基于主题核心概念学习进阶的高中物理教材重构

周栋梁

摘 要：在高中物理教学中，围绕某一课时的教学设计会造成学生在知识理解上只见“树木”，不见“森林”，而基于主题核心概念的教学设计能有效促进学生对核心概念的整体理解.

关键词：主题核心概念；学习进阶；教材重构

教师在实施课程的过程中往往要进行教材的重构，在实践中，对教材的重构大多基于微观层面，即教师基于教材某一课时的理解和领悟进行个性化的演绎，而很少基于中观层面进行，其原因在于缺乏合适的架构组织来统领若干具体概念的建构过程，从而造成学生在知识理解上只见“树木”，不见“森林”.

一、核心概念的层次模型及其学习进阶

近年来，有关核心概念及其学习进阶逐渐成为全球科学教育领域的研究热点.

关于核心概念及其学习进阶，虽然我国科学教育界已从介绍国外研究成果逐渐转向本土化研究，但在科学概念层次模型这一最基本问题上却不尽相同[1][2].在本文中，基于张玉峰先生构建的层次模型[3]4进行实践研究.为直观起见，我们用图1表示其层次模型及其对应的组织架构关系.

关于学习进阶，主要有两个研究取向：一是基于课程论视角，认为学习进阶是符合学生发展规律的概念序列，其研究取向是对核心概念的学习序列进行宏观规划；二是基于教学论视角，认为学习进阶是描述学生的学习路径，是“学习者认知发展过程中用以‘踏脚的具体的‘脚踏点”，其研究取向是对具体“脚踏点”进行优化设计.显然，二者虽然研究取向不同，却相辅相成，因为“仅有路径还不足以提供学习者认知发展的支撑，需要寻找学习者每一次进步的‘脚踏点，以此帮助学习者发展和完善原有的认知结构，顺利构建有意义的认知”[4].

二、围绕核心概念进行教材重构的理性思考

综观图1所示的核心概念组织架构关系，在教学内容规划时有三种取向：一是围绕学科核心概念的课程层面上教材内容规划，它一般属于课程专家的研究范畴；二是围绕某个重要概念、基础概念的微观处理；三是介于二者之间的主题核心概念这一中观层面上的内容规划.由于主题核心概念是联系学科核心概念与重要概念的桥梁，这样，围绕主题核心概念的教材重构，向上可以契合学科核心概念的学习序列，向下可联系起学生思维过程.因此，基于主题核心概念学习进阶的教材重构，是中观教学设计中非常合适的切入方式.

基于主题核心概念学习进阶的教材重构，首先涉及主题核心概念“颗粒度”大小的选取，因为如果“颗粒度”太小，将不利于学生对核心概念的整体理解和领悟；而“颗粒度”太大以至跨越多个学段，则很难构建起学生有所感悟的进阶路径，同样不能有效促进学生对核心概念的整体理解和领悟.例如，对于“运动与相互作用”的解构，一般按图2方式进行，其主题核心概念分别为“机械运动”“相互作用”“牛顿运动定律”[3]6.显然，在图2所示的组织架构关系中，主题核心概念的“颗粒度”大小不一，其中“机械运动”的“颗粒度”太大，即使将其进一步解构成“运动描述”“直线运动”“曲线运动”，其“颗粒度”仍远大于“牛顿第一定律”等重要概念.另外，对于“相互作用”的理解也仅局限于狭义上的力的相互作用，实际上，广义的相互作用还包括系统内的动量交换.因此，基于图2的主题核心概念架构关系很难构建最佳的进阶路径.

基于上述思考，建议在对学科核心概念解构时，将主题核心概念进行分级，力求进入教学设计视野的主题核心概念“颗粒度”大小适中.现仍以“运动与相互作用”的解构为例，先将其解构为图3虚线框Ⅰ中“机械运动”“运动与力”和“动量及其守恒定律”三个一级主题核心概念，再对一级主题核心概念解构为虚线框Ⅱ中诸如“运动描述”“直线运动”等“颗粒度”基本相当的二级主题核心概念.事实上，教材编写已经从某种意义上考虑主题核心概念的“颗粒度”大小问题.

主题核心概念的进阶路径不是单个重要概念进阶路径的简单叠加，因为重要概念间的关联方式既是知识结构的重要组成部分，也是促进知识结构化的重要途径.因此，只有将它们间的关联方式放在系统的高度去统筹规划，才能围绕进阶层级设计出最优化的进阶路径.

关于重要概念间的关联方式，一般有内外之分，其中有关重要概念间的层次关系、概念属性以及建立过程间的逻辑关系属于内在关联方式，而蕴含重要概念的建立、应用的结构化主题则属于一种外在的关联方式.基于主题核心概念学习进阶的教材重构，不仅需要对内在关联方式进行优化重组，同样需要重视结构化主题情境这种外在关联方式的构建，以便学生基于情境获得知识、应用知识，从而丰富其认知结构.

综上所述，基于主题核心概念学习进阶的教材重构，追求的不是每个重要概念的优化设计，而是基于中观层面构建重要概念间的最佳关联方式，达到统筹规划教学目标、教学内容、教学过程，以便构建最佳的进阶路径.

三、围绕主题核心概念教材内容重构的实践

基于主题核心概念学习进阶的教材重构，其主题核心概念既可以是一级主题核心概念，也可以是二级主题核心概念.在本文中，以主题核心概念“匀变速直线运动”为例进行中观层面上的教材重构，期望能抛砖引玉.

（一）“匀变速直线运动”的组织架构关系

对于主题核心概念“匀变速直线运动”，其组织架构关系如图4所示.综观五个重要概念，匀变速直线运动位移与时间关系的建构毫无疑问居于其核心地位，至于主题核心概念“匀变速直线运动”学习进阶构建，高中物理课程标准明确提出：“经历匀变速直线运动的实验研究过程，体会实验在发现自然规律中的作用.”

（二）教材分析

综观人教版教材内容体系，正是按此架构关系进行内容组织，并通过实验探究小车的速度随时间变化，较好地体现了课程标准的要求.需要指出的是，教材对于匀变速直线运动位移与时间关系的内容组织，虽然是从数、形两个角度进行，但它们并非对应同一问题的双重表征，因而不能有效实现迷思概念“图像被分割成矩形数目越多，其小三角形也越多，因而无数多个小三角形面积之和不应为0”的转变，而这恰恰是学生体验微元思想的关键.为此，需要教师重构体验的“脚踏点”.

关于自由落体运动的安排上，教材秉承了其一贯风格，即视其为匀变速直线运动的特例，但新增加了“伽利略对自由落体运动的研究”一节内容，充分关注到课程标准对于自由落体运动研究的重视.但必须指出的是，由于教材将自由落体运动定位在规律的应用上，学生没有经历自由落体运动的探究过程，因而造成了学生对伽利略研究思想体会上流于形式.

（三）教材重构建议

基于上述分析，为构建最佳的进阶路径，建议对教材内容按下述方式重构：一是对教材内容的顺序进行调整，具体方式是把“自由落体运动”及其“伽利略对自由落体运动的研究”调整至章首；二是对“自由落体运动”的内容组织及其呈现方式进行重构，让学生真正经历自由落体运动的探究过程，促进学生对伽利略研究思想体会，构建起匀变速直线运动规律进阶的“脚踏点”；三是对“匀变速直线运动位移与时间的关系”中的有关微元思想内容进行置换，构建切实有效的思想体验“脚踏点”.出于篇幅考虑，本文着重探讨“自由落体运动”和“匀变速直线运动位移与时间关系”的重构方式.

1.关于“自由落体运动”的重构建议

基于上面分析，在对此节内容进行重构时，首先将研究课题重构为“实验：探究自由落体运动规律”，具体内容如下.

【活动1】自由落体运动模型的建立

请同学们按以下要求进行小实验，并就其中问题进行讨论.

实验1：将一张纸、一个粉笔头两个物体，由同一高度同时释放，观察实验现象.

实验2：将上面的纸揉成纸团，并与粉笔头由同一高度同时释放，观察实验现象.

总结影响重物下落的主要因素，猜测在没有空气阻力情况下，不同重物自由下落时的运动情况？说明你猜测的依据.

【活动2】实验方案设计及其测量

设计探究重物自由下落速度、位移与时间关系的实验，并将测量数据记录在表格中（表格略）.

方案设计要点：如何选取重物，使其下落过程中可近似认为仅受重力作用？

实验操作要点：如何进行实验操作，使重物下落的初速为0？

【活动3】实验数据处理及自由落体运动规律的探究

运用Excel处理v-t、x-t实验数据，探究自由落体运动速度、位移与时间的关系.

点评：在上述内容重构中，其内容组织对应于“伽利略对自由落体运动的研究”思路呈现方式上没有给出具体结论，因而学生真正经历了自由落体运动的探究过程，既体现了课程标准对于实验探究方面的要求，又有效促进学生对于伽利略的研究思想的体会.

【活动4】自由落体运动规律的应用及规律的再探究

例题 物体做自由落体运动，重力加速度g=10m/s2，则①求第1秒、第2秒末物体的速度，并在方格纸上画出物体的v-t图像.②物体自下落起第1秒内和第2秒内的位移为多少？③计算图像与轴所围的“面积”，你能发现什么规律？

点评：本活动的设计，不仅仅体现在自由落体运动规律的应用上，更重要的是引导学生“发现”规律——“所围面积等于重物的位移”，实现从“数”“形”两个层面表征自由落体运动规律，从而在为学生体会伽利略的研究思想构建思维台阶的同时，也为探究“匀变速直线运动位移与时间的关系”构建了坚实的“脚踏点”.

2.关于“匀变速直线运动位移与时间的关系”的重构建议

关于“匀变速直线运动的位移与时间的关系”，一直是教学设计和教材编写的难点，体现在教材对其内容呈现方式的多次变更.在教学实践中，我们按下述方式重构，取得了较好的教学效果.

【活动1】实际问题

汽车在平直公路上以v0=10m/s的速度行驶，驾驶员在离红绿灯标志线23m处发现还有2s绿灯将变为红灯，于是他作出反应，使汽车以a=2m/s2的加速度加速，试判断汽车是否会闯红灯？

点评：借助实际问题，有效激发了学生探究的热情，体现“从生活走向物理，从物理走向社会”的课程理念.同时，适当变换其条件，又可作为“匀变速直线运动位移与速度关系”的实际问题情境，从而用结构化的学习主题把两个重要概念有机地联系起来.

【活动2】匀变速直线运动位移与时间关系的猜测

观察下表，你能作出何种猜测？能否依据自由落体运动规律的两种表征方式说明你猜测的依据？

点评：上述重构方式中，借助样例学习，引导学生运用类比方法进行猜测，并用自由落体运动规律的图像表征初步检验，有效降低了学生学习的思维台阶.

【活动3】微元思想的数形体验

在对匀变速直线运动位移与时间关系进行猜测后，可构建如下的问题链，让学生进一步体会微元思想.

问题1：在直角梯形ABCD中，AB=a，CD=2a，BC=d作中位线EF，过A、E点作EF、CD的垂线交于A1、E1点（见图5），试计算矩形AA1FB、EE1CF面积之和S1与梯形ABCD面积S之比.

问题2：如图6所示，作梯形AEFB、EDCF的中位线GH、LI，并按上述方法作矩形AA1HB、GG1FH、EE1IF、LL1CI，试计算其面积之和S2与S之比.

点评：在上述内容重构中，把教材中分立的数形体验极限思想重构为对同一问题的数形结合体验，特别是引入的估算（注：此种情况下n≈100），使得学生的体验更为深刻，从而有效化解了一直困扰教材、教师的难题.

【活动4】匀变速直线运动位移与时间关系及其应用

由图像意义推导出匀变速直线运动位移与时间关系的解析式，然后探讨实际问题的解决方法，实现学以致用，具体过程略.

综上分析，主题核心概念学习进阶视野下“匀变速直线运动”的重构，是基于系统论视角重新审视教材的内容体系，并通过自由落体运动教学顺序的调整来调适系统结构，重构重要概念间的关联方式；通过对自由落体运动、匀变速直线运动的位移与时间关系内容组织及其呈现方式的重构，调适其教学功能，实现各重要概念的建立过程有机联系，构建了主题核心概念的最佳进阶路径.

参考文献：

[1]林雪敏.核心概念的确立原则及教学策略初探[J].中学物理教学参考，2015（11）：7.

[2]张颖之，刘恩山.科学教育中科学内容知识的结构[J].课程·教材·教法，2013（10）：47.

[3] 张玉峰，郭玉英.科学概念层次分析：价值、变量与模型[J].物理教师，2015（11）.

[4]翟小铭，郭玉英，李敏.构建学习进阶：本质问题与教学实践策略[J].教育科学，2015（4）：48.