指向新知建构的高中物理教学资源开发

摘 要：新知建构是指将获取的新信息与已有知识经验建立有意义联结，并产生出新的观点、知识或者方法的认识活动.本文基于对北京某中学的408名学生样本和5位任课教师样本进行的关于物理新知建构认知水平的诊断性测试结果，深层挖掘新知建构问题背后的认知问题，并为改善这些问题，提出精准指向新知建构的高中物理教学资源开发的类型、原则、思路和案例.

关键词：新知建构;认知能力;教学资源开发

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）01-0010-04

作者简介：张伶霞（1987-），女，硕士，中学一级教师，研究方向：物理课程与教学.

1 研究背景

本文是在物理新知建构诊断结果的基础上，提出如何进行教学资源的开发，旨在将测试发现的问题落实在课程开发实践中，以期帮助更多教师能够自主开发新知建构的教学资源，从而拓展新知建构能力培养的途径，为教学提供课程资源，提高新知建构教学的精准度和有效性.

1.1 新课改对新知建构能力的要求

“新知建构”不是浅层次的“新知识记忆”，在素质教育下它有着与“认知能力”有关的更深远的内涵.2017年9月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于深化教育体制机制改革的意见》中提出，要注重培养支撑终身发展、适应时代要求的关键能力，并将关键能力的内涵进一步阐释为认知能力、合作能力、创新能力、职业能力.其中，认知能力——新知建构已经成为新课标和高考评价体系的重要内容.

1.2 学生的新知建构水平现状

为诊断学生认知过程的物理新知建构水平，我们将北京交通大学附属中学高三年级408名学生和5名同校任课教师作为被试，采用纸笔测试和访谈的方式进行定量和定性的研究.诊断的具体指标，采用的是张玉峰博士提出的物理学科核心素养学习诊断内容的（3+2）×3框架中关于新知建构的三个二级指标：3C，即：C1信息变换与表征;C2信息整合与新知建构;C3关联整合与策略迁移.诊断性测试结果表明：（1）学生整体得分情况与能力水平相符，C1信息变换与表征得分率高于整体得分，C2信息整合与新知建构和C3关联整合与策略迁移得分率低于整体得分，学生对于情境素材在选择新知识、新方法等方面具备一定的能力，但对于信息抽象概括、推理论证以及整合与迁移方面还有待提高;（2）各层得分符合层级规律，且各层问题突出，个性化差异显著;（3）教师期待与学生实际情况差异显著.这说明基于诊断结果的精准教学资源开发为提高学生的新知建构能力提供了很大的可能性.

2 资源类型

新知建构是指将获取的新信息与已有知识经验建立有意义连结，并产生出新的观点、知识或者方法的认识活动.具有新知建构能力培养价值的教学资源可以分为以下几种类型.

2.1 指向物理学理论体系的教学资源

我们要开发的是由旧理论能够生成新理论的物理理论教学资源.以科里奥利力概念的建构为例，在研究赤道上方落体偏东现象的产生原因时，在学生已经学过的“运动的合成与分解”的基础上，通过推理论证建构“科里奥利力”的概念.此外，还可以开发力矩、转动惯量、质心运动定理、巴尔末公式等物理理论类教学资源.

2.2 指向科技前沿的教学资源

前沿科学包括相对论、量子物理、天文宇宙等;前沿科技包括信息技术、生物技术、航天技术、航空技术、新材料技术、能源技术和先进制造技术等.

我们开发的是能将已有认知迁移到新情境、解决新问题或建构新认知的前沿科技教学资源.比如中国天眼，利用学生已经学过的点电荷产生的电场线建立太阳的球辐射模型，将通量守恒迁移到新情境中，解决天眼观测脉冲星的问题等.此外，还可以开发黑洞、潮汐、光压、光钳技术、石墨烯、原子激光等前沿科技类教学资源.

2.3 指向实验设计的教学资源

这里的实验设计，特指创新实验设计，即利用已学过的实验原理和实验方法，进行实验方案的创新设计.包括仪器的创新、原理的迁移与创新.例如，用動力学方法测质量，依据牛顿第二定律，设计一种在太空中测质量的方法.此外，还可以开发简谐运动与匀速圆周运动之间等同性实验设计;用生活中的铝管做光学（衍射）、机械振动（摩擦产生共振）、电磁学实验设计;用手机中的各种物理APP（例如phyphox）测量速度、加速度、声音分贝、光照强度等各种不易测量的物理量的实验设计等.

2.4 指向物理学史的教学资源

我们开发的物理学史资源，是能够由学生已经学习的知识、方法和思想进行新发现的过程.例如，查德威克发现中子的过程，是由学生学过的动量守恒和能量守恒思想发现的.再如，康普顿——吴效应、伽利略对自由落体运动的研究、人类对行星运动规律的认识、范德格拉夫静电加速器、历史上关于运动量度的争议等物理学史教学资源.

2.5 与生产、生活应用相关的教学资源

物理在生产、生活中的应用，都是为了解决生活中的问题而产生的.解决生活中的问题，都经历一个将实际问题抽象成理想模型、进而推理论证的过程.我们要开发的生活应用类教学资源，是利用学生的已有认知可以解决的生活问题.例如，自动称米机，将实际问题抽象成学生学过的运动模型、流体模型和碰撞模型，解决自动称米机的精确问题.此外，还可以开发信用卡阅读器、电磁炉、共享单车、雨滴下落等生产生活应用类教学资源.

3 开发原则

3.1 科学性与阶段性相统一

由于要建构的新观点、新知识、新方法多数是中学教材以外的，或超出中学学段要求的，甚至有些资源已经超出了教师的认知范围，因此教师对新知建构教学资源的开发不会像课本知识那样驾轻就熟.这导致在教学资源的开发中容易出现以下问题：（1）教师研究的不够深入，容易出现科学性错误，误导学生;（2）教师进行了深入研究，保证了资源的科学性，但资源的认知起点远超出学生现阶段的认知水平，也会使得教学资源不能真正促进学生新知建构能力的发展.因此，在指向新知建构教学资源的开发中，应坚持科学性与阶段性相统一的原则.

3.2 适当铺垫思维台阶

新知建构不是一蹴而就的，而是在多次寻找关联中逐层形成的能力.所以，教学资源中应铺垫思维的台阶，引导和启发学生跨越层级进行新知建构的路径.然而，思维的台阶如果铺垫过多，则体现不出学生思维的张力;如果过少，则不能启发学生将已有认知和新知进行有效的关联.因此，在指向新知建构教学资源的开发中，应遵循铺垫思维台阶适当的原则.

3.3 侧重培养能力

教学资源开发的目的不是新知（新观点、新知识和新方法）本身，而是建构的能力（从已有认知到新知建构的思维路径）.换句话说，指向新知建构教学资源的开发侧重培养的是学习能力.若将建构能力比作植物的根，则新知就是叶，根系发达，植物就会源源不断地生发新叶，具有旺盛的生命力;如果侧重新叶而忽略根的培育，那么呈现的只是虚假繁荣，植物很快便会枯萎.以此为例，是想说明指向新知建构教学资源的开发应遵循侧重培养能力的原则，这样学生认知的发展才有生命力.

3.4 类型多样

资源的类型包括物理理论、前沿科技、实验设计、物理学史、生产生活应用等，每种资源侧重培养的新知建构能力指标不同.如果开发的教学资源过于单一，则会造成能力发展不均衡的结果.而学生建构新认知的整个过程是环环相扣的，某一环节没有完成，将会阻碍下一环节的进行.因此，指向新知建构教学资源的开发，应遵循资源类型多样的原则.

4 开发思路

4.1 依据新知建构能力培养目标，确定教学资源类型

本研究将3C指标作为新知建构能力培养的目标，具体指标指向为：C1信息变换与表征，即通过阅读观察，能选择有用的新知识、新方法等信息，并根据需要变换信息的表征方式;C2信息整合与新知建构，即能抽象概括关键信息，建立信息与已有知识间的有意义联系，经过推理论证，得出新知识并反省认知策略;C3关联整合与策略迁移，即能把新知识与已有知识建立联系，并把新知识或者获取新知识的策略迁移应用在新的物理情境中.

依据新知建构能力培养目标，有效确定教学资源类型，应将培养目标和资源特点这两个维度精准对接.

培养C1目标，可侧重开发前沿科技类教学资源.前沿科技具有高难度、高知识密集度的特点，有助于培养学生阅读和筛选有效信息的能力.培养C2目标，可侧重开发物理理论、物理学史和生产生活应用类资源.理论是指人们对自然、社会现象，按照已有的知识或者认知，经由一般化与演绎推理等方法，进行合乎逻辑的推论性总结.物理理论的新知建构应从学生的旧理论出发，通过推理论证得到新的理论，这个过程天然具有促进学生C2能力发展的功能.物理学史是物理学HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%A6/313183"＼t"_blank"在历史进程中的发生、发展过程，蕴含了大量的物理思想和物理方法，是认识的一种方式.而物理的思想方法是寻找物理量逻辑关系的重要方式，是实现新发现的重要途径.再现物理学史就是再现构建新认知的思维路径，物理学史是能够将新知建构的认识方式显化的教学资源.物理在生产生活中的应用，都是为了解决生产生活中的问题而产生的.解决生产生活中的问题，都经历一个将实际问题抽象成理想模型、进而推理论证的过程，有助于C2能力的发展.培养C3目标，可侧重开发实验设计类教学资源.物理学以实验为基础，实验是认识的一种重要方式，培养实验迁移能力和创新能力，有助于C3能力的提升.

同时培养C1、C2、C3目标，可侧重开发前沿科技类教学资源.科学要解决的问题，是发现自然界HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E8%87%AA%E7%84%B6%E7%95%8C/4760765"＼t"_blank"中确凿的事实与现象HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E7%8E%B0%E8%B1%A1/2808631"＼t"_blank"之間的关系，并建立理论把事实HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E4%BA%8B%E5%AE%9E/132727"＼t"_blank"与现象HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E7%8E%B0%E8%B1%A1/2808631"＼t"_blank"联系起来;技术的任务则是把科学的成果HYPERLINK"https：//baike.baidu.com/item/%E6%88%90%E6%9E%9C/3820163"＼t"_blank"应用到实际问题中去，见表1.前沿科技类教学资源有助于培养学生的C1阅读与筛选信息的能力、C2抽象概括和建模的能力以及C3关联整合与策略迁移的能力.

4.2 依据教学资源类型，搜集素材

我们以前沿科技类教学资源为例，谈谈如何搜集素材.前沿科学包括相对论、量子物理、天文宇宙等;前沿技术包括信息技术、生物技术、航天技术、航空技术、新材料技术、能源技术和先进制造技术等方面.我们将目标聚焦到量子物理方面，通过查阅大量资料，能够找到很多量子物理方面的前沿研究，包括光压、空间冷原子钟等等.如何从众多主题中确定我们要开发的主题呢？这时，我们要遵循一个原则：该主题的素材能够以学生的现有认知为起点，构建新的认知.只要符合这个原则，就是可开发的教学资源.其中，光压的产生机理如同气体压强，可由学生已有的关于气体压强的认知构建光压的定义式.那么，光压就可以作为我们最终确定的素材主题.例如，前沿科技类教学资源的素材主题，见表2.

搜集素材的途径有很多，我们应通过多种途径搜集同一主题的素材，以确保素材的科学性.

4.3 依据学生学习实际和新知建构能力目标，重组、整合素材，形成教学资源

搜集的素材是零散缺乏关联的，没有明确的培养目标，无法为发展学生的新知建构能力服务.因此，素材需经过重组和整合，才能形成教學资源.重组、整合素材应依据学生学习实际和新知建构能力目标两个维度进行，如此形成的教学资源才能精准指向这些学生新知建构能力的发展.具体操作如下：

第一，重组素材.重组素材就是要筛选有效素材，并进行逻辑重组.首先，我们应将搜集的素材群进行取舍.教师应写出从学生已有认知到建构新知的思维路径，已知体现了学生的学习实际，新知体现了新知建构的能力目标.然后，分析学生需要掌握哪些信息才能完成该思维路径.这些信息应该由素材来提供，与此无关的素材可以舍掉.这样，我们就初步筛选了有效素材.然后，还需要对这些素材进行逻辑重组，使其成为一个有结构的整体.

第二，整合素材.整合素材就是依据新知建构能力目标将新知转化为最终问题，然后依据学生的认知水平，将最终问题拆解为多个小问题，从而为学生铺垫思维的台阶，再依据这些小问题，将重组的素材进行优化形成问题情境（即学生的阅读材料）.整合后最终形成的教学资源，以问题情境和问题设置的方式呈现.如何才能依据学生的实际适切整合素材呢？首先要了解与素材中的新知有关的已有认知，学生掌握到了什么程度;还要分析从已有认知到新知建构的路径中需要的能力，学生达到了什么水平.开发的素材与学生认知水平匹配，即适切整合.思维台阶的梯度和落脚点应如何设置呢？设置的问题，就是引导、启发学生的思维台阶.铺垫适当的思维台阶，才能体现问题设置的价值.对于思维能力强的学生，设置的问题思维台阶梯度大一些、数量少一些;对于思维能力弱的学生，设置的问题思维台阶梯度小一些、数量多一些.把握好度，即适当.思维台阶设置在哪儿，要看学生新知建构的难点在哪儿.如何将重组的素材进行优化形成问题情境呢？这取决于学生信息变换与表征的能力.一个具体的物理问题，有着客观的物理情境，学生从自己的认知水平和已有经验出发，对问题的言语表述、附图所包含的信息进行搜索、选择、分析和组织，产生主观理解，建立关于问题情境的内部表征.如果主观的内部表征与问题的真实情境相适应，则为顺利解决问题提供的先决条件.学生能否有效搜索、选择信息，取决于原有认知结构.问题情境尽可能呈现那些与学生原有认知相近的问题信息，其原有认知包括结构性知识和未纳入知识结构的零散记忆，还包括大量的非结构性经验.如果学生原有认知结构性差，那么就要减少素材中的无关信息，增加具有较强约束的信息，增大学生产生适宜表征的几率，即对素材优化形成的问题情境.

将素材群开发成教学资源的路径如图1所示.

5 开发案例思路

本案例开发的思路：第一，明确该教学资源指向培养新知建构的C1、C2、C3目标，依据这个目标确定教学资源类型为前沿科技类.第二，依据前沿科技类教学资源，搜集素材.该类资源素材众多，笔者将目标锁定为与学生现阶段学习的天体运动相关的天文宇宙方面.北京市新教材《普通高中教科书物理必修2》的《第七章 万有引力与宇宙航行》第64页“科学漫步”介绍了黑洞.通过研读教材，笔者将黑洞作为素材的主题.黑洞半径对学生来说是个新知，由第二宇宙速度可推导得出黑洞半径，但第二宇宙速度的推导教材中没有介绍，不是学生应知必会的内容.因此，循着天体运动和相对论的足迹，查阅了中文版美国高中物理教材《物理原理与问题（上册）》第202页“物理学前沿”关于黑洞的内容，其介绍了奇点、施瓦兹希尔半径、视界的概念，我们能够了解到施瓦兹希尔依据广义相对论推导黑洞半径的结果，但学生还未学习广义相对论，不具备以此作为起点构建黑洞半径的能力.笔者继续搜索大学教材《新概念物理教程 力学（第二版）》，其中“第七章 万有引力”第346页对第二宇宙速度做了详细推导，且介绍了拉普拉斯通过牛顿力学体系中能量守恒定律推导得到的黑洞半径，与施瓦兹希尔通过广义相对论推导得到的黑洞半径，结果不谋而合.那么，牛顿力学体系就作为学生认知的起点，构建“黑洞半径”新知.第三，依据学生学习实际和新知建构能力目标，重组、整合素材，形成“问题情境+问题设置”模式的教学资源.搜索的黑洞素材中，保留关于施瓦兹希尔和拉普拉斯关于推导黑洞半径的历史，舍去奇点等无关概念.将黑洞半径的推导作为C2目标;将引力势能的表征作为C1目标，同时起到为建构黑洞半径铺垫思维台阶的作用;为了促进C3目标知识的迁移和创新能力发展，在黑洞半径的基础上推理黑洞半径与黑洞密度的关系.大问题拆解成了三个小问题，梯度适宜，即完成了问题设置，其余素材作为问题情境，并依据学生实际进行优化.

参考文献：

[1]张玉峰.为了物理学科核心素养发展的学习诊断：概念、路径与内容框架[J].中学物理，2020（01）：1-6.

[2]刘晓晴，魏杰.高中生解决物理问题表征特点的实验研究[J].教育实践与研究，2000（08）：43-46.

（收稿日期：2020-11-11）