聚焦物理观念形成和发展的高中物理单元教学设计

冯馨雯

【摘 要】“物理观念”是物理学科核心素养的一个重要方面，其形成和发展的过程亦是实现核心素养全部要求的必经之路。高中物理单元教学设计是基于课标要求、以形成和发展学生物理观念为目的，落实物理学科核心素养的重要环节。本文以“几何光学现象”单元为例，以思维导图搭建教学框架，展示以发展物理观念为主线的高中物理教学单元设计。

【关键词】物理观念 核心素养 单元教学设计 光学

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称《课标》）将物理学科的课程标准由三维目标升级为核心素养。物理核心素养包括物理观念、科学思維、科学探究、科学态度与责任四方面，是物理学科实现“教书育人”价值的核心体现，是学生接受教育后形成的获得个人终身长久发展和适应社会需要的关键能力和必备品格。

一、物理观念的形成和发展过程，体现了核心素养的全部要求

核心素养中的物理观念，是指从物理视角形成的关于物质、运动、能量和相互作用等的基本的、理性的认识;这种认识指导着人们解释不通的现象、预言其发展规律，并随着物理学科的发展而发展。

人在探索和学习物理知识的过程中形成的认识叫做物理观点，而其中正确的、科学的物理观点，经过提炼、综合构建成一定的逻辑结构体系，进行提升之后，就会形成物理观念。学生在学习时，必须经历对知识的提炼和升华过程，才能实现物理观念的形成和发展。这个过程需要学生经历科学思维、科学探究和科学态度与责任等的深入融合。物理观念是核心素养的一个组成方面，但是其形成和发展过程也承载着发展科学思维、培养科学探究能力和熏陶科学态度与责任的重要功能。可以说，物理观念的形成和发展过程，体现了核心素养的全部要求。

二、单元教学设计是物理观念形成和发展的必然选择

物理观念的形成和发展不是一蹴而就的，而是逐阶建构的：一是直觉感受直接概括的基础概念;二是亲历知识的形成过程，并通过一定的抽象概括之后形成的重要概念;三是对若干重要概念进一步抽象概括得到的主题核心概念;四是在层次模型中处于抽象概括水平最高层的学科核心概念，最终内化为物理观念。

因此在实际教学过程中，物理观念的形成和发展是这样进行的：基础概念的学习—重要概念的深刻理解—主题核心概念的构建—学科核心概念的认识。例如，力学模块中，“运动与相互作用”是学科核心概念，而“机械运动”则属于主题核心概念，而囊括在“运动描述”下的“位移”“速度”“加速度”等则属于重要概念。主题核心概念在这四层概念层次中具有承上启下的重要作用。

相应地，教师进行教学设计可以分为三个层次：对一门课程的宏观计划纲要;起到承上启下作用的、针对一个单元或模块的教学设计;对某一节课的微观教学设计。其中，单元教学设计即对应上面的主题核心概念。因此，从单元角度进行教学设计符合物理观念形成和发展规律，更是培养学生物理核心素养的必然选择。

三、基于物理观念形成和发展的单元教学设计实践

基于物理观念形成和发展的单元教学设计，要注重挖掘物理概念间的逻辑关系，构建知识之间联系的纽带。其重点是整合学习内容，构建主题核心概念下各重点概念之间的逻辑和联系。单元教学设计的基本路径可以这样描述：单元教材内容分析→单元教学目标确定→明确单元教学顺序→课时微观教学设计。笔者以人教版选择性必修一“几何光学现象”单元为例，就以上环节进行具体的教学设计。

1. 分析单元教材内容

在“光”这一章节中，就知识结构而言，可以划分为两个部分：其中前两节（光的折射、全反射）是利用几何学的概念和方法研究光的传播规律，称为几何光学;而其余内容（光的干涉、实验：用双缝干涉测量光的波长、光的衍射、光的偏振，激光）则主要研究光的本质，属于波动光学。

从学习者的认知过程上来说，前者聚焦认识现象、探寻规律，并应用规律解释生活;后者则是进一步认识物质世界的本质，属于更高层次。因此，笔者将教材中的这一章节划分为两个教学单元，本文主要着眼于“几何光学现象”这一单元进行教学设计分析。

2. 确定单元教学目标

教学目标是单元教学设计的统领核心所在。《课标》对本单元的教学要求如下：

1.3.1 通过实验，理解光的折射定律。会测量材料的折射率。

1.3.2 知道光的全反射现象及其产生的条件。初步了解光纤的工作原理、光纤技术在生产生活中的应用。

（1）提炼观念性目标

笔者以《课标》要求提炼主题核心概念，并以此为出发点，自上而下地提炼本单元的重点概念、基础概念（见表1）。

表1 几何光学模块重点概念及《课标》要求

概念 概念表述 课标要求

光的折射 当光射到两种介质的分界面时，一部分光进入第二种介质继续传播的现象 通过实验，理解光的折射定律

折射率 光从真空射入某种介质发生折射时，入射角正弦值与折射角正弦值的比值 会测量材料的折射率

光疏介质 折射率较小的介质

光密介质 折射率较大的介质

全反射 光从光密介质射到光疏介质的界面时，全部被反射回原介质的现象 知道光的全反射现象及其产生的条件

临界角 光从某种介质射向真空时，折射角等于90°时的入射角

不难发现，以上内容均是围绕光的折射现象展开的，全反射可以看作光折射的一种特殊现象，临界角和折射率之间的关系也可以用折射定律定量表示。因此，“光的折射”可以确定为本单元的一级主题核心概念，而“全反射”可以作为二级主题核心概念。

用概念图来表示以上概念之间的关联（见图1）：

图1 几何光学现象单元概念关联关系

（2）安排科学思维、科学探究、科学态度与责任

这一单元中，各概念之间有很强的整体性和发展性，在学习概念的同时，要更注重展现物理研究的方法和思路。例如，学生在初中已经学习过光的折射现象，课堂上教师在回顾此现象的同时可以提出问题：光的折射遵循怎样的定量规律？如何利用实验数据找到规律？这符合物理研究从定性到定量、从特殊到一般的科学思维。全反射是一种特殊的折射现象，教师可以让学生通过实验观察发现这一现象，并进一步用实验探究其发生的条件，进而认识临界角等概念。而在学习这些现象和规律之后，可顺理成章地引导学生利用已有知识解决生活问题，培养其科学态度与责任。

也就是说，教学时，教师在通过构建重点概念间的联系，深入认识主题核心概念的过程中，要注重融入核心素养的要求，帮助学生自主构建知识间的联系，最终实现发展物理观念的目的。

3. 明确单元教学顺序

在明确单元教学目标和核心概念之后，需要围绕单元核心概念组织该单元主要知识的教学主线和顺序。根据加涅的教学设计原理，一个单元中每一节课的教学顺序应当基于各教学目标间的关系，使先前的学習支持新的学习，并且完整、有逻辑性。基于教学设计基本原理，笔者在几何光学现象的单元教学设计中确定的教学顺序是：光的折射—全反射—生活中的全反射（共三课时）。

4. 设计课时微观教学

单元中每一课时的微观教学设计是教学目标得以实施的最后一步计划，也是与学习者关联最近的教学程序。关于本单元内容，学生在初中阶段已经了解过基础的光学现象，知道光的折射和反射现象。在本单元的学习中，学生的认识是从回顾旧知识“光的折射”开始的，从定性到定量研究光的折射规律。这样对学生能力跨度的要求并不是很大，更多的是对知识的“宽度”进行扩展。

但笔者在实际教学中发现，部分学生对于本单元重点概念的认识是零散的，无法自主构成概念间的联系。例如，学生能够记住全反射现象发生的条件是光从光密介质进入光疏介质、入射角大于或等于临界角，但并不能说清楚为什么光从光疏介质进入光密介质时不会发生全反射现象，临界角和哪些因素有关，或者根本不知道全反射现象发生的条件，甚至不能分清反射和全反射现象等。归根结底是学生在学习过程中只是在单纯地记忆知识，并没有实现对知识真正有意义的构建，各种概念杂乱地堆叠在学生的脑海中，未经提炼和组织，使学生不能真正实现物理观念的形成和发展。

因此，设计课时教学必须遵循学习者的客观认知规律，在单元教学编排的基础上，根据课时教学目标，分析学习者已经掌握哪些内容、最近发展区在哪里、挖掘新旧知识之间的联结……最终把单元教学设计中的目标切实落实到每一节课中，达成教与学的一致性。

基于以上分析，笔者再次使用思维导图，绘制出细到课时教学设计层次的单元教学设计框架（见图2）。

在图2中，上方向右的箭头表示本单元教学顺序;曲线表示每课时主题核心概念下属的重要概念或教学内容，每节课中，按照图中从上到下、从左到右的顺序组织教学内容。如在“光的折射”一节中，“折射现象”属于前概念，是学生已有的知识基础，折射率、光密介质和光疏介质是本节课的新概念，最后利用本节课学习的概念规律来测量材料的折射率。

教材中，“光密介质”和“光疏介质”的概念出现在“全反射”一节中，而笔者认为，这两个概念体现了“折射率是描述介质折光本领的参数，不同的介质折射率不同，折光本领更强的介质折射率更大”这一知识点。如果将其放在光的折射这一节中进行教学，有助于学生深刻理解折射率的概念，在脑海中构建起介质“折光本领”和“折射率”之间的联系。同时，在学习“全反射”一节时，这两个概念是学生明确知道并可以简单使用的前概念，在此基础上探究全反射现象发生的条件时，可以通过对其的使用，加强理解，也有助于学生更快地认识全反射的条件—不是简单地记忆“从玻璃到空气或从水到空气”，而是更进一层地形成更加一般的“从折射率大的介质到折射率小的介质”的观念。

接下来便可根据此教学框架设计每一课时的微观教学设计。下面以“全反射”一课为例，展示课时微观教学设计的思维导图（见图3）。

本课时的大致教学思路是：通过学生分组实验观察发现全反射现象，并进一步经历猜想、设计和实验验证得出全反射的发生条件，最后利用全反射规律解释常见的生活现象。这样的过程遵循物理学科研究的“发现现象—深入观察总结规律—实验验证—得到结论—解释其他现象”的一般步骤，以让学生亲身经历“观察、计划、决策、实践、总结、应用”等过程为重点，引导学生逐渐将认知抽象、提炼、提升，最终形成内化于心的物理观念。

物理观念是发展学生学科素养的关键，是理解物理学科的根本。因此在高中物理教学中，抓住了物理观念，以物理观念的形成和发展过程作为教学开展的主线，也就抓住了发展学生物理学科核心素养的主线。正如前文所说，物理观念的形成和发展应特别关注学习的“过程性”和学生对事实经验的提炼，使学生的认知和事实的特征、规律达成一致。以单元为起点，可以更好地从整体上审视和把握物理规律和概念之间的联系，规划发展物理观念的课堂教学，教学目标才会真正落实到培养学生的关键能力、必备品格上去;以物理观念的发展作为划分单元的依据，也是最适合的选择。

本文系北京市西城区普通高中新课程新教材实施国家级示范区建设专项课题“指向深度学习的高中物理单元教学实践研究”（课题编号SX2021Z036）的阶段性研究成果。

（作者单位：北京市第一六一中学）

责任编辑：胡玉敏