大概念视角下的高中物理新教材“必修一模块”深度剖析

摘 要：大概念是统领各知识的持久观念，具备意义性、核心性、相对性、多样性、持续性、迁移性六个基本特征，是解决当前教学“散”“浅”“固”问题的有效措施.高中物理教材“必修一模块”，以大概念为核心，以主题为引领，重视知识体系的构建，做到“模块主题化，主题单元化，单元课时化，课时细微化”.大概念在主题单元变化、课时划分变化、课时细节变化三处均有体现，教师应该用正确的方式引导学生构建大概念.

关键词：大概念;物理观念;高中物理新教材;必修一模块

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）23-0023-06

物理观念是核心素养的重要组成部分，主要包括“物质观”“运动与相互作用观”“能量观”，是对大量事实、经验、概念、规律、定理的提炼与抽象，在学习者的脑海中形成自觉意识和思维活动，支配学习行为乃至生活行为.用物理观念统一课程知识与教育界的热点研究问题——大概念，不谋而合.

《普通高中物理课程标准（2017年版）》中指出：“进一步精选了学科内容，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情境化，促进学科核心素养的落实[1].”短短数语蕴含了新时代高中物理课程的三大要素，即大概念、主题、情境，最终目的在于让核心素养的培育落到实处.

在课程标准的引领下，普通高中物理教科书2019年版应运而生，并从2021年开始在江西省全面使用.相比2004年版普通高中物理教科书的课程结构和知识编排有哪些变化？这些变化如何体现大概念？如何构建大概念？我们有必要剖析这些问题，探寻教学新思路.

1 大概念概述

1.1 何为大概念

国内外不同学者基于研究提出了自己对大概念的理解.美国科学促进学会把大概念界定为“能将众多的科学知识联结为一个整体的科学学习的核心[2]”.克拉克等人认为，大概念本身就是有组织、有结构的知识和模型，而且还能为学习者提供一个认知框架和结构[3].东北师范大学李刚、吕立杰等提出大概念指向的是具體知识背后的核心内容[4].

结合各文献与自身思考，笔者认为大概念是统领各知识的持久观念，发挥着“提纲挈领”的功能.大概念具备意义性、核心性、相对性、多样性、持续性、迁移性六个基本特征，彼此联系为一个整体.

意义性：大概念是一种内涵丰富的意义模式，其意义在于它将认识论、方法论、价值论三者有机融合.在大概念的学习过程中，学习者能够触及学科的核心概念和背后的本质，使认识更加深入;通过搭建认知框架联系相关概念、事实，形成整体性知识，这是科学高效的学习方法;这种认识和方法不仅对学科内知识的统领具有重要价值，而且蕴含着学习者的学习观、价值观与人生观.

核心性：大概念处于知识的中心位置，纵向统摄学科内知识，让大量的事实、经验、概念、规律合理“归档”，形成有序连贯的知识网络;横向联系不同学科知识，模糊学科边界，打破学科壁垒.

相对性：大概念是相对琐碎知识而言的，只要是具备关联性的知识均可以寻找到统领它们的大概念，即便是相同的知识，从不同角度出发可以获得不同的大概念，从这些大概念中可能寻找到更大的概念.因此，大概念究竟多“大”？这取决于学习者的学习程度和教学实际，而不是一个具体的“大小”.每一课时，每一单元，每一主题，每一门学科，不同学科之间均存在相应的大概念，其层级关系呈现阶梯式特点（如图1）.

多样性：大概念的呈现形式多种多样，促进知识整合与建构的学习行为均可作为大概念的载体，可以整合具体概念（如功能关系、匀变速运动、相互作用），也可以举行主题活动（如近代物理学发展历史、能源与可持续发展研究报告），也可以开展问题讨论（例如，说法合理吗？测量电阻有哪些方案？）.

持续性：大概念不是短暂的记忆，而是循序渐进的持续推进过程，不仅发生在学校教育阶段，而且会继续在未来的生活中去体会、去应用、去完善.当学生离开学校后，学生不记得，也没必要记得所有的课堂知识，毕竟在互联网如此发达的时代，获取知识不是一件难事.但当具体事实和概念均淡忘后，还是会留下某些本能意识，不知不觉地在生活中发挥作用，留下的就是大概念.如在“户外漂流活动”中，虽然参与者不记得“牛顿第三定律”“力改变运动状态”等专业术语和具体内容，但依然能够根据水流方向不断调整划桨的角度和力量，使自己达到目的地.其原因是在情境中激活了“运动与相互作用”观念，解决了实际问题.

迁移性：大概念具备极大的迁移价值.学习是一个由浅入深的过程，前面的学习往往是后面学习的基础.大概念可以统领相关知识，新知识只不过是大概念下的一个特例，只需要从旧知识进行迁移即可，降低了学习难度.学习者也可以主动将大概念应用于学科内情境、跨学科情境甚至学科外情境，促进迁移能力的提升.

1.2 大概念可以解决哪些问题

当前在高中物理教学实践中普遍存在三个典型问题.

（1）散：学生被动地接受大量零散、碎片化知识，不同概念和规律之间彼此割裂，无法形成体系化的知识结构网络，只见树木不见森林.

（2）浅：当前常见的教学模式是传授知识—应用举例—学生模仿—巩固训练，这种教学的本质是不断地重复浅层教学行为，学生学习到大量的形式化知识，对知识的理解停留在表面，很少能够认识概念的形成过程、逻辑规律、思想方法与价值意义，一旦遇到深入本质的问题情境就容易困惑.

（3）固：课堂教学的实践探索情境固化，习题训练中问题情境单一，同一情境反复使用不更新，无法应对时代发展的需要.这种行为固然能在设定好的熟悉情境中完成教学内容，但长期处在舒适区的教学必然遮蔽学生的视野，固化思维模式，弱化迁移能力，削弱创新意识，对学生核心素养的培育和终身发展起到负面效果.

大概念可以从整体上认识和理解概念，促进学生形成结构化知识体系，做到“见林见木”，有效解决“散”的问题;大概念不是无关事实的堆积，而是对大量存在内在逻辑联系事实的抽象概括.在建构大概念的过程中，需要调动学生的信息提取能力、逻辑推理能力、归纳总结能力，必然需要透过现象看本质，掌握概念背后的思想和价值观念，做到深度学习，有效解决“浅”的问题;大概念强调学科与生活实践的联系，跨学科知识整合，有助于实现不同情境的迁移，对创新思维的提升大有裨益，有效解决“固”的问题.可见，大概念教学是解决“散”“浅”“固”问题的有效措施.

2 从教材变化剖析大概念

2.1 内容框架的变化

以往的教材习惯把物理知识划分为力学、电磁学、热学、光学、原子物理等不同版块.这种以知识逻辑体系编排的方式使整个内容显得分散、零碎[5]，容易让学生产生每块内容相互独立的错觉.事实上各版块之间有密切的关联，如在力学版块中，机械能守恒定律揭示了重力势能和动能之间可以相互转化;在电磁学版块中，楞次定律揭示了其他形式的能量转化为电能;焦耳定律揭示了电能转化为内能;原子物理版块中，光电效应方程Ek=hν-W0揭示了光子能量转化为电子的动能.这告诉我们，“能量”将不同版块联系起来，“能量”正是大概念.

2019年版教材打破了知识逻辑体系，改为按照大概念划分不同模块，并采用主题的形式进行学习，每个主题进一步细分为单元，做到“模块主题化、主题单元化、单元课时化、课时细微化”，这样的设计有助于宏观把握课程内容，微观把握知识本质.必修一模塊围绕大概念“运动与相互作用”展开，2019年版和2004年版必修一模块框架对比见表1.

2.2 从主题单元剖析大概念

2019年版教材依旧划分为四个主题，第一个主题“认识描述运动的物理量”;第二个主题是“研究特殊的运动：匀变速直线运动”，通过这两个主题的学习，学生能够初步形成“运动观念”;第三个主题是“平衡力”，让学生初步形成“相互作用观念”;第四个主题是“牛顿运动定律”，重在建立运动和力的联系.与2004年版教材有所不同的是，第三个主题由“相互作用”改为“相互作用——力”，第四个主题由“牛顿运动定律”改为“运动和力的关系”，使主题名更贴合必修一模块的大概念，即“运动和相互作用”.

2.3 从课时划分剖析大概念

第一个主题内，坐标系从第1课时移出，移入到第2课时（课时名称未体现）.原因是坐标系是定量描述物体空间位置的工具，而位移反映位置的变化，将两者放在一课时体现了大概念——“空间观念”.第3课时名称改为“位置变化快慢的描述——速度”，与第4课时构成一个整体，共同体现出“变化率”这一大概念.值得注意的是，用打点计时器测速度在2004年版教材中作为1课时单独出现，但2019年版教材则拆为两部分放入第2课时和第3课时.第2课时内容为“认识打点计时器并测量位移和时间”，强调打点计时器的核心功能，与课时大概念“时空观念”融为一个整体，而测量速度则归入第3课时，与课时大概念“位置变化率”融为一个整体.

第二个主题内，“速度与位移的关系”不再作为单独课时，归入第3课时“位移与时间的关系”，进一步体现大概念——“时空观念”，“伽利略对自由落体运动的研究”则作为第4课时中“科学漫步”内容呈现，原因在于研究自由落体运动经历了对大量现象的观察总结，运用了实验和逻辑推理的结合，是培养科学思维和科学探究素养的良好素材，将其融入“自由落体运动”整体呈现，让学生经历一次科学之旅.

第三个主题内，“基本相互作用”移除，考虑到学生经过初中阶段的学习，对重力和弹性形变有了初步认识，故将两者作为一个课时呈现，精简了课程内容.在2004年版教材中，“牛顿第三定律”和“共点力的平衡”放在第四个主题，作为牛顿定律的内容和一个特殊应用呈现，但是理解第三个主题中静摩擦力时又需要用到力的平衡，这样就让“平衡力”这一大概念被割裂到两个不同单元，学生无法形成完整的知识体系.2019年版教材进行了改进，将两者全部移入第三个主题，有效解决了这一问题.另外，“力的合成”与“力的分解”合并为一个课时，强调了合成分解的“工具性”，突出“等效替代思想”.

第四个主题整体变化不大，“牛顿第三定律”移出，“超重失重”作为一个课时单独呈现，结构更加清晰.

2.4 从课时细节剖析大概念

课时内知识点也做了适当调整，重新排列组合.如“时间 位移”课时中，2004年版教材介绍了“时刻和时间间隔”“路程和位移”“矢量和标量”共3个知识点.2019年版教材介绍了“时刻和时间间隔”“路程和位移”“坐标系”“用坐标差表示位移”“位移—时间图像”“打点计时器测位移和时间”共6个知识点，知识容量明显增加.但这些知识具备共同的大概念，即“时空观念”.运动就是研究物体空间位置与时间的变化规律，正确认识“时空观念”是形成“运动观念”的基础.

教材对“力的合成与分解”内容也进行了精简和调整.在以往的教学中，很多教师喜欢用“按效果分解”的逻辑来求解某个力的大小.比如重物放在斜面上，重力产生了下滑效果和压斜面的效果，故重力分解为沿斜面向下的分力和垂直斜面向下的分力，而垂直分力在数值上等于压力.这种教学不可取，因为它很容易给学生造成一种错觉：“力的分解可以直接求力”，导致的现象是学生按照自己“想象的效果”随意分解力，使思维混乱.规范思路如图2所示.

黄恕伯指出：“实际上，力的合成和分解不是用来直接求解物体受力的，它仅仅是本章用共点力平衡条件解决问题的一个计算步骤，只是运用等效替换的思想，用一个假想的力替换掉问题中的两个实际的力（力的合成），或者用两个假想的力替换问题中的一个实际的力（力的分解），以达到便于计算的目的[6].”

教材的变化告诉我们不能过度拔高教学要求，“力的合成与分解”只是一个求解受力的工具，要重视渗透“等效替代”的思维，这正是本课时的大概念.

基于大概念的相对性，“必修一模块”的大概念层级如图3所示.

3 建构大概念

教师经历多年的学习与教学，已经形成较为完整的学科知识体系，可以通过课程标准中的高频词汇和深入挖掘教材来探寻大概念的踪迹.但学生作为初学者难以具备主动建立大概念的能力和意识.因此教师需要合理引导学生帮助其构建大概念.

3.1 始于情境，抽离情境，回归情境

概念是对大量事实“共同属性”的抽象，大概念在概念体系中又起着“提纲挈领”的作用，因此大概念的建构要经历情境感知—思维加工—用于实践的过程，先从情境出发，再抽象出情境进行加工，最后回归情境应用于实践.

以大概念“变化率”的构建为例，首先呈现生活情境.情境一：汽车1小时运动了40km，高铁1小时运动了300km，谁运动得快？情境二：2021年东京奥运会100m项目中，尼日利亚选手阿德格科成绩为10.00s，中国选手苏炳添成绩为9.83s，谁运动得快？学生根据生活经验很容易得出答案，随即再引入情境三：老虎奔跑30s运动了600m，狮子奔跑20s运动了500m，这时候时间和空间位置的变化均不同，如何比较运动的快慢呢？通过情境抽象出速度的本质，即空间位置随时间的变化率v=Δx/Δt.

描述物体的运动只靠速度足够吗？再次呈现情境，汽车速度在10s内从0加到10km/h，火车速度在200s内从0加到70km/h，哪个运动快？哪个启动快？火车虽然运动得快，但单位时间内速度的变化却比汽车小，火车的启动反而更慢.通过情境发现，单位时间内速度的变化具有一定的物理意义，从而抽象出速度随时间的变化率，即加速度a=Δv/Δt.为了深刻理解“变化率”概念，再次创设生活情境“小明同学的父亲第1天给小明20元零花钱，第2天给16元零花钱，第3天给10元零花钱，第4天给8元零花钱，小明的零花钱总额逐渐增加，但增加得越来越慢了.”用该情境类比速度和加速度，深度理解“加速度反映的不是速度变化的多少，而是速度变化的快慢”，是“加速——度”而非“加——速度”.

最后，让“变化率”回归情境：我国的人口生育量呈现减缓趋势;长江水位随四季不断变化;树木成长过程中高度和直径随时间不断变化.让学生充分体会到“变化率”的普适性.随着学习的深入，学生意识到不仅存在“时间变化率”，而且存在“空间变化率”，如重力势能随高度的变化率，电势随电场线位移的变化率，这样大概念“变化率”就逐渐构建起来了.必修一“变化率”大概念如图4所示.

3.2 挖掘错误，追根溯源

物理中经常存在一些看似正确的直觉，却把人带进“错误陷阱”，错误的背后是大概念体系的缺失.如果能善用典型的错误资源，刨根问底，有利于构建大概念.

如图5所示，A、B、C均静止在地面上，画出C木块的受力示意图.容易产生的错觉是，A和B均作用于C，所以C受到两个压力.事实上，压力属于弹力的范畴，必须接触才能产生，学生对“接触力”认识模糊.同样，在分析摩擦力时，很容易遗漏B对C 的摩擦力，其根源也在于不熟悉“接触力”，没有形成“围绕物体一周分析”的规范思路.

如图6所示，物体紧靠粗糙墙壁静止释放（不计空气阻力），则物体下落过程中受几个力？很多学生误认为受到重力和摩擦力，其根源在于只关注了相对运动，忽略了“弹力是产生摩擦力的先决条件”，没有厘清两个接触力之间的因果关系.

通过对迷思问题的追根溯源，可以构建出“力”的大概念体系，如图7所示.

3.3 合纵连横，思路化一

大概念不一定是具体概念，可能是方法、思想甚至价值观.大概念的形成并非一蹴而就，是一个渗透的过程，这就需要教师抓住教材的“暗线”，将知识纵向整合，横向联结，帮助学生构建大概念，随后用大概念解决实际问题，做到思路化一.

“图像”是不同学科领域中的重要工具，教材逐渐“渗透”该方法.第一章第2节首次引入“x-t图像”，反映物体空间位置随时间的变化，第3节引入“v-t图像”，反映速度随时间的变化，第4节再次提出“通过v-t图像理解加速度”，引入“斜率”的意义;第二章对“v-t图像”进一步分析，通过微元法的思想，告诉学生“面积”的意义;第三章借助“F-x图像”探究弹簧弹力与形变量的关系，其斜率表示劲度系数，再次滲透“斜率”;第四章连续借助“a-m图像”“a-1m图像”“a-F图像”探究“加速度与力和质量的关系”，在“超重失重”一节中，利用人在传感器上下蹲站起的“F-t图像”分析超重失重现象.

在学习过程中，学生逐步认识到图像的横轴、纵轴可以表示不同的物理量，图线的形状各有差异，斜率和面积也可能具有对应的物理意义，从而建构“图像”大概念，如图8所示.

大概念构建的目的在于帮助学生用统一的思想解决问题，如果学生还是沉浸于琐碎知识和混乱思路，那就丧失了构建的意义.

案例 如图9所示，传送带的倾角θ=37°，从A到B长度为14m，传送带以8m/s的速度逆时针转动.在传送带上端无初速度地放一个质量为m=0.2kg的黑色煤块，它与传送带之间的动摩擦因数为μ=0.25.煤块在传送带上经过会留下黑色划痕，取g=10m/s2，不计空气阻力，求煤块从A到B的过程中传送带上留下划痕的长度.

该题中，物体经历了两次运动，先做匀加速直线运动，再以更小的加速度做匀加速直线运动.很多教师的教法是：第1段过程中，物体相对皮带向上运动，皮带位移减去物体位移是第1次相对位移;第2段过程中，物体相对皮带向下运动，把物体位移减去皮带位移是第2次相对位移，由于第1次相对位移覆盖了第2次相对位移，所以划痕长度即第一次相对位移.

该教法的弊端在于，先计算出物体相对地面的位移，再辨析相对关系，显得晦涩难懂，而且很容易计算失误.只要作出皮带和物体运动的v-t图像，如图10所示，两图像围成的面积即表示相对位移，不仅形象，而且便于操作.这种思路对各种传送带问题、木板滑块问题，甚至任何涉及到两个物体间相对运动的问题，均有化繁为简的作用.

4 结束语

大概念已经渗透到新教材的单元结构、课时规划、知识分布等各方面，以大概念理念进行教学既是时代的发展要求，也是培育核心素养的推进器.教师应该积极采用各种手段帮助学生构建大概念，形成体系化的知识结构，以便于学生更好地解决实际问题.

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（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]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，2020，38（05）：2-7.

[3]李松林.以大概念为核心的整合性教学[J].课程·教材·教法，2020，40（10）：56-61.

[4]李刚，吕立杰.大概念课程设计：指向学科核心素养落实的课程框架[J].教育发展研究，2018，38（Z2）：35-42.

[5]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.

[6]黄恕伯.人教版《第三章 相互作用——力》编写说明[J].中学物理，2019，37（17）：2-6.

（收稿日期：2021-09-21）

基金项目：江西省中小学教育教学课题“基于生活情景的试题命制研究”（项目编号：JJWL2019-242）.

作者简介：吕俊君（1991-），男，江西赣州人，本科，中学一级教师，研究方向：中学物理教学策略.