“物理學科核心素養”導向下的高中物理概念教學設計

周 瑋

(北京師范大學附屬中學 北京 100052)

隨著2017版新課標的頒布，標志著新課程改革正式啟動，這一次的改革則是將學科核心素養教育作為主要的教學目標.如何在教學過程中真正以學生為中心，根據每位學生的知識和經驗，滿足他們獨特的人格成長需要，培養學生的學科核心素養是課堂教學改革應不斷思考的問題.

學科核心素養是學科育人價值的集中體現，是學生通過學科學習而逐步形成的正確的價值觀念、必備品格和關鍵能力.物理學科核心素養主要包括“物理觀念”“科學思維”“科學探究”和“科學態度與責任”4個方面.

物理概念既是物理學大廈的基石，也是核心素養導向下物理教學的重要載體.因此，教師應該在課堂教學中有效落實基于核心素養導向的物理概念教學.

1 物理概念教學與學科核心素養的內在聯系

物理概念內容的豐富性為學生物理觀念的形成提供了直接的知識基礎.概念是對大量物理事實的提煉和總結，它反映了事物的本質，是學生進行理性認識的開端.高中物理涉及的主要概念超過200個，每個概念都是物理知識網上的重要節點.不同概念從不同角度揭示了世界的物質本性，對物理概念的學習，有助于學生由表及里地揭示物理現象的本質，逐步形成包括物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等物理觀念.

物理概念的學習過程為學生思維能力的發展提供了空間.物理概念的形成過程，是學生自我建構的過程.學生從已有的認知出發，以日常經驗為起點，往往要經歷反復多次的觀察、比較、概括、抽象等科學思維過程，才能獲得科學的物理概念.在此過程中，學生通常要運用許多物理方法，如演繹法、歸納法、理想化方法、類比法、微元法等，才能建立或深化對概念的認識，而這些方法是學生思維能力發展的重要基礎.如果說思維能力是物理學科的關鍵能力，那么概念的學習就為這一關鍵能力的培養提供了空間.

物理概念的形成過程是培養學生內在探究精神的有效途徑.物理概念的內化不是一蹴而就的，是學生結合已有認知，去偽存真，不斷完善認知結構的過程.為什么引入這一概念？為什么要如此定義一個概念？概念的內涵和外延是什么？相關概念間的邏輯關系是什么？如何通過概念的深化構建出知識網絡體系？這些問題都是值得學生思考和研究的.概念的內化讓學生發現自我認知的缺陷，在自我完善過程中能獲得較高的成就體驗，逐漸形成探索自然的內在動力.

物理概念的形成過程是培養學生科學精神的有效途徑.物理概念的建立往往經歷了漫長和曲折的過程，滿含著人類先賢的智慧和科技進步的力量.如“自由落體”這一概念的建立，其中既包含了伽利略運用邏輯推理的方法反駁亞里士多德關于落體運動的錯誤觀點，又包含了對落體運動規律的數學推理、實驗驗證以及合理外推這些智慧的閃光點，開創了科學研究的模式.又如“原子”這個概念，2 000多年前古希臘哲學家德謨克利特就提出了這一概念，他認為，所有物體都由數不清的、小得人眼無法看到的粒子集合而成，這些粒子叫原子，是物質的最小單元.隨著科技進步，現代人們不僅可以在微觀層面觀察并控制原子，而且打破了原子不可分的古老觀念，以原子概念創新為起點，建立了分子和原子物理學以及核物理學等學科.對于這些圍繞物理概念而展開的物理學史的學習，有助于學生解放思想、開闊眼界，培養他們不斷探索、勇于創新的科學精神和求真務實、規范嚴謹的科學態度.

2 學科核心素養導向的物理概念教學設計

2.1 概念教學設計應有層次的建構物理觀念

概念教學對于學生物理觀念的形成具有舉足輕重的作用.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，可以說這幾點也是上位的核心概念.學生的物理觀念是在物理概念、物理規律等內容的學習、運用及內化體驗的基礎上，逐步建構和發展起來的，并非一蹴而就.因而制定物理概念的教學目標時，要分析它們在物質觀念、運動與相互作用觀念及能量觀念等物理觀念發展過程中的地位和作用，在教學中由表及里、由淺入深，有層次的逐步推進，最后形成上位的物理觀念.

例如，為了發展學生的運動與相互作用觀念，首先,要讓學生經歷位移、速度、加速度等重要概念的建構過程以及研究勻變速直線運動、拋體運動、勻速圓周運動等重要的物理過程，促進學生對“機械運動”核心概念的形成和理解；然后,再引導學生經歷各種常見力(包括重力、彈力、摩擦力、萬有引力、安培力、洛倫茲力等)的概念的建構過程以及牛頓運動定律的學習過程，促進學生對“運動和力”核心概念的形成和理解.在此過程中，通過知識的不斷內化和深化，促進學生的運動與相互作用觀念不斷發展.

又例如，為了建立能量的觀念，首先,需要建立動能、勢能的概念，而勢能是能量概念中的一個難點，在教學過程中應該由淺入深，層層深入地進行理解與建構.學生是從重力勢能的學習開始的，是學習勢能概念的第一步.所以學習重力勢能時，就要為后期的學習奠定基礎.除了要知道重力勢能的定義以外，還有兩點應該列為重要的教學目標：一是關于重力做功與路徑無關，只與初末位置有關的特點；二是重力做功等于重力勢能的減少量.這兩點是為什么能定義重力勢能以及如何定義重力勢能的關鍵.在進一步建立“彈性勢能”“電勢能”以及“分子勢能”這些概念時，可以通過類比發現相關的力做功與重力做功有相同的特點，從而借助功能關系建立勢能的概念，研究勢能的普遍含義，促進學生對功能關系的理解，進一步建構和發展能量觀念.

2.2 概念教學設計中應體現科學思維的培養

“科學思維”是從物理學視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識；是基于經驗事實建構物理模型的抽象概括過程；是分析綜合、推理論證等方法在科學領域的具體運用；是基于事實證據和科學推理對不同觀點和結論提出質疑和批判，進行檢驗和修正，進而提出創造性見解的能力與品質.科學思維主要包括模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等要素.

概念是人們對事物本質的認識，是邏輯思維最基本的單元.概念的建立必須借助于感性的材料、理性的科學思維方法.科學思維方法作為物理學研究和發展的邏輯工具，為物理學提供了建立物理概念、形成物理原理和提供實驗探究的根本途徑.課堂教學應該針對不同類型物理概念的特點，有意識地融入相應的科學思維方法，恰當地運用實驗、分析、綜合、歸納、類比、概括、抽象、演繹和理想化等方法，引導學生親歷物理學的思維發展歷程，激發其物理學習動機.所以物理概念的學習過程為科學思維的培養提供了最好的途徑.

例如，在對質點、自由落體運動、簡諧運動、點電荷、勻強電場等物理概念進行教學時，教師在教學中應突出對學生利用理想化方法建立模型的思維方法的培養；在學習瞬時速度、瞬時加速度時需要體現出極限的思想，這也是微元法思想的學習基礎；在建立力、機械運動、機械振動的概念時，通過大量實例的枚舉，應用歸納的方法得出不同的概念；在建立動能、動量、沖量這些概念時，我們可以讓學生學習數學演繹的方法，從已知的規律中得到新的重要的概念；在學習磁場、磁感線、磁感應強度這些概念時，可以采用類比的方法，類比電場、電場線以及電場強度進行概念的定義，降低理解的難度，等等.這些方法是學生思維能力發展的重要基礎，也是學生能夠借鑒并遷移到終身學習的重要科學方法.學習的任務不僅在于獲得知識，更重要的還在于智力的發展，掌握科學方法，提高綜合能力.如果說思維能力是物理學科的關鍵能力，那么概念的習得就為這一關鍵能力的培養提供了條件.

2.3 概念教學設計中應選擇合理的教學流程

以培養學生學科核心素養為目標的概念教學，應強化物理情境的創設，要有意識地引導學生自我建構，凸顯學生的主體地位.同時，教師應尊重學生的認知規律，從感性認識過渡到理性認識，從直觀的形象思維發展為抽象的邏輯思維，以概念為基石，逐步培養學生的物理學科核心素養.

2.3.1 事實積累 引入概念

這是物理概念教學的首要環節.通過這一環節，能夠豐富學生的感性認識，積累生動的實例，同時激發學生已有的隱概念，提取知識儲備，為科學概念的建立奠定基礎.

一般在日常教學中采用比較多的有兩種方法：一種是引導學生列舉大量的生活實例，或者是回顧已有的生活經驗，從典型的生活現象中引入，比如彈力、摩擦力、機械振動、機械波等，都可以從大量的實例中來認識這些物理現象，進一步歸納出物理概念；又如慣性、動量、浮力、機械運動這些內容，在學生平常跑跳、碰撞、游泳或者乘坐交通工具時，都有切身的感受，這些基于直接經驗的感性認識是學生認知的基礎，也可以作為他們思維的起點.第二種是運用演示實驗，展現真實的物理情景，幫助學生形成對日常生活中不常見現象的直觀感受.在電學、光學、原子物理等內容中有大量的物理概念距離現實生活較遠，如感應起電、電磁感應、光的色散、光電效應等，教師必須要做好演示實驗，才能讓學生具有概念建立必要的前認知，或者通過實驗現象幫助學生形成認知沖突，促進他們有意義學習的生成.在此過程中，教師注意引導學生觀察、思考并記錄重要的物理現象，為導入概念埋下伏筆.

當然，教師還可以根據學生認知結構中相應的知識狀況和新概念特點采取其他的引入方式，比如從物理學史的角度引入，如自由落體運動、萬有引力、電磁波等；或者從已有概念的類比中引入，如磁感應強度、磁感線等；也可以是從已知規律的演繹、推理中引入，如動能、動量等.

無論采取什么方法，概念引入的過程必不可少，這是學生能建立清晰的概念，區分不同概念的區別與聯系的重要基礎，也是學生能通過不斷學習，經過基本事實的積累升華為物理觀念的物質基礎.

2.3.2 抽象概括 定義概念

一切概念都要通過詞語來表現，定義就是對于一種事物的本質特征或一個概念的內涵和外延所作的確切表述.在這一過程中，教師要合理引導學生正確進行科學抽象，能用自己的語言將模糊的認識轉變為科學的定義，由感性認識上升到理性認識階段，這是形成概念的關鍵.

物理學由于其發展歷史長，涉及的內容廣泛，物理概念的數量也相當多.如果我們能對概念進行科學的分類，針對不同概念可以采用不同的定義方法，對于概念的學習便能事半功倍.

我們可以粗略地將高中階段的不同概念劃分為以下4類.

(1)抽象模型概念

物理學中具有大量物理模型，而這些物理模型是自然界不存在的理想化的抽象模型.所謂抽象模型，就是利用理想化方法，抓住事物的主要特征和性質，舍去特定條件下無關緊要的因素而建立的模型.這些抽象模型概念近似地反映了客觀事物的本質，在研究問題時可以方便我們抓住主要矛盾，將問題大大簡化.例如質點、自由落體、彈簧振子、簡諧運動、簡諧波、點電荷、勻強電場、理想氣體、純電阻、盧瑟福原子模型等.

(2)現象描述概念

我們對事物的認識總是從觀察開始，觀察是認識的基礎，許多概念的建立都來自于長期周密、細致的觀察.不僅在自發的情況下觀察自然界的物理現象，也根據研究的目標，利用科學實驗有控制地研究自然規律.對自然和實驗現象的觀察總結就構成了部分物理概念.我們把定性描述物理現象的這類物理概念稱為現象描述概念.這類概念在物理學中很多，例如慣性、機械振動、機械波、電場、波的衍射和干涉、布朗運動、光電效應等.

(3)導出物理概念

物理學發展到近代成為一門高度定量化的學科，為了構建理論體系，往往還需要定義若干概念.這些概念比起前兩類概念來，更為抽象，通常都是由幾個量組合而成，反映出新定義的導出概念與已知物理概念之間的聯系.例如，功W=Fxcosθ就是一個定義概念，在現實生活中沒有一個直接的物理現象可與之對應，類似的定義概念還有很多，如速度、加速度、動能、動量、沖量、功率、電場強度、電勢、電動勢、電阻、電容等.

(4)物理量單位概念

作為物理量單位的物理概念數量很大，根據性質可分為基本單位和導出單位兩種.在國際單位制中規定了 7個基本單位，這7個基本單位概念的涵義在國際物理學界有非常明確的規定.導出單位數量很大，如力的單位為牛頓，功和能的單位為焦耳，壓強單位為帕斯卡，等等，它們均可依據該單位的定義由物理公式導出.

如果清楚地知道了概念的種類，那么就可以根據不同類型概念的特點，進行概念的定義.有的用語言對主要特征或現象進行定性描述，有的是尋找已知的物理概念采用邏輯方法進行定量的公式描述.學生通過自己的觀察、探究、總結、歸納將概念表述出來，完成了概念從感性到理性、從模糊到科學的轉變.

2.3.3 對比反思 深化概念

在初步建立概念的時候，學生的認知往往是片面的、碎片化的、淺層的，而且容易遺忘，需要通過進一步的理解來深化對概念的認識，以使學生構建完整的概念知識體系.

第一，明確概念的內涵與外延.物理概念的特點是準確而抽象的，但是其豐富的含義需要學生慢慢體會.首先，需要深刻地理解物理概念的內涵與外延，將概念與其他概念之間的區別和聯系探索清楚.物理概念的內涵是該概念所反映的物理事實的本質屬性，而外延是該概念所涉及的一切物理事實的范圍和條件.例如，對比“標量與矢量”的內涵與外延：標量是只有大小、沒有方向的物理量，在合成法則中只需要將其代數相加就可以了，如溫度、速率、功、功率、路程、能量等；矢量是既有大小又有方向的物理量，在合成法則中符合平行四邊形法則，例如速度、加速度、力、位移、動量、電場強度等.學生通過對概念內涵與外延的理解，不僅能分清概念之間的聯系與區別，還能結合自己的知識將概念應用到具體的實例中，從而對概念有了感性的認識.

第二，要注意概念的進階.在課堂教學中應該設計合理的學習梯度，考慮前、后學習的銜接與拓展，引導學生循序漸進地開展學習.例如，“電流”是電學中的核心概念，可以將這一概念的理解分為3個階段.第一階段學生從電路的角度來認識電流的概念，是初中就學習過的知識；第二階段則是從導線中的電場與電荷所受電場力的角度來認識電流的形成，這是高中階段的要求；第三階段則需要從微觀與宏觀的聯系來認識電流，理解電流的微觀表達式，這是一個更高的要求.通過3個階段的教學活動，幫助學生深化對電流概念的理解，經歷從形象到抽象，從具體到一般的過程.

第三,要注意概念的延續與擴展.根據中學生的思維特點和學習能力，物理概念會隨著學生物理知識的增加以及研究問題的深入而不斷地變化和發展，即一個完整物理概念的形成需要有一個發展的過程.如“力”這一重要的概念，最初學生對力的認識是“力是物體與物體間的相互作用”，在研究力與運動的關系時，對力的理解變為“力是使物體運動狀態發生變化的原因”或者“力是產生加速度的原因”，學習了牛頓運動定律，更可以將力定量的定義為

F=ma

在學習了動量定理之后，也可以將力的定量定義寫為

這樣對“力”這一概念的掌握就達到了從具體到抽象、從感性到理性、從定性到定量、從簡單到系統的過程，深化對這一重要概念的認識，從而建立完整的概念體系.

第四,要注意科學方法的總結.概念的建立過程涉及的科學方法很多，對科學方法的總結也能深化概念的理解.比如,比值定義法是我們在定量定義導出物理概念時常用的方法，就是用兩個或兩個以上的物理量的比值去定義另外一個新物理量的方法.我們往往用比值法來定義物質或物體屬性特征的物理量，兩個或多個物理量的比值是個定值，屬于性質量.初中我們學習過密度與電阻，高中我們在電場中用比值法來定義電場強度、電容、電勢,等等.應用比值法往往需要一定的條件：一是客觀上需要，二是間接反映特征屬性的兩個物理量可測，三是兩個物理量的比值是一個定值.如果理解了比值法，那么我們在學習磁場時就可以很容易理解磁感應強度的定義，甚至還能借鑒到重力場的研究.雖然課本上沒有描述，但我們能輕松地定義出重力場強度、重力勢等概念，深入理解對于場這種物質進行研究的方法，以及辨析場中跟場力與能量相關的各概念間的區別和聯系.同時理解了比值定義法，那么對于這些概念的定義式與決定式也就能很好地加以區分了.所以，從科學方法的角度去深化理解概念，也是一個重要的方面.