基于学科核心概念的物理课程设计——俄亥俄州立大学“The World of Energy”课程简介

张 静Wildermuth Mary

·教育理论研究·

基于学科核心概念的物理课程设计
——俄亥俄州立大学“The World of Energy”课程简介

张 静1Wildermuth Mary2

（1．长江大学物理与光电工程学院，湖北荆州 434023；2．俄亥俄州立大学物理学系，俄亥俄哥伦布 43210）

从课程建设历程、课程目标、课程内容体系、课程实施形式和课程评价5个方面介绍了俄亥俄州立大学开设的“The World of Energy”课程．该课程以物理学核心概念“能量”为课程内容，关注学生概念的整合发展，以教师实验演示和学生亲身实践为主要实施形式，课程评价注重过程性评价和终结性评价相结合．

The World of Energy；核心概念；整合发展

随着科技的不断进步，物理知识的广度和深度不断延伸，为了解决“有限的学习时间和无限的学习内容”之间的矛盾，国际科学教育研究领域提出了围绕少数核心概念组织课程内容的教学理念．核心概念是组织整合某个学科自身内容的少数关键概念．［1］2012年，美国国家教育委员会（NRC）颁布的新一轮科学课程改革文件《K－12年级科学教育框架：实践、共通概念及核心概念》［2］中指出“能量”是物质科学的核心概念之一，可见“能量”概念在物质科学学习中的重要性．

近年来，研究者指出“能量”是贯穿于所有自然科学和技术科学的物理量，是所有科学概念中最基本、涉及面最广的概念之一．认识和理解能量概念对学习者建构、对科学本质的理解、提高公民的社会生活基本素养都具有重要意义．［3］但是目前国内物理学科缺乏围绕学生核心概念组织的课程，显然如何围绕学科核心概念组织课程和开展教学是一个值得研究和关注的问题，美国俄亥俄州立大学物理学系Mary教授等人开设的“The world of energy”［4］课程可值得我们借鉴参考．

1 不断完善的课程建设历程

俄亥俄州立大学开设的“The world of energy”课程建设开始于1970年，定位其特色是关注能量的应用和能量守恒等相关内容．1990年到2001年期间，得到学校教务处和物理系的资助，课程形成一系列供学生使用的课堂讲义和活动任务单，并着手开始建设教材．2011年到2012年，课程教材得到更新，并重新组织为两个学期的课程：Physics1103和Physics1104，两门课程并没有先后关系，但内容上稍有侧重，Physics1103侧重力学、电磁学和机械中的能量，Physics1104侧重光学、热学、核能和能量的来源．经过40多年的不断完善，课程已形成一整套完备的课程资源，包括自编教材、活动任务单、教学演示文档、教学实验仪器（教师演示实验和学生动手实验）、动画仿真、教学视频资源等．

2 以理解能量基本概念和解决当代世界能源问题为核心的课程目标

该门课程是仅供文科学生选修的3学分课程，每周2次课，每次课程时间为80min，其符合俄亥俄州立大学文科学生需要获得通识教育课程（General Education curriculum）对物理学科的要求．课程目标是学生能够理解在能量应用情境中的物理概念和规律；理解科学与技术的联系；理解能量相关的基本事实、理论和现代科学的方法；认识科学知识是不断发展的；能描述能量相关科学与技术发展的相互依赖关系；能在有关能量（或能源）政策、环境和自己所处位置的能量变化过程中做出合理且明智的决策；能在解决当代世界能量（或能源）相关问题时理解潜在的科学和技术问题．

3 以能量概念进阶发展为主线的课程内容体系

3．1 课程结构遵循学生认知发展规律

已有的“能量”学习进阶研究从复杂度层级理论出发，指出学生对能量的认识会从多种多样的能量形式开始，发展到对能量转换和守恒的理解，最高层级则是对能量耗散的理解．［5］该门课程在设计课程结构时，遵循了学生的认知发展规律．Physics 1104的课程结构见表1所示．

章内容1能量世界简介2力和能量3电能4热能转换5热能和微观图景6比热，潜在热量，热容7熵和热力学定律8理想气体定律和内能9热力学定律的应用1 0敏感系统和计算机建模1 1化学能和化石燃料1 2使用化石燃料的后果1 3地球作为一个能量系统1 4气候变化的原因和后果1 5质量和能量1 6电离能1 7电离辐射的后果1 8夸克和放射性碳测年法1 9使用核能的后果2 0波和光子能量2 1恒星的能量2 2太阳能的应用2 3太阳能的电力2 4能量和水2 5 风能和生物团能量2 6 节约能源

本文以Physics 1104为例说明其课程结构．该课程打破传统的按照力、热、光、电、近代物理组织的课程形式，所有课程内容均是围绕能量这一核心概念．教材前两章首先建立学生对能量形式的认识，将纷繁复杂的能量形式概括为3种类型：（1）与运动有关的能量，包括动能、热能、声能；（2）电磁能，包括电能、磁能、辐射能；（3）势能，包括重力势能、弹性势能、电势能、化学能、核能．如此分类，有利于帮助学生建立起对不同形式能量共同特征的认识，在此基础上解释说明主要形式能量之间的转化、守恒和储存，指出能量能够以各种各样的形式储存，能量转化过程中总是伴随着能量损失，因此需要提高能量转化效率，奠定了学生选择和应用各种能量的基础．其中，第3章到第25章对主要能量形式的基本概念、规律和应用进行细致讲解，包括电能、热能、内能、化学能、电离能、核能、光能、太阳能、风能、生物团能．这些能量不仅涉及物理、化学、地理、生物各学科，且从学生在中学阶段熟悉的电能、热能等开始介绍，逐渐增加认知难度，体现了跨学科、整合化、逐步进阶的能量体系．

3．2 课程内容注重能量和技术、社会、环境间的联系

课程内容在介绍基本能量概念和规律的同时，还深入探讨了各种形式能量在世界各地或美国的使用情况，及使用这些能量的后果．例如在“化学能和化石燃料”中指出化学能是当代美国主要的能源之一，并给出美国历年化石燃料使用的情况．在“使用化石燃料的后果”中让学生亲身实践感受蜡烛、酒精、打火机液、车用机油所产生的污染．在“电离辐射的后果”中让学生用放射性计数探测仪探测盐、镭、钍、烟雾报警器、瓷盘、瓷壶、钋210（α辐射材料）、锶90（β辐射材料）、钴60（γ辐射材料）以及教室墙壁等各种材料的电离辐射情况，测试纸板、铅板、铝板对不同辐射的屏蔽效果，并给出俄亥俄州各地氡气分布，让学生了解其危害和探测及防护方法．在“使用核能的后果”中指出，美国大概有9%的电能来至于核电站，许多欧洲国家主要依靠核能，如法国有76%的电能来自于核电站，并从技术上解释核电站的构成和工作原理，及核反应存在安全、经济等一系列问题．在“气候变化”中给出俄亥俄州哥伦布市每年降雨量的变化．最后1章的“节约能源”，意在教会学生如何明智地选择能量和节约能源．课程内容注重能量和技术、社会、环境之间的联系，而且十分贴近学生的生活，体现了“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念．

4 以演示实验和学生亲身实践为特色的课程实施形式

课程的授课教室为一专门设计的实验室（如图1），可以容纳5组学生，每组5－6人，围坐在一张大的方形实验桌旁，桌上摆满每次上课学生需要亲自动手完成实验的器材，实验室四周是每次教师演示使用的实验器材．例如Period13“地球作为一个能量系统”，演示实验有地球、月亮和太阳模型，地球仪等，学生实验器材则有地球仪、底座、带孔插板、灰色方板、直尺、手电筒等．

图1 “The World of Energy”教室

每次课程80min，大约1／3时间教师利用演示文稿讲解，1／3时间进行演示实验或播放实验视频（大部分实验都是现场演示的），1／3时间供学生小组实践和完成工作任务单．以Period13“地球作为一个能量系统”为例，教师通过教室中的地球、月亮和太阳模型，帮助学生建立起它们之间距离的定量关系，在此基础上讨论太阳辐射的能量形式和来源以及地球从太阳获得的能量情况．为帮助学生了解地球不同地方获得太阳能量的差异，学生按照活动任务单（如表2中所列为节选部分）的要求小组进行实践活动（如图2），并进行小组讨论，之后探讨大气层、地球能量平衡和温室效应等问题．物理概念通过教师的演示讲解、学生在课堂上完成的实践活动和活动任务单等方式得到深入的建构．

图2 学生亲身实践活动

表2 活动任务单（节选部分）

续表

5 过程性评价与终结性评价相结合的课程评价

表3为课程的评分标准，该门课程32%的成绩来自于平时活动任务单和课外作业，其中活动任务单（如表2）是在课上教师讲解某些重要概念和规律，或演示实验，学生自己做实验，或观看录像时需要记录的重要内容，其贯穿整个课堂始终，下课时上交．当堂的课程任务有利于加强学生的听课效率、投入程度和参与积极性，学生也可利用活动任务单进行知识的有效梳理和复习．课外作业通常是解决生活实际能量问题的简答题，有利于学生进一步理解和应用能量概念．例如，“天气变化”的课外作业是让学生根据自己或家庭的生活方式，通过网上提供的计算公式，评估自己产生的温室效应气体，提出准备采取节约能源的措施，并估算这些行为可以节省的资金和减少CO2气体排放的数量．

表3 课程评分标准

虽然68%的成绩来自于考试成绩，但考试分解到整个学期的3个阶段，每次考试只考察该学习段所学内容，期中考试1考察1－8周学习内容，期中考试2考察9－17周学习内容，两次期中考试均是在75min内完成30题多项选择题，期末考试考察18－26周学习内容，105min内完成50题多项选择题，这些多项选择题均是考察关于能量的基本概念和基本计算（考试中给学生提供公式单），有利于教师了解学生对能量基本概念的理解．

6 总结和启示

6．1 物理课程设计应体现整合与发展的理念

物理教学一直以来面临着“难学难教”的两难境地，学生之所以觉得物理难学，其中一个主要原因就是学生的物理知识是零碎的，所获得的概念、规律和方法未建立起联系，且未能得到连贯一致的发展．［6］本文所提到这门课程围绕“能量”概念建构课程体系，从物理学核心概念的视角重新建构物理概念的内容，且将能量概念在物理、化学、生物、地理等多个情境下应用，形成整合化的概念体系．对促进学生认知的整合发展和减轻学生的学业负担有着重要意义，这一理念将指引物理课程从“广而浅”转向“精而深”的设计．

6．2 物理课程应加强学生对当今社会现实问题的思考

物理教育中对能量概念的教学一方面能够帮助学生理解整个物理学及科学体系，另一方面也能使学生更好地理解环境污染、能源危机等社会热点问题的本质，更好地了解和适应社会．目前，国内物理课程的教材内容相对统一，更新较慢，且缺乏对物理与当今社会和地方现实问题的联系与讨论，不利于学生应用所学物理知识正确对生活或社会问题做出决策．本文所提到的这门课程内容紧密结合社会现实，将例如世界温度与二氧化碳含量的关系，美国各种能源的使用情况，温室效应，俄亥俄州近20年来的气候变化和降雨量，电离辐射的后果、核能的使用后果，如何节约能源，气候和环境的记录方法等许多现实问题加入了课程，这样做有利于学生在面对当今社会问题或解决现实问题过程中，理解和应用能量概念．

6．3 物理课程应重视学生的亲身实践

“The World of Energy”课程之所以受到学生的广泛欢迎，其主要原因正是其提供给学生亲身实践的机会，学生普遍反映“我喜欢这种亲自动手的教学方法，这让我很容易理解其蕴含的科学原则，这些小玩意儿让课堂变得十分有趣”，很多学生愿意将这门课推荐给自己的同学．而在我国物理教学中，缺乏这些与概念紧密相关，又能够让学生亲身体验和实践的仪器和素材．只有改变传统教学形式，加强课程实践资源建设，才能让学生在实践过程中深入理解概念和建构概念体系．

6．4 物理课程应注重过程性评价

国内大多数物理课程都是采用终结性评价，导致大多数学生对课程的平时投入十分有限，上课效率低下．本文所提到的这门课程，利用课上的工作任务单全程引导学生有效学习，保证了学生课上的投入和课后复习，结合生活实际的课外作业能及时帮助学生应用能量有关概念．考试成绩由2次期中考试和1次期末考试构成，将考试内容拆解到各个不同时间段，有利于学生即时复习和减少考试负担．

虽然目前我国缺乏围绕物理学核心概念的物理课程和教材，但我们不妨以此门课程为参考进行一些有益尝试和研究，例如以选修课程的形式开设，甚至可以面向文科学生．通过建设围绕核心概念组织的校本教材，实施活动任务单和亲身实践活动等课程形式，来实现在“实践”活动中帮助学生建构概念体系的课程目标，从而真正促进学生科学素养的整合发展．

1 郭玉英，姚建欣，张静．整合与发展——科学课程中概念体系的建构及其学习进阶［J］．课程·教材·教法，2013（2）：44－49．

2 A Framework fro K－12Science Education：Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas［M］．Washington，DC：National Academy Press，2012．

3 J Nordine，J Krajcik，D Fortus．Transforming energy instruction in middle school to support integrated understanding and future learning［J］．Science Education，2011，95（4）：670－699．

4 M Wildermuth．Physics 1104：World of Energy：Light，Thermodynamics，Energy Sources［EB／OL］．http：／／www．physics．ohio－state．edu／worldofenergy／，2013－6－20．

5 K Neumann，T Viering，et al．Towards a Learning Progression of Energy［J］．Journal of Research in Science Teaching，2013，50（2）：162－188．

6 张玉峰，郭玉英．围绕学科核心概念建构物理概念的若干思考［J］．课程·教材·教法，2015，35（5）：75，99－102．

2016－06－06）

本文获湖北省教育厅人文社科项目“青少年科学素养进阶发展的理论研究与实践”（15Q052），教育部高等学校教学研究项目“基于SPOC的大学物理翻转课堂教学模式研究与实践”（DWJZW201534zn），湖北省高等学校省级教学研究项目“基于SPOC模式下翻转课堂的研究与实践”（2015270）资助．