大概念统摄下的高三物理复习课堂实践

赵海艳 邓靖武

摘 要：大概念统摄下的高三物理复习课能够更有效地促进学生的有效学习发生，能够清晰地建构知识、概念、规律之间的联系，使学生获得“既有森林又有树木”的整体感.本文以专题“动生电动势能量转化关系”为例，建构大概念统领下的高三物理复习策略.

关键词：大概念;高三复习;动生电动势;能量守恒

中图分类号：G633.7     文献标识码：B     文章编号：1008-4134（2021）19-0030-04

作者简介：赵海艳（1980-），女，河北人，硕士，中学一级教师，研究方向：物理教学教法.

在高三复习中，教师往往按照一轮章节复习、二轮采用版块模式进行复习.在这种复习中，学生往往掌握了基本知识，但是对于知识间的深层理解，知识间横向联系并没有有效形成.因此在高三复习中，有必要在大概念的統摄下对原有知识进行重新组合，依据知识间的联系进行整合复习.温哈伦认为大概念是能用于解释大范围内的物体、时间与现象的概念[1].大概念是有组织、有结构的科学知识和模型，这些大概念能够解释大范围内的一系列相关现象[2].高三学生已经掌握了大部分的概念、规律，恰恰缺乏大概念的统领，以及不同知识内容间的融汇和深层理解.在高三以大概念为视角的知识复习不管是在宏观层面的认知框架上、中观层面的课程线索上，还是在微观层面的教学设计上，都有其很好的引领作用[2].

1 基于大概念的内容整合

学科大概念（学科核心概念）并不指向某一知识的具体概念，而是指向具体知识背后更为本质、更为核心的思想或看法，他是对概念间关系的抽象表述，是对事物的性质、特征以及事物之间的内在关系及规律的高度概括[3].但是大概念由于过于抽象很难在教学中直接使用，因此学生需要在抽象程度相对较低和适用范围相对较小的概念学习的支撑下逐步完成大概念的学习，如图1所示[4].

在一轮复习中高三学生对电场、磁场、电磁感应、电流等基本概念已经掌握但是这些知识点零散、复杂，并且在动生感应电路中涉及到了闭合电路欧姆定律、电源中的非静电力、带电粒子在磁场中的运动、洛伦兹力与安培力的宏观与微观上的联系，以及在闭合电路中转化的能量关系，这些关系学生往往感到混乱，无法厘清头绪，无法找到对应的功能关系，因此将动生电动势的能量守恒作为次级大概念将电路、能量观念和运动与相互作用串联起来，展开为一个综合性的电磁复习课，学生能够多角度看问题，充分调动学生建模、分析、综合等科学思维，提高学生处理问题的综合能力.

2 基于大概念进行教学活动设计

2.1 围绕大概念建立知识框架

2013年美国颁布的《新一代科学教育标准》（Next Gerneration Science Standards）最终确立了物质科学的四个学科核心概念：物质、运动与相互作用、能量、波及其在技术领域的应用——信息传递.能量是“所有科学概念中最重要也是应用最广泛的物理概念[5]”，贯通从小学到大学的全部科学课程并且一直在发展，“能量”被全部样本国家（地区）列为科学教育的核心概念之一[6].众所周知，能量的转化与守恒是对广泛领域的客观事物进行抽象概括的产物，它在物理学科中几乎涵盖各个主题：力学、电磁学、热学、光学、原子等.能量观的核心内容是：自然界中有多种形式的能量，能量可以从一种形式转化为另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转移和转化过程中，有能量转化，而总能量保持不变.能量是“守恒量”，在自然界中能量在转移与转化过程中的守恒是最基本的守恒定律，也是物理学科素养中的基本观念，在物理教学中让学生建立能量观念并浸透到物理学习中去.

如图2所示，根据能量守恒定律的发展史，我们可以发现人们先发现的是机械能守恒，即动能与势能间相互转化与守恒;然后是机械能与内能间转化也是守恒的，并提出了热力学第一定律;之后人们发现机械能和内能的总和也可能不守恒，于是就引入了电磁能加入机械能和内能，以同样思路发展下去，物理学中引入了光能、原子核能，甚至相对论能量、光子能量、粒子场的能量等等，从而进一步建立了普遍的能量守恒定律[7].

在物理的学习中，机械能与内能、电磁能之间存在的转化与守恒是能量守恒观中的重要部分.因此在高三复习中，可以将动生电动势部分以机械能与内能、电磁场之间的转化与守恒列为次级大概念，将学生的知识重新进行架构，可以更深刻地体会能量守恒观.根据图3的次级概念整合各个概念， 不仅从知识的角度能更加深刻理解各个物理量间的关系，还能建构电磁中能量转化与守恒的知识体系.

2.2 围绕大概念建立活动主线

从能量转化的角度看，电磁感应现象是其他形式的能转化为电能的过程.学生在学习电磁感应时都知道有电动机模型和发电机模型，其本质是安培力做正功和安培力做负功.发电机模型又分为动生电动势和感生电动势，在复习动生电动势时可分为导体棒切割磁感线模型、磁流体发电机等，学生往往分别看待这两种模型，认为他们的产生原理是不同的.在导体棒切割磁感线的过程中产生感应电动势的微观解释，与洛伦兹力做功间的关系，以及感应电动势在闭合回路中的能量转化关系是高三复习的难点.因此根据次级概念与大概念间的联系，以“对导体棒切割磁感线的分析”为活动主线：从学生自主活动设计电源入手;从导体棒切割磁感线和磁流体发电机入手;从课本上反复出现的模型入手，启发学生思维;从多角度证明二者的一致性.从而以导体棒切割磁感线模型继续从微观、能量角度分析闭合电路中的能量转化关系，从而实现动生电路中的能量关系.

3 主要学习活动设计

3.1 回归教材——多角度验证导体棒切割磁感线与磁流体发电机产生电动势原理的一致性

设计思路：本环节通过人教版教材中的问题进行讨论，打开从微观角度思考导体棒切割磁感线模型的思路，从而从动力学角度得出电动势，为从能量角度分析电动势埋下伏笔.学生对于导体棒切割磁感线与磁流体发电机的相似处是有朦胧感受的，但是如何进一步获得灵感从不同角度去验证自己的猜测，是需要教师引导的，因此设计通过展示课本上出现的问题，从而引起学生对于课本问题的深入思考.启发学生运用所学的微观电流知识，运用分析、综合、推理、科学论证等方法得出导体棒切割磁感线产生的感应电动势与磁流体发电机表达式一致，利用科学方法验证了自己的猜想.本环节通过学生对已有电磁知识的理解和应用（低阶思维），通过分析推理、论证，运用已学的知识最后得到二者的电动势的表达式是一样的，这样恰好印证了我们的猜想是正确的，即二者是同一类型的电源，为下面以导体棒为例来分析导体棒内部的工作原理埋下铺垫（如图5）.

问题链如下：（1）此电子在向右匀速运动过程中受力如何？（2）随着源源不断的电子累积到下极板，产生什么样的电场？（3）电子受力会有何变化？（4）电子做何运动？（5）电子会一直这样运动下去吗？请从观点、依据、推理过程、结论四个方面进行论述.（6）对比磁流体发电机产生的感应电动势，你有何发现？这说明什么？

3.2 寻找共性规律——以导体棒为例研究动生电类能量转化问题

（1）设计思路：

在证实导体棒切割磁感线与磁流体发电机电动势产生的原理是相同后，师生共同对此类动生电动势模型进行进一步分析，找出其能量转化关系.为了符合学生“最近发展区”的特点，设置了开路、无内阻的闭合回路、有内阻的闭合回路三种情况，便于学生对于动生电动势的能量转化关系进一步清晰明了.

（2）具体做法：

以导体棒为例研究动生电类能量转化问题，为了便于研究我们设置了两个情境.

3.2.1 开路情境1：开路状态，AB刚开始运动到电动势稳定，导体棒电阻为零

问题链：①=1＼*GB3请画出导体棒AB中沿棒方向的电子受力情况.

②=2＼*GB3电路中各个力做功与能量转化关系.

③=3＼*GB3电源中非静电力充当什么作用？此模型中哪个力充当非静电力？电场力做功的转化情况如何？

④=3＼*GB3从非静电力做功的角度证明导体棒切割磁感线产生的感应电动势的表达式E=Blv？

⑤=4＼*GB3当电动势稳定后，还有能量转化吗？

通过对导体内部进行受力分析，如图6所示，洛仑兹力与电场力平衡.根据功能关系有W洛=W非，qvBl=E电动势q，E电动势=Blv.

3.2.2 情境2：闭合回路，外阻为R，内阻为零;外阻为R，内阻为r

问题链：

①=1＼*GB3画出导体棒中电子受力图.

②=2＼*GB3找出导体棒中电子受力大小关系.

③=3＼*GB3画出电阻R中电子受力情况.

④=4＼*GB3找出R内电子受力大小关系.

⑤=5＼*GB3思考在能量转化中，导体棒和电阻中的电子所受力所起的作用.

⑥=6＼*GB3在此模型中，导体棒匀速运动， 拉力做功与安培力做功分别为多少？外力做功转化为哪种能量？

⑦=7＼*GB3非静电力做功与电路中获得电能有何关系？

⑧=8＼*GB3电路中产生的焦耳热是多少？

⑨=9＼*GB3在动生电路中，你可以总结能量转化关系吗？

通过上述分析，可确定各力的功能关系（见表2）.

3.2.3 完善能量观

设计思路：在完成动生电路内部的能量转化关系后，从宏观角度再次进行功能和能量转化的分析，帮助学生建立关于动生电模型的能量转化与守恒观.本环节运用学生的已有知识，在教师的设计下通过分析、推理、论证等方法，进一步使学生对于动生电路中能量转化关系有了更深刻的认识，锻炼了学生的科學思维和探究能力，完善了能量观，使学生达到高阶思维水平[8].

问题链：①=1＼*GB3从宏观角度对导体棒进行受力分析.

②=2＼*GB3找出导体棒受力大小关系？

③=3＼*GB3拉力、安培力做功分别引起了哪些能量的变化？

④=4＼*GB3可以从宏观角度找出导体棒切割磁感线引起的能量转化关系吗？

通过分析可知，从宏观上看本部分内容的知识，其研究线索通常可以从力和能两方面展开（见表3），有时还往往交织应用.但遇到变力作用的情况时，从能量的转化和守恒角度就成为唯一手段了[9].

4 大概念统领下课堂实践的意义及讨论

在大概念统领下的高三复习课有以下几个意义：（1）在大概念的通领下可以抓住学科的上位知识实现学生学习的组织结构化、知识的有效迁移与学以致用;（2）以大概念进行组织教学，能科学地、合理地链接离散的事实、技能，使课程知识结构化与统一化，有利于提高学生的元认知水平，促进高阶思维的发生;（3）在大概念统领下进行复习，强调学科知识的连续性和学科间的关联性，更加高效地完成教学任务“整体大于部分之和”.

参考文献：

[1]Harlen W.Principles and Big Ideas of Science Education[M].Hatfield： Association of Science，2010.

[2]温哈伦著，韦钰译.以大概念理念进行科学教学[M].北京：科学普及出版社，2016.

[3]李刚，吕立杰.国外围绕大概念进行课程设计模式探析及其启示[J].比较教育研究，2018，40（09）：35-43.

[4]邓靖武.大概念统摄下物理单元知识结构构建及教学探讨[J].课程，2021，41（01）：118-124.

[5]Nordine，J.，Krajcik，J.，Fortus，D.Transforming energy instruction in middle school to support integrated understanding and future learning[J].Science Education，2011（04）：670-699.

[6]姚建新，郭玉英，杨熠，曾晨虹，布兰.中学生科学理解能力的进阶模型——以能量概念为例[J].天津师范大学学报（基础教育版），2018，19（01）：66-72.

[7]张三慧.从功能定理到热力学第一定律到普遍的能量守恒定律[J].物理通报，2002（12）：5-7.

[8]陈克超，冉洁，戴浩.基于课程标准之高中物理大概念解读与建构[J].物理教师，2020，41（09）：11-14.

[9]王溢然，徐燕翔.中学生物理思维方法丛书2守恒[M].合肥：中国科技大学出版社，2015.

（收稿日期：2021-07-16）