基于物理学科核心素养的单元教学内容分析与学情分析

王美芹 张玉峰

摘 要：介绍基于核心素养的高中物理单元教学设计关于“教学内容分析”“学情分析”部分的思路与框架.教学内容分析，即如何进行课程标准分析及围绕大概念整合知识体系与认知体系，分析显性知识与隐性知识，显化学科核心素养载体;如何结合教学内容进行学情分析，即分析学生认知基础和进阶关键点，为单元教学目标的制定、教学策略的选择及单元学习活动安排提供重要依据.

关键词：单元教学内容分析;学情分析;隐性知识;学习进阶

文章编号：1008-4134（2020）07-0008中图分类号：G633.7文献标识码：B

基金项目：北京市物理学会2020-2021年度科研课题“基于学科核心素养的高中物理单元教学设计”（WLXH202048）;北京市教育科学“十三五”规划2018 年度一般课题“基于课前学习诊断的教学整合模式研究”（CDDB18155）.

作者简介：王美芹（1970-），女，北京人， 本科，中学高级教师，研究方向：物理教学与实践;

张玉峰（1973-），男，山东泰安人，博士，中学高级教师，北京市教育科学研究院基础教育教学研究中心教研员， 研究方向：物理课程与教学论.

依据课程标准进行教学内容分析和学情分析是进行单元教学设计的前提和基础.教学内容是核心素养发展的载体，围绕大概念整合单元内容能够明确知识在学科知识体系中的地位和作用，进一步挖掘其在发展学科核心素养过程中功能与作用;精准分析学情是落实以学生为中心理念的重要途径，更是制定学习目标、确定单元重难点、优化教学策略、安排单元学习活动以及设计评估与反馈的重要依据.

1 单元教学内容分析的思路与框架

单元教学内容分析旨在为新课程目标引领下的单元教学设计提供内容依据，分析的依据主要包括课程标准、教材以及学科教学指导意见等其他教学指导文件，分析思路主要从课程标准的解读、整合教材内容两个层面展开.从整体上看，可以遵循从课程文件要求到具体知识内容整合，再到素养与能力载体挖掘的思路进行.

1.1 依据课程标准、学科教学指导意见和教材确定单元教学要求和具体内容

课程标准是确定课程水平及课程结构的纲领性文件.在新一轮的基础教育课程改革中，新课程标准处于核心地位，它对课程目标、课程结构与内容、课程评价均做出了明确要求，对各学业阶段学生应掌握的知识、技能以及物理学科核心素养的落实与发展做出了明确规划.学科教学指导意见进一步细化了课程标准的要求，结合教材指出每个模块的主题内容及要求，以模块为单位提出教学建议和评价建议，结合教材提出实现课程目标的要求与操作方法.教材则是对课程标准的具体化、提供达成课程标准要求的具体学习素材.课程标准、学科教学指导意见以及教材，三者具体化程度不同，但具有较高的一致性.因此确定单元教学要求和内容通常需要结合课程标准、学科教学指导意见和教材.

分析课程标准，明确学业要求与核心素养任务.对课程标准和学科指导意见进行分析，应从学业要求与核心素养任务两个层面进行.首先梳理课程标准关于本单元教学内容在知识层面上有哪些要求？这些知识之间有着怎样的逻辑联系？然后关注学科教学指导意见要求学生通过何种学习方式进行学习，最后分析本单元通过哪些知识的学习，具体对应落实哪些核心素养目标要素.例如，依据《普通高中物理课程标准（2017年版）》[1]（以下简称新课标），梳理出《磁场》单元的核心素养目标：在认识磁场对电流、运动电荷的作用过程中发展运动与相互作用的物理观念;在从定性与定量的视角描述和解释磁场过程中发展物质观和科学思维;在探究磁场对电流、运动电荷的相互作用力的影响因素中提升科学探究能力;在应用磁场知识解决实际问题过程中培养科学态度与提升社会责任.

1.2 整合具体教学内容，梳理结构化概念体系

从整合的视角分析单元教学内容，是物理学知识体系本身的要求，也是落实学科核心素养目标的要求.从学科知识的特点看：物理学是由事实、概念、规律与方法构成的系统化理论体系，物理学习本身要求学生从整体上建构知识体系;从物理學的教育功能看：物理学科知识体系的建构是将概念和规律提炼和升华形成物理观念的基础，它不仅为学生提供科学探究的思维框架，更是学生发展科学思维、进一步认识科学本质的重要支撑.在建构概念体系过程中必然涉及具体概念之间内在的逻辑关系，建构概念之间清晰的逻辑联系，有助于在学生头脑中形成良好的认知结构，而良好的认知结构能够促进解决问题的大思路的形成.

整合教学内容的具体操作如下：在分析课标、学科指导意见以及教材的基础上梳理单元主要知识有哪些？然后查阅资料并结合教师经验，围绕大概念或学科核心概念建构知识体系，对本单元内容在知识体系中的地位、作用及知识之间逻辑关系进行分析.例如，梳理“磁场”单元知识结构图如图1所示.

图1展示了以学科大概念“能量”和“相互作用”为核心的涉及中学阶段的电磁学体系.其中电场、磁场、电流，以及电磁感应、电磁波是学科大概念“能量”“相互作用”统领下与电荷相关的五个单元主题概念.电流是电荷在电场力的作用下定向运动的宏观表现;电场、磁场、电磁波是能量不同的存在形式;电磁感应则揭示其他形式能与电能的转化;电场、磁场通过与电荷、磁极、电流之间的相互作用来认识和表征;在这张图上单元主题概念“磁场”与学科大概念“相互作用”和“能量”的关系，与单元一般概念如磁感线、磁通量、磁感应强度、安培力、洛伦兹力等之间的逻辑关系比较清晰地呈现出来.

1.3 挖掘隐性知识，明确物理学科核心素养发展的知识载体

物理学习的内容不仅包括物理概念、物理规律等显性知识的理论体系，还包括物理学的研究方法、认识方式等隐性知识体系.如果把物理学知识体系比作一棵树，显性知识就像我们看到的树枝、树叶和果实，而隐性知识则如树根，深藏在地下.英国物理化学家和哲学家迈克尔·波兰尼指出：隐性知识是指那些没有以文本形式明确表述出来，深藏在显性知识中的相关知识[2].在教学内容分析中充分挖掘隐性知识，让它们适时地从“幕后”转到“台前”，是落实学科核心素养目标的有效手段.物理学科的隐性知识是物理知识学习或者应用中所涉及的认识方式、思想方法、跨学科概念等内容的统称[3].

物理学认识方式，是指从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识过程中所使用的思维模式（路径）或者信息处理对策.物理学认识方式的要素有：认识对象、表征方式、认识角度与认识思路，这些要素均隐含在物理概念的深层理解、概念之间联系以及概念体系的建构过程中.例如，上述“磁场”单元的认识线索为：磁现象→磁感线（定性描述）→磁感应强度（定量描述）→安培力（宏观磁相互作用）→洛伦兹力（微观磁相互作用）→直流电动机、回旋加速器等（整合应用）;磁场单元涉及的问题描述方式有：语言文字、图像、图形（磁感线）、表达式等;涉及的研究对象有磁极、磁场、电流、帶电粒子等;磁场对电流与运动电荷作用可以从宏观与微观、运动与相互作用、能量等不同视角进行认识;对磁场的描述可以采用定性与定量、猜想、推理与验证等不同认识思路，这些有关认识方式的要素可以帮助学生发展程序性知识和策略性知识，在单元内容分析时应该充分予以挖掘.

跨学科概念使不同主题、不同学科的概念建立更普遍的联系，将跨学科概念融入物理学习可以将各科知识相互联系整合，帮助学生更好地完善科学知识体系，形成对自然的整体认识，加深对科学本质的理解.同时可以使学科知识与方法能够更有效、更广泛迁移，用以分析和解决新问题，提高理论联系实际的应用能力，促进思维能力、创新能力发展以及社会责任的提升.例如在“直线运动”单元挖掘“变化率”这一跨学科概念有着重要意义：在“直线运动”单元用位置随时间的变化率定义速度，进而用速度随时间的变化率定义加速度，这样层层深入对运动的描述更加精确.这一描述变化的认识方式可以迁移用来定义许多其他物理概念：例如曲线运动中用质点转过的角量随时间的变化率定义角速度，进而可以用角速度随时间的变化率定义“角加速度”;力可以定义为动量随时间的变化率，也可以定义为动能随距离的变化率;电场强度可以表示电势随距离的变化率;磁通量随时间的变化率定义为感应电动势等.可见“变化率”这一跨学科概念的深入理解，不仅可以帮助学生认识对事物变化的描述从“变化多少”到“变化快慢”的进一步精确，更可以帮助学生优化对事物的认识、描述与表征方式.因此单元教学内容分析对这样的跨学科概念应该予以充分挖掘.

此外，单元知识中蕴含重要的物理方法、思想方法等隐性知识是建构学生认知体系、发展思维能力的重要工具，例如“直线运动”单元在建构“瞬时速度”时涉及的“极限的思想方法”，后续在推导匀变速直线运动的位移与时间关系、变力做功、变力的冲量等过程都起到至关重要的作用，在单元教学内容分析时也必须足够重视.

除上述显性知识与隐性知识分析，在单元教学内容分析时还应结合学情，充分关注物理学史中蕴含的隐性知识以及本单元与科学·技术·社会·环境（STSE）的关系[4].例如在“直线运动”单元关注伽利略研究自由落体运动过程中蕴含的质疑精神、科学态度、创新意识与科学方法;在“万有引力定律”单元介绍我国宇宙航行的发展历史与现状，激发学生爱国主义情怀与社会责任感等.

2 学情分析的内容与思路

学情分析是在教学设计之前对学生进行全面诊断过程，旨在更清楚地了解学生在观念、能力、方法、素养等方面的已有基础，对学生未来学习中可能遇到的问题、困难，可能达到的发展水平等做出评估和判断，为确定单元教学目标，教学重难点等提供重要参考依据.学情分析主要涉及学生学习单元内容之前头脑中已有什么？本单元学习可能经历怎样的认识过程？以及影响学生认知发展的因素有哪些等.要回答这些问题，概括起来可以确定学情分析的基本框架如图2所示.

2.1 分析原有认知基础，明确单元学习起点

现代意义的学习过程就是学生用已有知识去建构新知识的过程.因此在单元教学设计时，分析学生头脑中已经掌握的学科知识、跨学科知识、解决问题的经验、方法、能力等，明确单元学习的起点，是落实以学生为中心的教学理念的必备之举.

学情分析必须要弄清学生已有的知识体系和方法体系对新知建构正反两方面的作用：即要分析学生已经拥有的哪些知识和概念（包括跨学科概念）及概念之间的关联是对单元新知学习有利的;同时也必须分析干扰新知学习的生活概念、错误联系特别是学生头脑中顽固的错误前概念等.例如，生活中我们用同样的力推质量小的物体容易推动，而质量大的物体不容易推动，这些经验对我们理解质量与惯性关系有着积极的作用;生活中“超重”的概念、望文生义对“失重”理解，都会对超重和失重概念的理解造成困难.

分析学生的认知基础除关注概念、经验等显性知识外，还需关注学生认知方式、解决问题策略、能力等隐性知识基础.例如可以通过观察或访谈了解到，学生经常会从生活经验的视角思考力与物体关系：认为形变厉害一定受力大;在分析力对物体的作用时忽略摩擦力;认为力大小和运动快慢存在因果关系;向上运动一定受到向上的力等等.分析这些知识、经验、能力、思维方式等认知基础可以帮助我们确定单元学习的起点，对制定学习目标、规划学习过程、选择教学策略有十分积极的作用.

2.2 分析进阶关键点，突破思维障碍

所谓进阶关键点就是学生在学习路径上认识和理解出现困难的点，即出现“阶”的“位置”.从学生的角度分析进阶的关键点，才能抓住影响学生单元学习的关键因素，针对其采取有效的教学措施，从而突破思维障碍，促进学生认知发展[5].

进阶关键点可以从认知发展和思维障碍角度来进行分析.从认知发展的角度看进阶的关键点经常存在于较深的错误概念干扰点.例如在“力和运动”单元：“有力才会有运动”这样的错误前认知会对“力和运动关系”的进阶造成很大的影响，从而成为进阶的关键点.从思维障碍角度看，进阶关键点经常出现在对学生思维能力水平要求较高的“位置”，例如从平均速度向瞬时速度概念进阶时，对时间和空间的无限分割，时间和位移“极短”可以看做一个时刻或者一个位置，因为十分抽象使学生难以理解，从而成为进阶的关键点.此外进阶关键点还可能出现在新模型建立的“位置”，例如匀速圆周运动模型的建立会成为从直线到曲线进阶的关键点.当然，除上述几种情况之外，学习进阶的关键点还有可能存在于其他“位置”，还需要根据教学内容和学生情况具体分析，不能一概而论.

结合教学内容从认知发展和思维障碍角度分析进阶的关键点，并据此确定教学目标和重难点，实现单元目标对教学策略选择和教学活动设计的统领，是真正落实以学生为中心的单元教学设计的重要环节，是促进学生的认知发展、实现学科素养发展目标的重要支撑.

3 教学内容与学情相融合，为单元教学设计提供依据

教学内容分析和学情分析并不是独立的，而是密切联系的，共同为进一步制定单元教学目标、确定重难点、选择教学策略、安排学习活动以及评价和反馈提供依据.

教学内容分析的根本目的是帮助学生完善和发展现有的知识体系和认知体系，实现以学生为中心的认知发展[6].因此，围绕大概念建构知识体系和认知体系以及解决问题的大思路的形成都依赖学生原有的认知基础和认知方式.单元教学内容的下限和上限需要依据学生情况确定;建构知识体系、分析认知思路更需要依据学情进行.例如“磁场”单元的知识体系建构时必须考虑学生已经学过的电场、电路知识和已经建构的电磁学体系;分析“磁场”单元认知思路时必须了解学生此前对电场的认识思路.让新单元内容的学习在原有知识体系和认知体上进一步建构，是单元教学设计的初衷，也是实现从物理学视角建构关于自然的物理图景的新课程目标、发展学科核心素养的有效途径.此外，挖掘隐性知識和跨学科概念、分析单元内容教育价值等更是要针对学生的认知基础以及对科学·技术·社会·环境（STSE）的理解来进行.例如在“曲线运动”单元挖掘极限思想方法和跨学科概念“变化率”时，必须要了解学生在直线运动中对“变化率”这一概念的理解和掌握程度.

基于学习进阶的学情分析原本就是为实现单元内容的学习进阶而进行的，因此学生的认知基础分析一定是分析与本单元内容相关的知识、方法、能力等.进阶关键点分析更是要针对本单元教学的具体内容，分析学生存在哪些较深的错误概念干扰点和思维障碍点.例如“电场”单元学情分析中“电势”概念成为进阶关键点，其原因是学生的原有认知中对“力和运动”关系已经比较熟悉，因而习惯用力和运动的视角思考物体之间的相互作用，所以对电场的认识从“力”视角向“能量”视角进阶时，电势成为进阶的关键点.可以说学情分析的每个环节都与内容分析相互关联、相互渗透，就像力和运动一样密不可分，二者共同成为单元教学设计的重要依据.

综上所述，单元教学内容分析和学情分析共同作为合理制定单元教学目标，并进一步围绕单元目标制定切实有效的活动方案、教学策略以及反馈的基础.这样的单元教学指向物理学本质，有助于实现真正意义上的深度学习，不仅能让学生头脑中“物理之树”根基扎实、枝繁叶茂，更能发展学生的学科核心素养，真正落实物理教学的育人目标;促进教师教学观念和角色转变，推动其专业素养发展.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]Michael Polanyi著. 徐陶译.个人知识：一种后批判哲学的探索[M].上海：上海人民出版社，2017.

[3]张玉峰.以大概念、大思路、大情境和大问题统领物理单元教学设计[J].中学物理，2020（03）：2-7.

[4]郭玉英.中学物理教学设计[M].北京：高等教育出版社，2016.

[5]张玉峰，汤玉林.基于核心素养的高中物理教学重难点突破[M].北京：北京师范大学出版社，2019.

[6]王美芹，吕良.基于核心素养的高中物理教学目标设计[J].中学物理，2019（01）：26-28.

（收稿日期：2019-02-10）