法国高中物理教材核心概念研究及启示

许　静，廖伯琴

(1.天津师范大学 教师教育学院，天津 300387；2.西南大学 物理科学与技术学院，重庆 400715)

廖伯琴，西南大学物理科学与技术学院教授，博士生导师，博士，主要从事科学教育研究。

一、引言

2009年法国国民教育部公布实施高中教育改革，此次改革的目标可以归结为“更好定向”“更好辅导”“学好外语”三个方面[1]，目的在于帮助高中学生取得未来成功，使他们获得“必不可少的共同基础”。“共同基础”包含七种能力，即掌握法语、实践一门外语、数学基础能力、科学与技术文化、信息与通讯的常规技术、社会与公民能力、自主与创新能力[2]，这七种能力与欧盟的八大核心素养①相吻合。我国高中物理课程标准也指出，高中物理教学应进一步促进学生物理核心素养的养成和发展。核心素养的形成本身是学校课程的一个目标，同时也是达成其他目标的手段。[3]世界上众多国家把核心素养或关键能力引入学校课程体系，围绕核心概念组织和整合学科内容，重视发挥核心概念的教育价值与功能，保障每一位学习者的知识与人格建构。教材是教师与学生直接面对的物化了的课程，其蕴含着学科固有的基本概念和技能，以及学科特有的认知方式和思维方式，是支撑核心素养得以形成的构件。

2010—2012年法国阿歇特出版集团出版了具有代表性的新课程教材《物理化学》(以下简称为法国教材)，此套教材是法国高中科学学科的主流教材之一。本文通过文本梳理分析法国高中物理教材核心概念的选择特点，并以“动量与能量守恒”概念系统为例，阐明法国高中物理教材在核心概念的选择、组织和呈现方面的特点，以期为我国高中物理课程设计和围绕核心概念的物理教学提供参考。

二、法国高中物理教材涵盖的核心概念

1.核心概念的内涵

核心概念与基本概念、主要概念、核心观点的意义相近，是位于学科中心的概念性知识，包括对重要概念、原理、理论等的基本理解和解释，这些内容是学科结构的主干部分。[4]

物理概念具有一定的层次结构，位于概念层次结构最上端的、抽象概括程度更高的上位概念即为核心概念，如物质、能量、运动等，它比下位概念更能综合地解释更广泛的自然事物与现象，能帮助学习者理解大量的信息和形成物理观念，能用这些观念描述自然界的图景，解释自然现象和解决实际问题。因此物理核心概念的选择和确定，一定要体现物理学科的主要观点和逻辑结构，应具有一定的前沿性，为学生对新知识的探索和持续不断的学习打下基础，对于提升学生的科学素养具有重要价值。

2.法国高中物理教材核心概念的选择特点

借鉴埃里克(H.Lynn.Erickson)从文本中梳理大概念的方法，笔者整理了法国高中物理教材的核心概念。通过语义单元命题梳理教材每章涉及的具体概念、原理、规律、定律，这样的表述易于建立概念间的联系。法国教材物理课程内容以主题形式呈现，如高二学段第12章，以“场”为主题的内容包括：标量场、矢量场、电场、磁场、地磁场、匀强场、重力场。本研究将同一领域的概念汇集到一起，总结出法国高中物理教材的核心概念为9个概念系统，结果见表1。已有研究确立的我国人教版高中物理教材为11个核心概念[5]，通过对比可以看出法国高中物理教材核心概念的选择特点。

表1　中法高中物理教材的核心概念

中法教材在力学、光学、近代物理部分涵盖的核心概念在较大程度上是一致的，其中法国教材涉及压强、透镜成像和三原色的内容。电学和热学部分的核心概念有一定的差异，法国教材在电磁学部分主要以“稳定的电磁场”这一主题组织知识内容，涉及电场强度、磁感应强度、电势、电势能等基本物理量，以及电场力做功的特点等，并呈现了电磁波在医学、天文学方面的应用。热学部分，法国教材仅有一章的内容即能量的传递，涉及布朗运动、做功和热传递、分子动能和势能、内能、温度、平衡态等知识。法国教材中电磁学内容相对较少，其原因在于法国教科书初中阶段电学所占比例达到了50 %，涉及电在生产和生活中的大量应用，包括电磁感应现象的探究和手摇发电机的原理解释等。[6]由于两国国情、物理教育理念以及教材编写者对物理知识定位的不同，因此在核心概念选择上会出现差异。

三、法国高中物理教材核心概念的组织和呈现方式

核心概念位于物理概念体系的中心点，可以衍生出若干子概念而构成概念网络。下面以“动量与能量守恒”概念系统为例，阐明法国教材在核心概念的组织和呈现方面的特点。

1.内容组织

(1)统摄的知识内容

法国教材中的“动量与能量守恒”概念系统共有五部分内容，即能量守恒定律、能源资源、功和能量、能源问题、动量。动量的内容没有独立的章节，出现在“运动学与牛顿力学”一章，从力在时间上累积作用的角度呈现牛顿第二定律及动量守恒。教材将功、动能、重力势能、机械能守恒、动量守恒纳入学习范畴，但没有动能定理、动量定理的内容。法国教材围绕能源与社会问题设置了独立的“能源资源”和“能源问题”章节，包括了解开发和使用的能源种类、21世纪人类面临的能源问题以及解决方案等，让学生思考能源的开发与利用等问题，从理解科学、技术、社会和环境之间关系的角度，凸显了对科学和技术应有的正确态度和社会责任感。

(2)概念的发展主线

法国教材以“能量”为主线，按照“能→功”的逻辑顺序编排知识内容，见表2。在学习能量守恒这一概括性较高的上位概念的基础上，讲述自由落体运动的能量转化、固体在流体中运动的能量损失、热传递中的能量、β衰变中的能量，使每一步学习都能丰富能量守恒这个总概念，这样可以降低学生理解的难度。在分析重力做功、电场力做功、摩擦力做功、做功与能量变化关系的基础上，提出保守力做功与非保守力做功，在保守力做功的基础上引入势能的概念，并结合能量变化的函数图像，讲解机械能守恒和机械能不守恒。法国教材以“能量”为核心，涉及不同种类、不同形式的能量，从宏观运动中的能量到微观粒子中的能量，将功与能量守恒贯穿于力学、电学、热学、原子物理等各部分中，揭示了能量守恒定律在自然界的普遍性。

法国教材将同一类型的知识编排在一起，形成知识链条或知识串序列，打破各个重要概念间的孤立情况；注重相关知识的整合，以组织化和系统化的形式编排学习内容，让学生能够较为全面地认识物理学知识间的内在联系。这样的内容编排体现了当代基础教育科学课程改革的核心理念，即整合与发展。“整合”是指用核心概念组织课程内容[7]，具体是指以主题和事实作为理解核心概念的铺垫，以此帮助学生发展深层次的概念理解。

表2　“能量守恒”的内容组织

2.呈现方式

法国教材各章内容主要由三部分组成——活动、课程知识、习题。核心概念的呈现强调学生在自主学习的基础上获得必不可少的共同基础，具体体现在以下四个方面：

(1)创设真实问题情境学习核心概念

法国教材的章首图色彩鲜艳，为教学提供了丰富的资源。章首图的设计注重从生活和生产实际情景中提出问题，如冰川融化、风力发电、城市中的能耗问题等。图片下方采用问题的方式指明本章学习的核心内容，并罗列本章的学习目标，体现了学习目标的明确性和指向性。各章章首图的编排内容见表3。活动部分同样通过创设真实的问题情境引入。法国教材围绕基本问题进行课程设计，把知识与现实意义联系起来，以问题为驱动力拓展学生思考的空间。

表3　法国教材章首图的呈现方式

(续表)

(2)通过“活动”学习核心概念

法国教材活动与课程知识的讲解是分开的。课程知识具体呈现本章的知识内容、公式、定律，与活动内容保持一致，逐条罗列，简洁明确。“活动”部分包括实验探究、背景资料、科学史资料，如研究球在空气和液体中下落、中微子的发现与能量守恒、研究单摆中摆球的能量变化、以伽利略对比萨大教堂吊灯摆动的研究说明时间的测量、介绍人类对时间的研究历程，以及用原子钟精确测量时间的原理、阅读资料思考“减少能源消耗的方法和途径”等。“活动”部分突出知识在各种背景下的表现方式和问题解决的方法，这样的课程设计体现了国际科学教育理念，在理解和参与科学的同时，注重科学精神、科学思想和方法、科学过程，也给学生提供了较大的自主学习空间。

(3)运用核心概念解决不同形式和层次的应用问题

法国教材为了实现对知识的应用与综合贯通，设置了自我评估、例题、即时练习和章末习题四个部分，其中章末习题包括选择题、简述题、简单计算题、综合计算题、特色习题(改错题、自选题和英语题)。法国教材的习题不仅类型多样，而且遵循由易到难的顺序编写。

自我评估以表格的形式呈现选择题，考查学生对概念、公式的记忆，题中标明页数，便于学生到教材中查找相关信息，进行自主学习。例题由“能力要求”“建议”“解决方案”三部分构成，明确指出解决该问题的思路和要达到的能力水平，呈现规范的解答过程，突出逻辑推理。即时练习与例题难度相当，是在例题基础上的拓展和延伸。章末习题中的简述题以社会热点问题及物理学史资料为题设背景，取材广泛，注重考查学生的阅读能力、信息提取能力、分析能力。改错题不仅让学生熟悉解题思路，而且能发现平时容易出错的地方，注重细节。自选题设置了难易两种水平的问题，给学生解决问题搭设了台阶。英语题即物理计算题用全英文编写，体现了法国教材对外语的重视。

习题的目的在于巩固所学知识， 并解决实际物理问题。法国教材的习题设计多配以插图，如情境图、实验装置图、工作原理图、漫画、图表等，并指明应达到的能力要求，习题选择与生活、社会、科技发展密切相关的实际问题，与章节的课程内容一一对应，对相应的知识点精选难易程度不同的习题。这样的习题设置，能使学生在解决真实问题的过程中，增强对物理学习的亲切感，避免枯燥和单一，还能起到举一反三的效果，既可减少学生的课业负担，同时又可增强学生的自主学习能力。

(4)运用信息技术丰富学习核心概念的形式

信息技术的运用是法国共同基础的七种能力之一，信息技术的重要性在法国教材的各章中都有体现，高三教材还独立设置了两章相关内容，分别是数字化信息、信息的传输和存储。

数字化信息系统实验是由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”构成的新型实验系统，它使得传统物理实验在现代教育技术的带动下变得既真实又准确，为学生探究物理规律创设了更便利、更形象的学习环境，促进了教学手段和教学方式的现代化。如使用温度传感器测量热传递中的能量变化、使用传感器采集数据，记录摆角随时间的变化规律，研究单摆中摆球的能量转化。再如，球在空中的下落实验，教材中有3页内容专门讲述如何拍摄球的下落运动、如何利用计算机处理数据和绘制图像。信息技术的运用达到了简化计算、方便作图、提高准确性、提高学习效率的目的，能使学生更直观地发现某种规律，丰富了其学习核心概念的视角，使学生有更多时间和精力去探索更广泛、更本质的物理问题。

四、结论与启示

1.结论

不同国家的课程与教学政策、教材编写者的价值取向、教师使用教材的理念和方法均存在一定的差异。法国教材核心概念的选择、组织和呈现方面的特点如下：

(1)法国教材的核心概念为9个概念系统。法国教材以力学、光学、近代物理三部分内容为主，关注近代物理知识的学习，突出了物理学在实验和理论方面的发展与成就，体现了教学内容的现代化。

(2)法国教材在“动量与能量守恒”概念系统中，建立了以“能量”为核心的辐射状的知识结构体系，注重知识间的横向联系，体现出核心概念内容丰富和表现形式多样的特点。

(3)法国教材核心概念采取问题引导、设置活动等方式呈现，强调学生的自主探索和知识建构。数字化实验以及计算机的运用，改变了学生的学习方式，也体现了教学方式的现代化。不同层次的习题类型丰富，并注重运用核心概念解决复杂的真实性问题。

2.启示

围绕核心概念进行“少而精”的课程设计，关注对抽象概念、原理的精心组织和展开，有助于解决学时的有限性与科学知识快速增长之间的矛盾，这也是优质课堂的主要特征之一。从促进学生物理核心素养的养成和发展课程目标的角度出发，法国高中物理教材在核心概念的选择、组织和呈现方面的特点，对我国围绕核心概念的物理教学具有一定的启示作用。

(1)呈现结构化的学习内容

我国物理教材的知识结构倾向于直线型[8]， 法国物理教材的知识结构倾向于网络型，网状的知识结构更利于学生对知识的理解、 保存和提取。教学中可以考虑从优化教材知识结构入手，对教材进行重构，即二次开发，为学生呈现丰富的、深刻结构化的学习材料。首先，综合考虑学生的心理认知规律与学科知识逻辑之间的关系，从理解概念间的联系、构成高度概括与抽象的知识网络的角度出发，为学生搭建有逻辑体系、合理的物理知识结构。其次，从物理学概念和思想发展、变革过程的角度出发，利用物理学史资料充实和深化学习内容，帮助学生加深对物理概念和规律的深层理解，体会其中蕴含的复杂而丰富的思想和情感内容，形成对物理图景的认识，建立完整的物理观念。

(2)体现素养本位的教学设计

核心概念是一个拥有“核”的概念群，其能有效组织大量的事实和其他概念，上位的核心概念可拆分为具体的子概念，若干子概念又可组成相互关联的知识体系。以核心概念为中心的“概念图”，可以体现概念的纵向发展主线和横向联系节点，在相关概念的联结处常蕴含着丰富的物理学思想和方法。核心概念内容丰富，联系广泛，表现形式多样，不同的关注点和处理方式体现在教师对教学内容及教学过程的精心设计上，围绕核心概念的教学设计应由“知识本位”走向“素养本位”。教师可采用文本、图片、演示实验、探究活动、物理学史资料等，整合基本的物理观念、物理学的具体科学方法、科学探究技能进行结构化的教学设计。通过一个一个的问题组织学习活动，为学生搭建思维的阶梯，创设以问题为驱动力的深度学习的课堂环境，提升和发展学生的科学思维能力。

(3)注重多元的学习方式

核心概念是在事实基础上产生的深层次的、可迁移的观念，具有高度概括与抽象的特征。它们要通过问题探究活动才能使得学生的思维超越具体的事实和活动，实现知识建构与学习迁移。从使学生“学会学习”的角度出发，应将自主探索、实验与探究、阅读与思考等物理学习方式落在实处，通过运用科技手段和不同方法收集、处理信息，描述和解释探究结果，提升学生的信息素养。为了发展学生对概念的深层理解和运用，教师应关注情境化的统整性评价任务，侧重于考查概念之间的关联，以及新情境下对概念的应用，将学生置身于原始的、真实的、复杂的情境，在解决真实问题的过程中，应用物理观念分析实际问题，进行预测、解释、推论等实践活动，发展学生的物理学科能力。

注释：

①八大核心素养由“学科素养”和“跨学科素养”两部分构成：“母语交际、外语交际、数学素养和基础科技素养”属于学科素养，“数字素养、学会学习、社会与公民素养、首创精神和创业意识、文化意识和表达”属于跨学科素养。

参考文献：

[1]王晓辉.新世纪法国基础教育改革举措[J].中国教育学刊，2012，(8):88-92.

[2]王晓辉.法国新世纪教育改革目标：为了全体学生成功[J].比较教育研究，2006，(5): 22-27.

[3]钟启泉.基于核心素养的课程发展：挑战与课题[J].全球教育展望， 2016，(1):3-25.

[4]张颖之，刘恩山.核心概念在理科教学中的地位和作用——从记忆事实向理解概念的转变[J].教育学报，2010，(1):57-61.

[5]范增. 我国高中物理核心概念及其学习进阶研究[D].西南大学博士学位论文，2013.

[6]彭征，李晓梅，李春密. 国际初中物理教科书中对不同知识主题的侧重——以中、俄、德、法四套教科书为例[J].课程·教材·教法，2014，(3):119-124.

[7]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.

[8]刘健智， 卢宇梦 ，颜熠乔. 中美高中物理教材内容呈现方式的比较[J].物理教师，2014， (5):59-62.