基于物理大概念的高中電磁學(xué)部分結(jié)構(gòu)化分析

宋潔 吳同華

摘? 要 “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)容情景化，促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)”，是2017版高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)修訂的重要變化。對(duì)物理大概念淵源和內(nèi)涵進(jìn)行梳理，并對(duì)高中電磁學(xué)部分以物理大概念為核心進(jìn)行分析，探尋物理大概念和核心概念之間的邏輯關(guān)系，旨在幫助教師落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞 高中物理；物理大概念；物理觀念；電磁學(xué)；核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2021）13-0055-03

0? 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo)）較之前課標(biāo)發(fā)生很大變化，其基本理念是注重體現(xiàn)物理學(xué)科本質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。因此，提及新課標(biāo)時(shí)，人們對(duì)物理學(xué)科核心素養(yǎng)、學(xué)業(yè)水平質(zhì)量等耳熟能詳，而對(duì)大概念一詞并沒(méi)有太多關(guān)注。但在新課標(biāo)第二部分修訂的主要內(nèi)容和變化中關(guān)于學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出：更新了教學(xué)內(nèi)容，進(jìn)一步精選了學(xué)科內(nèi)容，重視以學(xué)科大概念為核心……促進(jìn)學(xué)科核心素養(yǎng)的落實(shí)[1]。由于大概念一詞在本次新課標(biāo)中只出現(xiàn)一次，而且對(duì)大概念也沒(méi)有做深入闡釋和操作性定義，因此，不管是各級(jí)教育部門還是教育教學(xué)工作者，都對(duì)大概念這一理念有著不同程度的疏忽。認(rèn)真研讀新課標(biāo)后，可以清晰地發(fā)現(xiàn)大概念并不是新課標(biāo)修訂工作者隨口一提，而是各學(xué)科課程內(nèi)容構(gòu)建的重要理論基礎(chǔ)，而且各學(xué)科都以大概念來(lái)統(tǒng)領(lǐng)課程內(nèi)容，只是呈現(xiàn)的方式有所差異[2]。

就物理學(xué)科來(lái)說(shuō)，雖然沒(méi)有在課程內(nèi)容方面直接展示關(guān)于大概念理念的內(nèi)容，卻處處體現(xiàn)著該理念，該理念是幫助理解課程標(biāo)準(zhǔn)以及課程內(nèi)容建構(gòu)的法寶。大概念在一定范圍內(nèi)來(lái)說(shuō)具有普適性，在不同單元、不同章節(jié)可以體現(xiàn)一定的相關(guān)性，有助于幫助學(xué)生整合知識(shí)形成認(rèn)知體系，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。因此，很有必要對(duì)物理大概念的有關(guān)理論進(jìn)行梳理，厘清其淵源和內(nèi)涵，尤其要明確物理大概念到底有哪些，高中物理哪些知識(shí)對(duì)應(yīng)哪個(gè)大概念，使之顯性化和直觀化。只有這樣，才能夠有效幫助一線教師在教學(xué)中以大概念作為統(tǒng)領(lǐng)開(kāi)展教學(xué)，落實(shí)物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1? 物理大概念

大概念（Big Ideas）一詞起源于美國(guó)，國(guó)外對(duì)大概念的表述不一，例如：大概念是“適用于一定范圍內(nèi)物體和現(xiàn)象的概念，它們能夠解釋較大范圍內(nèi)的一系列相關(guān)現(xiàn)象”[3]；是“一種強(qiáng)大的解釋模型，它對(duì)自然界中的各種可觀測(cè)的自然現(xiàn)象有廣泛的解釋力”[4]……在國(guó)內(nèi)較早研究大概念的專家是韋鈺[5]院士，她認(rèn)為大概念是經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)并且證實(shí)了的客觀事實(shí)，能用一句話甚至一個(gè)短語(yǔ)表達(dá)出來(lái)，能夠成為科學(xué)概念。北師大郭玉英教授及其團(tuán)隊(duì)[6]對(duì)大概念相關(guān)的文件進(jìn)行整理后提出見(jiàn)解：大概念是那些超越學(xué)科界限的可以有共同觀念的概念，盡管不同的大概念在選擇和表述方面有所差異，可其最終目標(biāo)就是完成知識(shí)的整合。國(guó)內(nèi)外研究者雖然對(duì)大概念的解釋表述有所不同，但其內(nèi)涵都趨于一個(gè)共識(shí)：大概念是建構(gòu)學(xué)科知識(shí)體系的、能夠解釋較大范圍內(nèi)的一系列相關(guān)現(xiàn)象的核心概念。

大概念的提出和研究最初是在科學(xué)領(lǐng)域開(kāi)始的。2003年，威金斯和麥克泰在《理解力培養(yǎng)與課程設(shè)計(jì)：一種教學(xué)和評(píng)價(jià)的新實(shí)踐》中提出24個(gè)科學(xué)大概念[7]，其中有五個(gè)是與物理學(xué)相關(guān)的大概念：

1）物質(zhì)是由原子組成的；

2）凈力是使物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變的原因；

3）能量有不同的形式但總保持總量恒定；

4）在物理變化和化學(xué)變化中質(zhì)量和能量保持恒定；

5）波能傳輸能量。

2009年10月，來(lái)自墨西哥、智利、中國(guó)、加拿大、美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)的10位IAP-IBSE專家委員會(huì)的專家聚集在蘇格蘭的羅斯湖畔，召開(kāi)一次關(guān)于探究式科學(xué)教育的國(guó)際研討會(huì)。會(huì)中，專家討論選擇出14個(gè)交叉學(xué)科概念作為整合科學(xué)知識(shí)的大概念，其中有四個(gè)是與物理學(xué)相關(guān)的大概念[8]：

1）宇宙中所有的物質(zhì)都是由很小的微粒構(gòu)成的；

2）物體可以對(duì)一定距離以外的其他物體產(chǎn)生作用；

3）改變一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要有凈力作用于其上；

4）當(dāng)物體發(fā)生變化或改變時(shí)，會(huì)發(fā)生能量的轉(zhuǎn)化，但是在宇宙中能量的總量總是不變的。

與上述威金斯和麥克泰提出的五個(gè)與物理相關(guān)的大概念相比，這四個(gè)大概念是迄今為止所有文獻(xiàn)中最為直接與物理相關(guān)的大概念，暫且稱之為四個(gè)物理大概念。

2? 物理大概念與物理觀念

筆者對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于大概念的文獻(xiàn)進(jìn)行綜合考量，尤其是以2009年發(fā)表的《科學(xué)教育的原則和大概念》提出的四個(gè)物理大概念為落腳點(diǎn)，對(duì)照新課標(biāo)中物理學(xué)科核心素養(yǎng)中物理觀念維度的內(nèi)涵，厘清物理大概念和物質(zhì)觀念之間的內(nèi)在聯(lián)系。

1）“宇宙中所有的物質(zhì)都是由很小的微粒構(gòu)成的”，描述的是物質(zhì)結(jié)構(gòu)，是關(guān)于物質(zhì)的大概念，對(duì)應(yīng)的是物理觀念中的物質(zhì)觀。

2）“物體可以對(duì)一定距離以外的其他物體產(chǎn)生作用”，描述的是場(chǎng)的基本性質(zhì)，因此也是關(guān)于物質(zhì)的大概念，對(duì)應(yīng)的也是物理觀念中的物質(zhì)觀。

3）“改變一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)需要有凈力作用于其上”，描述的是物體與物體之間的相互作用和物體的運(yùn)動(dòng)，是關(guān)于運(yùn)動(dòng)與相互作用觀的大概念，對(duì)應(yīng)物理觀念中的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀。

4）“當(dāng)物體發(fā)生變化或改變時(shí)，會(huì)發(fā)生能量的轉(zhuǎn)化，但是在宇宙中能量的總量總是不變的”，描述的是能量守恒，能量的轉(zhuǎn)化同時(shí)伴隨著做功，其中包含著功能關(guān)系的轉(zhuǎn)化，是關(guān)于能量的大概念，對(duì)應(yīng)物理觀念中的能量觀。

因此，物理核心素養(yǎng)中物理觀念中的物質(zhì)觀、相互作用與運(yùn)動(dòng)觀、能量觀實(shí)際上就是整個(gè)高中物理學(xué)科體系的三個(gè)最核心的大概念。物理大概念與物理觀念的對(duì)照關(guān)系如表1所示。

3? 基于物理大概念的高中電磁學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化分析

電磁學(xué)是研究電、磁和電磁相互作用現(xiàn)象及其規(guī)律和應(yīng)用的，是高中物理的重要部分，主要包括電場(chǎng)、恒定電流、磁場(chǎng)、電磁感應(yīng)等，內(nèi)容多且彼此之間聯(lián)系緊密。

普萊斯頓·D.費(fèi)德恩[9]認(rèn)為：核心概念是一種教師希望學(xué)生理解并能在忘記其非本質(zhì)信息或周邊信息之后仍能應(yīng)用的陳述性知識(shí)。而從所處學(xué)科知識(shí)體系當(dāng)中的位置來(lái)說(shuō)，核心概念是那些在知識(shí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中處于重要節(jié)點(diǎn)位置的概念。高中電磁學(xué)部分的核心概念有電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電流和電磁感應(yīng)。在厘清物理大概念內(nèi)涵及其與物理觀念關(guān)系的基礎(chǔ)之上，結(jié)合新課標(biāo)要求，按照大概念、核心概念與一般概念之間的關(guān)系，梳理出高中物理電磁學(xué)部分的結(jié)構(gòu)圖示，如圖1所示。

本框架圖旨在說(shuō)明以物理學(xué)科大概念物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量為統(tǒng)領(lǐng)的電磁學(xué)部分結(jié)構(gòu)體系，其中電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電流、電磁感應(yīng)是在物理學(xué)科大概念統(tǒng)領(lǐng)下的四個(gè)與電荷相關(guān)的核心概念。圍繞中心磁場(chǎng)展開(kāi)構(gòu)思，傳達(dá)的是場(chǎng)這個(gè)物質(zhì)的存在，體現(xiàn)的是物理觀念中的物質(zhì)觀；電流是運(yùn)動(dòng)電荷的宏觀表現(xiàn)，體現(xiàn)的是物理觀念中的運(yùn)動(dòng)觀，其中電荷在磁場(chǎng)、電場(chǎng)中受力體現(xiàn)的是相互作用觀，統(tǒng)稱為運(yùn)動(dòng)與相互作用觀；電磁波指向能量是指空間中的電能和磁能以電磁波的形式傳播，電磁感應(yīng)指向能量是指在磁生電的過(guò)程中產(chǎn)生的感應(yīng)電流，而感應(yīng)電流在磁場(chǎng)中受安培力的作用，因此要維持安培力存在，必須有外力克服安培力做功，在這個(gè)過(guò)程中功能轉(zhuǎn)化關(guān)系是其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能，這兩個(gè)過(guò)程均體現(xiàn)的是物理觀念中的能量觀。

通過(guò)圖1所示框架結(jié)構(gòu)圖，單元核心概念、物理學(xué)科大概念與單元其他概念之間的邏輯關(guān)系可以比較清晰地呈現(xiàn)出來(lái)。

4? 結(jié)束語(yǔ)

物理結(jié)構(gòu)化是物理知識(shí)體系的建構(gòu)，主要包括不同范疇知識(shí)模塊的內(nèi)在邏輯關(guān)系體系，是物理學(xué)科內(nèi)容各組成部分之間相互聯(lián)系、相互制約的組織關(guān)系[10]。基于大概念的高中電磁學(xué)結(jié)構(gòu)化研究對(duì)學(xué)生頭腦中概念認(rèn)知結(jié)構(gòu)的建立具有重要意義。

1）有利于學(xué)生明確物理觀念內(nèi)涵，實(shí)現(xiàn)知識(shí)到觀念的升華，引導(dǎo)教師在設(shè)計(jì)教學(xué)和實(shí)施過(guò)程中真正以大概念理念為指導(dǎo)，走出單純傳授給學(xué)生知識(shí)點(diǎn)的舒適圈，真正幫助學(xué)生形成整合內(nèi)化知識(shí)點(diǎn)后升華為物理視角的觀念。

2）有助于形成整體觀念和知識(shí)遷移，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)物理觀念普適性的理解。近年來(lái)，很多學(xué)者相繼提出少而精的大概念，與課改的要求吻合。教師用輻射狀的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)使內(nèi)容結(jié)構(gòu)更加嚴(yán)密，利用少而精的大概念可以解決現(xiàn)實(shí)社會(huì)的綜合性問(wèn)題，成為學(xué)生的腳手架。

新課改要求著力發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，這是教師的工作方向和重心。基于大概念對(duì)電磁學(xué)部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分析，不僅可以實(shí)現(xiàn)知識(shí)瘦身和學(xué)生減負(fù)，還可以更直觀地幫助學(xué)生理解物理觀念，進(jìn)一步提升學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)，提高學(xué)校的育人質(zhì)量。

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