基于物理學(xué)科大概念的教學(xué)設(shè)計(jì)研究

戴毅新　柳璐

美國教育心理學(xué)家布魯納強(qiáng)調(diào)，無論教師教授哪類學(xué)科，一定要使學(xué)生理解該學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)，幫助和引導(dǎo)學(xué)生解決課堂內(nèi)外所遇到的各類問題。掌握事物的基本結(jié)構(gòu)，就是以允許許多別的東西與它有意義地聯(lián)系起來的方式去理解它，學(xué)習(xí)這種基本結(jié)構(gòu)就是學(xué)習(xí)事物之間是怎樣相互關(guān)聯(lián)起來的。教師掌握學(xué)科的基本概念架構(gòu)，有助于學(xué)生對學(xué)科知識的記憶保留，并促進(jìn)學(xué)習(xí)的遷移。

大概念可以是抽象的概括，學(xué)生對其深入的理解可以遷移到具體事物、現(xiàn)象中。大概念理念下的教學(xué)，學(xué)生要經(jīng)歷大概念形成的過程，并深入理解學(xué)科大概念，將對大概念的理解遷移到其他知識的學(xué)習(xí)中，從而達(dá)到終身學(xué)習(xí)的目的。

一、明確大概念，形成知識框架

大概念的形成不是一蹴而就的，而是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。大概念不是具體的事實(shí)也不是具體的現(xiàn)象，而是在大量事實(shí)、實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)象上抽象出來并具有客觀性的規(guī)律或者公理。對于初中學(xué)生來說，抽象思維還在形成階段，所以學(xué)生很難直接提取和理解學(xué)科中包含的大概念。所以，在教學(xué)過程中，教師要從學(xué)生所熟悉的客觀事實(shí)出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生形成一些好概括、便于理解的小概念。在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生抽象出具有抽象性、概括性的大概念。這樣的過程符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)。大概念形成后，學(xué)生需要進(jìn)行深入理解，需要利用大概念去解釋支撐大概念的現(xiàn)象、事物，同時(shí)還要從大概念出發(fā)，解釋其他相關(guān)聯(lián)的事物或者現(xiàn)象。

在進(jìn)行教學(xué)之前，教師需要分析教學(xué)內(nèi)容。教材內(nèi)容的編排反映了學(xué)科課程的教學(xué)思路。教材單元的安排體現(xiàn)了教學(xué)重點(diǎn)與教學(xué)內(nèi)容之間的聯(lián)系。教學(xué)內(nèi)容以單元為載體，為教學(xué)提供了知識連接的大框架，教師可以按照單元之間的聯(lián)系引導(dǎo)學(xué)生構(gòu)建學(xué)科的大概念。大概念明確后，教師可以大概念為知識框架核心，將教學(xué)內(nèi)容有序地進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成網(wǎng)狀的知識框架。

以“牛頓第一定律”的教學(xué)為例，本節(jié)課的重點(diǎn)是讓學(xué)生理解“力不是維持物體運(yùn)動的原因，而是改變物體運(yùn)動的原因”。牛頓第一定律解釋了物體不受力時(shí)的狀態(tài)，而力與物體狀態(tài)之間的關(guān)系更能全面、客觀地闡述物體狀態(tài)改變的實(shí)質(zhì)。所以，筆者認(rèn)為，“牛頓第一定律”的大概念應(yīng)是“力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因”（如圖1）。

二、依托大概念，細(xì)化相關(guān)小概念

學(xué)生對大概念的理解是建立在對具體的事實(shí)和知識點(diǎn)理解基礎(chǔ)上的。所以，在教學(xué)設(shè)計(jì)中教師需要引導(dǎo)學(xué)生從學(xué)科本質(zhì)角度去理解客觀的事實(shí)、現(xiàn)象等，這樣能夠促使學(xué)生從具體的事實(shí)、現(xiàn)象中去概括，形成能夠反映學(xué)科本質(zhì)的大概念。其中具體的事實(shí)、現(xiàn)象可以看成是支撐大概念的小概念。

小概念可以是具體的實(shí)驗(yàn)、實(shí)例或者物理概念等。小概念既包括教學(xué)內(nèi)容中涉及的，又包括輔助學(xué)生理解大概念的客觀事實(shí)。學(xué)生對于小概念的認(rèn)知和掌握是抽象出大概念和理解大概念的重要前提。力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因，學(xué)生對于這個(gè)抽象內(nèi)容的理解是有一定難度的。所以，教師要從實(shí)驗(yàn)和大量的物理現(xiàn)象出發(fā)，讓學(xué)生先有直觀的感受。小概念不可能將學(xué)科所有信息全部呈現(xiàn)出來，所以，教師需要選擇與大概念有著緊密聯(lián)系的內(nèi)容。教學(xué)情境的創(chuàng)設(shè)要隱含新知的基本要素，還要與學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。布魯納指出，“讓學(xué)習(xí)者和知識產(chǎn)生聯(lián)系的方法是讓個(gè)人的想法同客體、經(jīng)驗(yàn)或其他學(xué)習(xí)者的先有概念進(jìn)行直接對質(zhì)。”引導(dǎo)學(xué)生產(chǎn)生新知的情境也是輔助學(xué)生形成大概念的有效方法。筆者認(rèn)為，情境的設(shè)計(jì)要有針對性、整體性，這樣有利于教師的引導(dǎo)，也有利于學(xué)生更容易地發(fā)現(xiàn)新知。在設(shè)計(jì)的情境不能避免內(nèi)容的繁瑣時(shí)，教師還需要引導(dǎo)學(xué)生將情境中的內(nèi)容進(jìn)行概括。

牛頓第一定律中的小概念由兩部分組成，分別是力學(xué)部分概念和運(yùn)動描述涉及的概念。其中，力學(xué)基礎(chǔ)概念有：力是物體間的相互作用、物體間粗糙程度對阻力大小的影響。運(yùn)動描述涉及的基礎(chǔ)概念有：機(jī)械運(yùn)動，用速度、方向描述物理的運(yùn)動狀態(tài)；涉及的進(jìn)階概念有：平衡態(tài)（如圖2）。

在明確大概念和教學(xué)過程中涉及的小概念后，教師要有意識地引導(dǎo)學(xué)生自主構(gòu)建大概念。在教學(xué)過程中，學(xué)生首先需要對小概念進(jìn)行學(xué)習(xí)。教師需要對學(xué)情進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的教學(xué)過程，讓學(xué)生對每個(gè)小概念都能充分理解，也就是對每個(gè)具體知識進(jìn)行掌握。當(dāng)然，教師要有意識地滲透大概念的形成方法，需要有序引導(dǎo)學(xué)生思考，幫助學(xué)生理解每個(gè)具體知識之間的關(guān)系。在學(xué)生掌握、理解具體的知識點(diǎn)后，教師要引導(dǎo)學(xué)生分析其中的共同點(diǎn)，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生自主從眾多小概念中提煉出大概念（如圖3）。

三、實(shí)踐大概念，實(shí)施教學(xué)設(shè)計(jì)

【教材分析】牛頓第一定律是教材八年級下冊第八章“運(yùn)動和力”的第一節(jié)內(nèi)容。本章將力和運(yùn)動的內(nèi)容聯(lián)系起來，為學(xué)生以后深入認(rèn)識運(yùn)動狀態(tài)相關(guān)問題提供理論基礎(chǔ)。本章的大概念是力與運(yùn)動的關(guān)系，也就是力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因。

初中階段，學(xué)生接觸到的只是牛頓第一定律，到了高中，學(xué)生就會系統(tǒng)學(xué)習(xí)牛頓第二定律。牛頓第二定律的內(nèi)容為：物體的加速度跟物體所受的合力外力F成正比，跟物體的質(zhì)量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同，即F=ma。從牛頓第二定律的內(nèi)容上看，是在描述非平衡態(tài)時(shí)的力與運(yùn)動。當(dāng)物體的速度大小、方向改變時(shí)，一定是非平衡力的。所以，讓學(xué)生充分理解力與運(yùn)動的關(guān)系有利于其以后的學(xué)習(xí)。不難看出，大概念的構(gòu)建有利于學(xué)生的后續(xù)學(xué)習(xí)。

【學(xué)情分析】學(xué)生通過之前的學(xué)習(xí)已掌握了機(jī)械運(yùn)動的定義、速度的相關(guān)知識、勻速直線運(yùn)動的模型以及力是物理間的相互作用等知識。物體間的相互作用和機(jī)械運(yùn)動是兩個(gè)相對獨(dú)立的模塊，本節(jié)課就是通過分析處于不同運(yùn)動狀態(tài)下物體的受力去探究力與運(yùn)動的關(guān)系。

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

1.通過實(shí)驗(yàn)，理解阻力對物體運(yùn)動的影響。

2.經(jīng)歷牛頓第一定律的建立過程，理解牛頓第一定律的內(nèi)容。

3.通過分析生活中常見的現(xiàn)象、受力情況和相應(yīng)的運(yùn)動狀態(tài)，更好地理解力與運(yùn)動的關(guān)系。

【教學(xué)設(shè)計(jì)】

1.物體運(yùn)動狀態(tài)的描述

師：我們怎樣去描述物體的運(yùn)動呢？

師：圖4中，蘇炳添和其他運(yùn)動員的運(yùn)動狀態(tài)一樣嗎？請說出你的原因。

生：不一樣，因?yàn)樘K炳添跑得快。

師：運(yùn)動的快慢我們用什么物理量來描述呢？

生：速度的大小。

師：神舟飛船繞著地球轉(zhuǎn)動（如圖5），飛船的運(yùn)動軌跡可以近似看成一個(gè)速度大小不變的圓周運(yùn)動。請同學(xué)們思考，飛船的運(yùn)動狀態(tài)是否發(fā)生改變？

生：我覺得它的速度沒變，所以它的運(yùn)動狀態(tài)就沒變。

師：請同學(xué)們思考，飛船的運(yùn)動和蘇炳添的運(yùn)動除了速度大小不同，還有什么不同呢？

生：蘇炳添是沿直線運(yùn)動的，飛船的運(yùn)動不是直線而是曲線。

師：那飛船的運(yùn)動狀態(tài)是否發(fā)生改變？

生：發(fā)生了，因?yàn)樗乃俣确较蛞恢痹诟淖儭?/p>

師：請同學(xué)們歸納一下，當(dāng)我們研究物體的運(yùn)動狀態(tài)時(shí)，需要考慮哪些方面呢？

生：物體的速度大小還有方向。

師：同學(xué)們總結(jié)得非常好。請繼續(xù)思考，什么情況下我們就說運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生了改變呢？

生：物體的速度大小發(fā)生改變或者速度方向發(fā)生改變，再或者兩者同時(shí)發(fā)生改變。

【設(shè)計(jì)目的】從學(xué)生熟悉的短跑和飛船的運(yùn)動狀態(tài)入手，分析不同物體運(yùn)動狀態(tài)之間的區(qū)別，逐步分析出物體運(yùn)動狀態(tài)描述的是速度大小和速度方向兩個(gè)方面，為后面分析運(yùn)動狀態(tài)是否改變打下基礎(chǔ)。

2.平衡態(tài)的描述

師：請同學(xué)們思考，如果物體的運(yùn)動狀態(tài)不發(fā)生改變，物體會處于什么狀態(tài)呢？

生：如果物體的速度大小不變，速度方向不變，物體會沿著直線以一個(gè)速度運(yùn)動。

師：物體以相同的速度沿一個(gè)方向運(yùn)動，我們把這樣的運(yùn)動叫做勻速直線運(yùn)動。除了勻速直線運(yùn)動，物體還會處于什么狀態(tài)呢？

生：靜止。因?yàn)槲矬w的速度還可能為0。

師：我們把運(yùn)動狀態(tài)不發(fā)生改變的狀態(tài)稱為平衡態(tài)，即勻速直線運(yùn)動狀態(tài)和靜止?fàn)顟B(tài)。

【設(shè)計(jì)目的】平衡態(tài)就是運(yùn)動狀態(tài)不發(fā)生改變。學(xué)生通過前面的學(xué)習(xí)，已經(jīng)知道物體的運(yùn)動狀態(tài)需要從速度的大小和速度方向兩方面考慮。教師引導(dǎo)學(xué)生思考當(dāng)物體同時(shí)滿足速度大小和速度方向都不改變時(shí)運(yùn)動狀態(tài)會是怎樣的，這樣可以加深學(xué)生對運(yùn)動狀態(tài)改變或者不改變的理解，有利于學(xué)生對本節(jié)課大概念的理解。設(shè)計(jì)符合學(xué)生學(xué)情的一系列學(xué)習(xí)活動可以幫助學(xué)生達(dá)成學(xué)習(xí)目標(biāo)。設(shè)計(jì)問題的連貫性需要符合學(xué)生的思維特點(diǎn)，在物理教學(xué)過程中，物理實(shí)驗(yàn)是必不可少的，物理實(shí)驗(yàn)是學(xué)生經(jīng)歷概念形成的重要因素，使物理過程具體化。所以，問題的設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)是教學(xué)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3.演示與觀察：不同阻力對相同物體運(yùn)動狀態(tài)的影響

師：怎樣能夠保證物體在圖6的三次實(shí)驗(yàn)中到斜面底部時(shí)有相同的運(yùn)動狀態(tài)？

生：讓同一個(gè)小車，從同一斜面、同一高度，由靜止自由下滑。

師：怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)可以讓物體所受阻力不同？

生：在水平面上放上粗糙程度不同的平面。

師：阻力對物體運(yùn)動狀態(tài)的影響體現(xiàn)在哪？小車運(yùn)動狀態(tài)的改變相同嗎？為什么？

生：阻力都會讓小車停下來。小車運(yùn)動狀態(tài)的改變是相同的，因?yàn)樵谛泵娴锥擞邢嗤倪\(yùn)動狀態(tài)，最后都靜止了，所以運(yùn)動狀態(tài)的改變是相同的。

師：實(shí)驗(yàn)中需要觀察什么來體現(xiàn)阻力對物體運(yùn)動狀態(tài)的影響？

生：小車走多長距離才能讓它停下來。

【設(shè)計(jì)目的】學(xué)生需要觀察實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行科學(xué)推理。一系列的預(yù)設(shè)問題能幫助學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)中的細(xì)節(jié)。在設(shè)計(jì)問題時(shí)，教師要有意識地強(qiáng)調(diào)不同阻力以及物體運(yùn)動狀態(tài)的描述，這樣有助于學(xué)生對小概念的理解，為后面建立“力與運(yùn)動”的大概念做好實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和思維邏輯的雙重準(zhǔn)備。

4.歸納總結(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

師：隨著阻力的減小，你們看到了哪些現(xiàn)象？說明阻力對物體運(yùn)動的影響是怎樣變化的？

生：隨著阻力的減小，物體運(yùn)動的距離越來越遠(yuǎn)，對物體運(yùn)動狀態(tài)的影響越來越小。

師：請同學(xué)們進(jìn)一步思考，如果阻力減小到零，物體的運(yùn)動狀態(tài)還會受到影響嗎？

生：不會。

師：如果沒有阻力，這個(gè)小車的運(yùn)動狀態(tài)會是怎樣的呢？

生：因?yàn)闆]有阻力，所以對小車的運(yùn)動狀態(tài)不會有影響，那么小車會一直做勻速直線運(yùn)動。

【設(shè)計(jì)目的】明確不受力，物體運(yùn)動狀態(tài)不會發(fā)生改變。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以明確力不是維持物體運(yùn)動的原因，為引出牛頓第一定律提供客觀認(rèn)知。那么，力與運(yùn)動究竟有怎樣的關(guān)系呢？這里會引起學(xué)生對于大概念的思考。

5.總結(jié)牛頓第一定律

師：請同學(xué)們思考，一個(gè)物體的運(yùn)動需不需要力的維持呢？為什么？

生：不需要，因?yàn)槲矬w不受力可以保持勻速直線運(yùn)動狀態(tài)。

師：物體不受力，除了能保持勻速直線運(yùn)動，還會有其他狀態(tài)么？

生：靜止。

師：請同學(xué)們總結(jié)一下，物體不受力會有怎樣的狀態(tài)？

生：物體不受力，v=0時(shí)，物體靜止；v≠0時(shí)，物體勻速直線運(yùn)動。

師：同學(xué)們，以上分析的內(nèi)容就是著名的牛頓第一定律的核心內(nèi)容。一切物體在沒有受到力的作用時(shí)，總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)。

師：圖7中的蘋果在下落過程中速度會越來越大，圖8中的物體在做圓周運(yùn)動，通過前面的分析，它們的運(yùn)動狀態(tài)都在發(fā)生改變，為什么會改變呢？

生：蘋果因?yàn)槭苤亓λ韵侣涞每欤瑘D8中的物體因?yàn)槭芾K子的拉力所以改變了方向。

師：請同學(xué)們總結(jié)一下，如果物體的運(yùn)動狀態(tài)發(fā)生改變，需要什么因素呢？

生：需要力。

師：力與運(yùn)動又有怎樣的關(guān)系呢？

生：物體的運(yùn)動不需要力的維持。

生：當(dāng)物體的運(yùn)動狀態(tài)需要改變時(shí)，需要力。

生：力不是維持物體運(yùn)動的原因，而是改變物體運(yùn)動的原因。

【設(shè)計(jì)目的】在教學(xué)過程中，教師要有意識地強(qiáng)調(diào)力與運(yùn)動的關(guān)系，沒有力作用時(shí)，物體的運(yùn)動狀態(tài)不發(fā)生改變。這樣，學(xué)生對牛頓第一定律的內(nèi)容會很容易接受，也為“力是改變物體運(yùn)動狀態(tài)的原因”這個(gè)大概念的理解打下基礎(chǔ)。

6.總結(jié)慣性概念

師：根據(jù)牛頓第一定律，如果物體保持了靜止或者勻速運(yùn)動狀態(tài)，能夠說明這個(gè)物體受力會是怎樣的情況呢？

生：可能不受力。

師：物體不受力，所以它沒有外界的因素，物體沒有外界的因素還能保持原來的運(yùn)動狀態(tài)不變，就說明物體本身具有保持運(yùn)動狀態(tài)不變的性質(zhì)，我們叫做慣性。所以牛頓第一定律又叫慣性定律。

師：哪些物體具有慣性呢？

生：一切物體都具有慣性，因?yàn)樗俏矬w本身的屬性。

師：慣性是物體本身具有的屬性，所以它只跟物體本身的質(zhì)量有關(guān)。

師：生活中，我們會遇上汽車突然開動時(shí)身體后仰的情況，請你用慣性的知識進(jìn)行解釋。

生：公交車突然開動時(shí)，乘客下身會隨著車一起走，上身具有慣性會保持原來的靜止?fàn)顟B(tài)，所以身體向后仰。

生：公交車突然剎車時(shí)，乘客下半身會隨著車靜止，上半身會保持原來的向前的運(yùn)動狀態(tài)，所以身體會向前傾。

【設(shè)計(jì)目的】利用慣性的知識解釋汽車啟動或者急剎車時(shí)人受慣性影響的情況，并解釋慣性在生活中的現(xiàn)象。在解釋過程中，教師要輔助學(xué)生明確受力情況。牛頓第一定律說明了物體不受力時(shí)其運(yùn)動狀態(tài)不會改變；物體運(yùn)動狀態(tài)改變了一定是受了力。所以，教師在解釋現(xiàn)象時(shí)，要明確受力情況，讓學(xué)生自己去得出“力是改變物體運(yùn)動的原因”這個(gè)大概念，為以后具體學(xué)習(xí)牛頓第二定律或者解釋生活中的現(xiàn)象提供思維基礎(chǔ)和理論基礎(chǔ)。

在大概念教學(xué)中，學(xué)生能夠掌握事物的基本結(jié)構(gòu)，為終身學(xué)習(xí)提供了學(xué)科基本體系。大概念教學(xué)強(qiáng)調(diào)的是對事實(shí)、現(xiàn)象的深入理解，在學(xué)習(xí)具體知識后，讓學(xué)生能夠理解學(xué)科的基本框架，這樣也有助于他們自主學(xué)習(xí)相關(guān)的課程。

（責(zé)任編輯：楊強(qiáng)）