回到無序思維歷程，思維結(jié)構(gòu)不斷深入，形成質(zhì)疑、批判與創(chuàng)造等高階思維.比如物理中疊加原理，分為力的疊加、合運動與分運動、功的疊加、電場的疊加、磁場的疊加、電勢的疊加、波的疊加、(量子疊加)，一維的疊加到二維的疊加，其本質(zhì)是物理與數(shù)學(xué)的交融，滿足數(shù)學(xué)上線性系統(tǒng)，包括代數(shù)方程、線性微分方程都可以使用疊加原理，也由此延伸到系統(tǒng)理論.再如黑箱問題改變我們通常的通過情景、過程展示來問題討論的思維習(xí)慣，是根據(jù)其功能或者輸出信息來認識未知系統(tǒng)的方法，由于其開放性特征能很好促進學(xué)生發(fā)散性思維訓(xùn)練，體現(xiàn)為“透過現(xiàn)象看本質(zhì)”的哲學(xué)思想.教材中有用多用電表探索黑箱問題的內(nèi)容，黑箱問題還可以用于探索其它物理問題，認識電場的性質(zhì)，可以用實驗展示：將靜電離子球遮蓋起來，將一根沒有通電的熒光燈管放在靜電離子球附近，靜電離子球通電后，附近的燈管會發(fā)亮；又如探索原子結(jié)構(gòu)，原子正如一個黑箱，利用α粒子轟擊金箔實驗，輸入信息是高能粒子，輸出的信息是原子對α粒子作用后反映出的現(xiàn)象，對輸入輸出信息進行分析猜想，再進一步用實驗驗證猜想并得出結(jié)論；另外還有力學(xué)黑箱問題、光學(xué)黑箱問題、傳感器等.

運用大概念進行組織教學(xué)，能科學(xué)、合理地鏈接離散的事實、技能，使課程知識結(jié)構(gòu)化與統(tǒng)一化，有利于提高學(xué)生元認知水平，實現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)的組織結(jié)構(gòu)化、知識有效遷移與學(xué)以致用.這正是新課程改革的目標體現(xiàn)，實現(xiàn)課程一體化建設(shè)，強調(diào)學(xué)科知識的連續(xù)性和學(xué)科間的關(guān)聯(lián)性，優(yōu)化的知識結(jié)構(gòu)體系，促進學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，高效地發(fā)揮“整體大于部分之和”.