大概念統領的初中物理概念體系建構探索

收稿日期：2023-08-11

基金項目：昆明市教育科學研究“十四五”規(guī)劃第一批一般課題“大概念統領的初中物理電學大單元教學研究”（JY2021038）；云南省教育科學規(guī)劃項目“基于學習進階的初中物理大單元設計與教學策略研究”（BE22107）。

作者簡介：董振邦（１９６８-），男，正高級教師，云南省特級教師，主要從事中學物理教學研究。

摘" "要：科學教育需要減負提質，大概念統領的初中物理概念體系建構有助于促進知識結構化，讓學生學習“少而精”的知識；可以先按照知識、模型、方法三個層面提取大概念和次級大概念，再厘清概念的層級結構以及相互關聯，建立大概念與具體概念間的聯系，并嘗試以初中物理電學為例探索大概念統領的概念體系建構。

關鍵詞：大概念；概念體系；初中物理

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A " " 文章編號：1003-6148（2024）3-0006-5

２０２３年５月教育部等十八部門聯合印發(fā)《關于加強新時代中小學科學教育工作的意見》（以下簡稱《意見》），系統部署在教育“雙減”中做好科學教育加法，支撐服務一體化推進教育、科技、人才高質量發(fā)展。《義務教育課程方案（２０２２年版）》在修訂原則中提出：進一步精選對學生終身發(fā)展有價值的課程內容，減負提質［１］。英國溫·哈倫在《以大概念理念進行科學教育》一書中提到：“科學教育不應該傳授給孩子支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實，而是應當慎重選擇一些重要的科學觀念，用恰當、生動的方法，幫助孩子們建立一個完整的對世界的理解，初步形成科學態(tài)度，掌握科學方法，了解科學精神，構建一個人健康協調發(fā)展的基礎。”［２］

《意見》的頒布將科學教育提升到了一個新的高度，再次強調了“減負提質”的要求，而新課程方案的修訂原則與大概念理念的科學教育，也都強調了應該注重讓學生學習“少而精”的知識，要著眼學生未來的發(fā)展。“少而精”的知識就需要將知識系統化、結構化。布魯納在《教學過程》一書中把“結構的重要性”提到首要位置，而學科的基本結構就是該學科的基本概念、基本原理、基本方法及其他之間的相互聯系［３］。掌握結構，就是掌握事物的聯系，掌握學科的整體。建構大概念統領的概念體系，有利于形成有層次的知識體系，是使課程內容結構化的有力抓手。

在科學教育領域，可以將一些重要的科學觀念視為大概念，建立大概念統領的概念體系可以幫助孩子們從整體的視角理解問題，以系統的觀念審視問題，是發(fā)現問題、分析問題、探索科學的重要基礎，也是便于記憶、應用、舉一反三、觸類旁通的有力杠桿，不僅可以減輕學生的學習負擔，有利于初高中銜接，也有助于學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)和未來的發(fā)展。

目前，結合教學實踐，通過對調查問卷的數據統計和分析，我們發(fā)現學生感到電學較難學習的部分主要有：電路故障、電學概念、電學計算、動態(tài)電路。學生在處理稍微復雜問題或一些實際問題時，常常會出現分析方法欠缺、思維能力不足、遷移能力欠缺的情況。通過分析，可以發(fā)現學生在概念、規(guī)律方面的理解不深入，缺乏對科學本質的理解，沒有將概念有機聯系起來，所學知識碎片化，缺少系統性。因此，在學習過程中，教師應引導學生不斷聯系前后知識，在對知識進行建構性理解的基礎上形成系統的知識體系，下面以初中物理電學內容為載體，闡述大概念統領的概念體系建構的一般過程。

１" " 大概念概述及提取

溫·哈倫在《科學教育的原則和大概念》一書中將大概念定義為“能夠用于解釋或預測較大范圍自然界現象的概念”，還指出科學大概念（ｂｉｇ ｉｄｅａｓ ｉｎ ｓｃｉｅｎｃｅ）不僅包含用于解釋自然現象的那些理論、原理和模型，還應該包括有關獲得這些理論、原理和模型的過程的大概念［４］。之后，克里斯提那·查莫斯在ＳＴＥＭ大概念中，將大概念分為內容大概念和過程大概念，內容大概念可以是概念、原理、理論、策略或者模型，過程大概念是與獲取和有效使用知識有關的智慧技能，如控制變量、觀察、解釋等［５］。此外，陳克超等提出物理學科中的大概念不是具體的概念或規(guī)律、原理等，是能統攝大量概念的，反映物理本質的少數幾個概念或思想和模型，對大量概念起著固定的聯結作用，揭示概念間的縱橫關系，使概念之間能順利地進行有效遷移，并能應用于新情境，具有較為廣泛的適用性和持久的解釋力［６］。可見，大概念可以幫助我們站在更高的視角審視問題，有助于強化思維，連接不同的知識片段，建構知識體系。

以初中物理為例，依據大概念的相關理論對大概念進行提取并分類，如表１所示。結合新課標、教材以及教學實際，從知識、模型、方法三個層面選取五個大概念和部分次級大概念以統領初中物理內容。依據克里斯提那·查莫斯對大概念的分類，知識、模型類屬于內容大概念，而方法類屬于過程大概念。在知識、模型的獲取和應用的過程中，離不開方法，兩類大概念密不可分，相輔相成。具體來看，《義務教育物理課程標準（２０２２年版）》提到物理觀念包括物質觀念、運動和相互作用觀念、能量觀念等要素，因此可以將“物質”“運動與相互作用”“能量”視為知識類的內容大概念。而克里斯提那·查莫斯將“模型”歸為內容大概念，將“控制變量法”歸為過程大概念，因此“物理模型”“科學方法”也可視為大概念。需要注意的是，大概念有著豐富的內涵及其對應的概念體系，為了便于表達，我們采用短語“物質”“運動與相互作用”“能量”“物理模型”“科學方法”作為大概念的名稱。針對初中物理電學內容，我們還可以確立物質的微觀結構、能量的轉化、理想物理模型、轉換法等次級大概念。

２" " 初中電學概念層級結構

大概念的形成并不是一蹴而就的，而是通過與其相關的大量的具體概念慢慢建構而成，這些概念是連續(xù)且有層級的，因此，確定概念的層級結構以及建立具體概念與大概念的關聯，有助于理清具體概念是以怎樣的邏輯相互聯系，理清哪些方面有助于大概念的理解，是幫助學生深入學習大概念統領的概念體系的基礎性工作。

建立初中物理電學概念層級結構，首先可以先梳理電學具體概念，找到概念之間的關聯，構成概念序列；再分析概念所存在的本質差異，這些本質差異使概念處于不同的“階”，最后以圖示的形式展現出概念的層級結構，如圖１所示。在每個層級中涉及到不同的大概念，分析并確立大概念是如何在具體概念的學習中不斷得以深化的。可以以微觀和宏觀相結合的視角，從基礎概念建立到探究物理量之間的定量關系，最后從能量的視角去描述電學的概念，形成電學概念的4個“階”，如表２所示。從電學的概念學習到生活應用，也是一種進階，因此“生活用電”可視為第５階。總的來說，前4階主要是從科學概念的本體來劃分的，而第5階是從科學概念學習（學生的認知）的角度進行劃分的，是學生從概念形成到概念應用的進階發(fā)展。

３" " 建構大概念統領的電學概念體系

每個概念層級對應著不同的大概念，而大概念也在不同的概念層級結構中得以不斷深化。下面針對幾個重要大概念來建構電學概念體系。

3.1" " “物質的微觀結構”和“運動與相互作用”

始于靜電現象，基于“物質的微觀結構”和“運動與相互作用”兩個大概念，讓學生理解“電荷”及其相互作用，理解電流形成的微觀機制，以及從微觀和宏觀結合的視角來理解影響電流的因素、理解電功的概念，這樣便使學生在知識間建立起了更為緊密的聯系，并且學會了運用微觀和宏觀相結合的學習視角，有利于知識的有效遷移，如圖２所示。

具體來說，根據初中生的認知水平，基于物質的微觀結構的教學可以讓學生更好地理解物體的帶電情況。其中，對于金屬導體，首先讓學生了解在金屬導體中自由電子可以自由移動，其定向移動可以形成電流。電流產生原因可以從微觀角度增進學生的理解，由于電源正極板帶正電荷，負極板帶負電荷，當導線將用電器和電源的正負極連接成一個閉合電路時，導線中的自由電子將在電場力作用下（初中階段可以表述為“自由電子因電荷間的相互作用而受到力的作用”）由負極經導線和用電器向正極運動而形成電流，我們把這種迫使電荷做定向移動的本領稱為電壓；但自由電子在前進的路徑上，要與原子以及正離子發(fā)生碰撞，使電子的運動受到阻礙，體現出導體對電流的阻礙作用，因此將此性質描述為電阻［７］；而電流做功的過程在微觀上是粒子在力的作用下有規(guī)則運動的過程，做功過程產生的熱量也是通過粒子間的碰撞實現的。

3.2" " 能" "量

“能量”大概念，涵蓋能量的形式、能量守恒、能量的轉移或轉化。在電路中，可以以“能量的轉化”為主線將具體概念串聯成知識體系，如圖３所示，電流做功的過程伴隨著能量的轉化，電流做了多少功，就會消耗多少電能，并轉化為其他形式的能量（內能、機械能、光能、化學能……），而能量總量保持不變，轉化成的內能對外表現為電熱，同時在能量轉化的過程中往往伴隨著效率問題。以能量的轉化為主線，厘清電功、電功率、電能、電熱、效率等概念，讓學生在學習的過程中理清概念的來龍去脈以及概念之間的關聯，深化對“能量”大概念的理解，有利于知識的系統性建構與有效遷移。

3.3" " 物理模型

結合初中物理的學科特點和學生的認知水平，可將物理模型作為一個大概念，其內涵表現為：物理模型是以各自原型為背景抽象出來的，反映特定問題或特定具體事物的結構。在研究問題時，通過建立物理模型幫助人們提出問題、解釋問題、進行預測，和他人進行思想交流，并通過與在真實世界里發(fā)現的現象進行對比的迭代過程來發(fā)展模型［８］。

物理模型可以分為模擬式物理模型和理想物理模型。在電路學習中，電路圖（模擬式物理模型）或電路模型（理想物理模型）都可以視為物理模型，我們可以借助電路圖或電路模型去分析問題和解釋現象。初中物理階段，大多數情況是使用已有的模型，在這些電路模型中，電路元件通常視為理想元件，如理想電源、理想導線、理想電壓表和理想電流表，以此進行電路分析。但當某些實際情況發(fā)生變化時，例如，電路中電壓表并聯部分斷路，使電壓表直接連入電路，此時電壓表不能視為斷路，而應該相當于一個較大電阻。因此，在遇到電路故障問題時，需要對電壓表理想模型進行修正，進而能夠更好地解釋和預測現象。此外，也需要根據實際情況建立電路模型。例如，在進行調光燈電路設計過程中，可以將小燈泡建模為純電阻，將金屬外殼建模為理想導線，通過建立滿足設計要求的電路模型進行分析，并在實踐中進行檢驗，根據實際情況對模型進行修正。

3.4" " 科學方法

科學方法可以包括學科方法和思維方法［９］，常常可以作為聯結知識的紐帶，其中，轉換法是常見的一種物理方法。轉換法是在遇到不易觀察的現象或不易測量的物理量時所采用的一種方法，可以應用在實驗和計算中，如圖４所示。

例如，在探究“電阻的大小與哪些因素有關” 實驗過程中，可以將電阻大小轉換成電流表的示數或小燈泡的亮度，這是基于對電阻概念的理解將電阻與電流或小燈泡的亮度聯系了起來；而在物理量的測量或計算中，要抓住電流Ｉ、電壓Ｕ、電阻Ｒ三個物理量，運用歐姆定律和電路特點建立物理量間的聯系，其中歐姆定律是針對同一研究對象的不同物理量（電流、電壓和電阻）之間的關系，而電路特點是針對某一物理量（電流、電壓或電阻）在系統內各部分之間的關系。此外，物理量電功Ｗ、電功率Ｐ、熱量Ｑ，也能和電流Ｉ、電壓Ｕ、電阻Ｒ建立起聯系。當電流Ｉ、電壓Ｕ、電阻Ｒ中某一物理量不易測量或在計算中缺失時，可以通過歐姆定律和電路特點實現物理量的轉換，并能運用到電功Ｗ、電功率Ｐ、熱量Ｑ的計算中。通過轉換法這一大概念［１０］，可以幫助學生建立物理量之間的聯系、物理量與實際情境的關系，使學生學會靈活處理相關的實驗和計算問題，克服困難，發(fā)展學生的思維能力。

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圖4" 轉換法圖示

4" " "結" "論

結合實踐探索，我們得到了大概念統領的初中物理概念體系建構的一般過程和基本模式，如圖５所示。

綜上所述，本文提出了大概念統領的初中物理概念體系建構的一般過程和基本模式，先基于初中物理學視角，從知識、模型、方法三個層面確立大概念，確立主要的大概念和次級大概念，并以電學為例，通過分析具體概念的層級結構以及建立大概念與具體概念之間的關聯，形成大概念統領的概念體系，可以為新課標背景下教師重構初中物理學科概念體系提供思路。在未來教學中，仍需不斷探索如何促使學生建構大概念統領的概念體系，形成物理觀念，使學生做到“知行合一、學以致用”，實現深度學習，促進核心素養(yǎng)的養(yǎng)成，助力學生未來的發(fā)展。

參考文獻：

［１］中華人民共和國教育部．義務教育課程方案（２０２２年版）［S］．北京：北京師范大學出版社，２０２２．

［２］溫·哈倫．以大概念理念進行科學教育［Ｍ］．韋鈺，譯.北京：科學普及出版社，２０１６．

［3］查有梁． 控制論、信息論、系統論與教育科學［Ｍ］．成都：四川省社會科學院出版社，１９８６.

［4］溫·哈倫．科學教育的原則和大概念［Ｍ］．韋鈺，譯.北京：科學普及出版社，２０１１．

［５］Ｃｈalmers C，Carter M，Cooper T，et al． Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ “Ｂｉｇ Ｉｄｅａｓ” ｔｏ Ａｄｖａｎｃｅ ｔｈｅ Ｔｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ Ｌｅａｒｎｉｎｇ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ａｎｄ Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ（ＳＴＥＭ）［Ｊ］． Ｉｎｔ Ｊ ｏｆ Ｓｃｉ ａｎｄ Ｍａｔｈ Ｅｄｕｃ，２０１７，１５（１）：25-43.

［６］陳克超，冉潔，戴浩．基于課程標準之高中物理大概念解讀與建構［Ｊ］．物理教師，２０２０，４１（９）：１１-14.

［７］張永瑞，周永金，張雙琦．電路分析——基礎理論與實用技術（第二版）［Ｍ］．西安：西安電子科技大學出版社，２０１１．

［８］董振邦，劉燕妮．基于大單元的初中物理模型教學探索——以“電路中的物理模型”為例［Ｊ］．中學物理，２０２３，41（１６）：３３-37.

［９］邢紅軍． 初中物理科學方法教育［Ｍ］．北京：中國科學技術出版社，２０１５.

［１０］劉燕妮，董振邦．大概念視域下轉換法在教學中的應用［Ｊ］．中學物理教學參考，２０２２，５１（２）：１０－１２.

（欄目編輯" " 趙保鋼）