基于“大概念”建构知识促进学生物理观念的形成和发展

孙 圆 徐晓梅

云南师范大学物理与电子信息学院 云南昆明 650500

近几年来，培养学科核心素养是我国基础教育的重要目标。《普通高中物理课程标准(2017)年版》(以下简称《课程标准》)中明确提出，物理观念是学科核心素养的基本要素之一。物理观念并不是物理知识的简单积累，而是物理知识在学生头脑中的凝练和升华，也是运用物理知识解决实际问题的基础。所以，物理观念与大概念的知识整合和结构化的核心理念不谋而合。再加之，从物理学核心概念、大概念中都可以提取出一定层级的物理观念。可以说，大概念为促进学生物理观念的形成和发展提供了新的有效手段和方法，是课程内容与学科核心素养的中介机制。大概念能够将各种相关的概念和理解联系成为一个整体，让学生对知识的掌握不再是片面、繁杂、零散的。以大概念为牵引，可以帮助学生掌握持久记忆、深度理解和广泛迁移的知识。正因如此，最新普通高中课程标准指出：“进一步精选学科内容，重视以大概念为核心，使课程内容结构化，以主题为引领，使课程内容情景化促进学科核心素养的落实。”本文将在阐明物理观念和大概念内涵的基础上，探讨以大概念为核心促进学生物理观念形成和发展的教学策略。

1 大概念和物理观念的内涵

1.1 大概念的内涵

大概念，又称大观念和或者核心概念。自威金斯与麦克泰在《重理解的课程设计》(1988)中最早系统阐述大概念以来，国内外学者对于大概念内涵的界定大致分为三个观点：

(1)大概念处于更高的层次，能够连接和统领下位概念，是一个上位概念。

(2)大概念在一个学科领域中占据着核心地位，是可以在遗忘具体的经验和事实之后仍保持记忆的具体知识背后的本质核心。

(3)大概念本身是有组织、有结构的知识和模型，也可以为学习者提供一种认知框架和结构。

综合关于大概念的多方面界定，笔者认为，一方面，大概念在一个学科领域中，占据着核心地位，它统领着一个学科的重要思想和教学知识，它是最有价值、最具有概括性、最精华的内容；另一方面，大概念是物理知识向物理学科核心素养转化的中介机制，围绕大概念进行的教学，就是在大概念统领下将大量具体的物理概念、规律、原理等按照由浅入深、由简单到复杂的逻辑顺序，组织成具有结构化的知识体系。大概念统领下的物理教学，改变了物理课堂从前零散和扁平化的教学状态，可以清晰地引导学生体会和理解知识之间的内在联系和逻辑，使学生对知识的理解不再停留在表面，从而帮助学生掌握持久记忆、深度理解和广泛迁移的知识。以大概念为核心的教学使零碎复杂的物理知识转化为学生自己特有的物理观念，并且学生能够运用物理观念来解决生活中的实际问题，最终也就促进了学生学科核心素养的形成和发展。

1.2 物理观念的内涵

关于物理观念的内涵，学术界众说纷纭。在《课程标准》中，物理观念作为核心素养的基本要素之一被明确提出。《课程标准》指出，物理观念不同于单纯机械记忆的物理知识和公式，是物理概念和规律等知识的加工和升华；是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用和能量等的基本认识；是利用物理观念分析和解决问题，做到对物理知识的融会贯通、学以致用。物理观念主要包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等要素。这样界定的物理观念类似于国际科学教育中的核心概念、大概念。“观念”一词偏向主观性，所以物理观念的形成和发展并不是简单地对知识进行积累，它需要教师在学生原有知识的基础上，充分调动和发挥学生主观性，引导学生深刻理解物理知识之间的联系和区别，并提炼出其中的核心思想和内容，形成学生自己独有的看法和思想。学生可以通过自己形成的物理观念灵活迁移知识和解决实际问题，做到真正地让知识内化为思想观念，实现“物理知识”到“物理观念”的转变。

为了表示清晰，我们用图1表示高中物理观念总体系。这一体系将高中物理零散的概念和规律，归纳在物质、运动与相互作用、功与能量三个物理观念之下。高中物理知识点较多且难度较大，教师仅凭单纯地、平铺直叙地按照教材内容讲授是很难帮助学生建立这些物理观念的。所以，教师应当从大概念视角出发进行单元整合性教学设计。

图1 高中物理观念总体系

1.3 基于大概念促进学生物理观念形成的物理教学

基于大概念培养学生物理观念的物理教学是为了解决目前高中物理教学“散”“低”“浅”三大问题，即知识点庞杂而零散，学生理解得片面和浅层等问题。以大概念为统领，将零散的知识点整合在一个上位概念，即大概念之下。大概念将一些小概念构建成了一种可以使学生深刻理解和灵活迁移的知识框架，伴随着这样具有结构的知识的诞生，学生的物理观念可以逐渐形成，从而学科核心素养也就得以提升。所以，从大概念视角出发，培养学生物理观念，两者的配合可谓相得益彰。

2 基于“大概念”视角，促进学生物理观念形成和发展的教学策略

2.1 围绕大概念重新整合教学内容，突出物理观念

物理观念具有一定的抽象性和内隐性，高中物理众多零散的知识点使学生不易把握知识本质和厘清其之间的区别和联系。教师需要认真研读课程标准和教材，并以大概念为抓手重新整合教学内容，分清概念层级，突出物理观念，从而帮助学生认识和理解各知识点的本质，同时通过语言的表达和结构图的呈现使抽象的物理概念相对直观地呈现给学生，帮助学生结构化地建构物理概念和规律。例如，学生在刚进入高中阶段学习物理时，首次建立“运动与相互作用”这一物理观念，虽然初中已经涉及，但是高中阶段更为抽象和复杂。所以，教师可以从大概念视角出发有效整合教学内容，明确概念层级，如下表所示。

“运动与相互作用”概念层级分析表

上表中，“力是改变物体运动状态的原因”作为这部分内容的大概念，是帮助学生形成“运动与相互作用”物理观念的纽带，也是该部分教学内容的统领和抓手。在物理课堂教学中，教师应该以这个大概念展开教学。该内容知识点繁杂，经过整理得到如上表所示的“运动与相互作用”内容的大概念——核心概念——物理概念的层级来构建。基于此概念层级，在教学过程中应该贯穿“力是改变物体运动状态的原因”这一大概念，突出“运动与相互作用”的物理观念。

2.2 以大概念为核心规划教学主线，强调物理观念

在对知识进行有效整合后，如何将这些物理概念和规律展现在课堂教学中，就需要一条清晰的主线将众多知识点穿起来。这样一条教学主线，既可以帮助学生通过严谨的逻辑线层层递进地学习知识，也可以明确各知识点的联系，每一个知识点都不是孤立的存在，它都具有承前启后的作用。在规划教学主线时，应该注意每一条教学主线的设计都应该以大概念为抓手展开，将大概念教学理念贯穿整个教学过程，在教学活动中强调物理观念，为后面逐步形成和发展物理观念进行铺垫。

教学主线主要可以分为两种类型：(1)对应每一个物理概念、规律的知识逻辑线；(2)一个有趣的故事情境线。也可以选择知识逻辑线和故事情境线两条线齐头并进、相辅相成，效果更优。

例如，学生在面对相对于初中变得更加抽象和复杂的物理概念、规律时，难免会感到物理学习的难度大幅度提高。这就需要教师在教学前先对知识进行有效整合，再进一步以“力是改变物体运动状态的原因”这一大概念为核心，设计“运动观——相互作用观——运动与相互作用观”的教学主线，再依据该教学主线设计教学活动，详细如图2所示。

图2 “运动与相互作用”教学主线

遵循这一逻辑主线展开教学，在教学适时强调相应的大概念和物理观念，让学生明白每学一部分的知识都不是独立存在的，它都会与前后知识产生关联。例如，为何学习完牛顿第一定律后要有一个“探究加速度与力、质量的关系”的实验，这个实验的出现并不是突兀的存在，而是具有它的意义。在牛顿第一定律的学习中，学生明确了力是改变物体运动状态的原因，并理解了惯性以及惯性的大小与什么因素有关。在此基础上，可以适当引导学生思考：是否可以定量探究牛顿第一定律中提及到的这些物理量的关系。

牛顿第一定律中提到，力是改变物体运动状态的原因，那么多大的力可以改变多少物体的运动状态，运动状态也就是之前学习过的速度()，运动状态的改变即速度的改变——加速度()。问题1：力()与加速度()具有什么定量关系呢？牛顿第一定律也称惯性定律，其中惯性是一个新接触到的物理量，惯性的定义是运动状态改变()的难易程度，影响惯性大小的因素是质量()。问题2：质量()与加速度()具有什么定量关系呢？以两个问题作为该实验的导入，既帮助学生明确了各知识点之间的联系，又加深了学生对于牛顿第二定律的理解。

在学生可以运用牛顿定律解释运动后，为何还需要继续学习动能定理和动量定理，这是大多数初学者都难以理解的问题，这导致做题的时候思维混乱，不知道到底应该选用哪一条定理或定律来解题。这时，基于大概念的逻辑线就显得尤为重要。牛顿运动定律、动能定理和动量定理三者是分别由“力是改变物体运动状态的原因”“能量”和“动量”三个大概念展开的三条不同方面，但都用于解释运动的逻辑线。这些知识需要引导学生把握本质，厘清逻辑关系，强调物理观念，从而更好地掌握结构化知识。

详细逻辑线如图3所示。

图3 牛顿运动定律、动能定理、动量定理的逻辑线

2.3 联系实际创设“大”情境承载大概念，形成物理观念

物理观念的形成需要依托情境的创设，通过将复杂枯燥的物理学术问题转化为生动的教学情境，可以较好地体现其中的物理思维。同时，一个好的教学情境可以很好地激发学生学习的内在驱动力并深化学生对相应知识点的理解和掌握。但这里所说的情境并不是只对应于单一知识点，而是一个可以承载大概念的“大”情境。所谓承载大概念的“大”情境，是指在人们的生产生活中，符合学生的认知规律、具有综合性、与大量物理知识相联系的问题情境。这样的情境种类繁多，可以是贴近生活的实际情境，也可以是学习过程中的探索情景。

例如，2021年10月16日，神舟十三号载人飞船在酒泉卫星发射中心点火发射，这让每一个中国人为祖国航天事业的发展感到骄傲和自豪。航空航天这一“大”情境，所涉及的内容覆盖的知识面较广，特别是物理学科，可以很好地激发学生的学习兴趣。每一个孩子在成长的过程中都对浩瀚无边的宇宙有过自己的幻想，航空航天似乎具有一种天然驱动力激发孩子的探索欲望和创新精神。在结束圆周运动的学习后，可以以中国航天“大”情境导入“万有引力与宇宙航天”的新课，根据相关概念设计子问题群，引导学生思考以下问题：

(1)神州十三号载人飞船如何发射的？

(2)神舟十三号载人飞船是如何变轨的？

(3)到达预定轨道后在做什么运动？

(4)能否联系之前学习的圆周运动进行分析？

这一系列的问题串，在引发学生自主思考的同时，注重知识之间的联系和区别，帮助学生建立起知识之间的逻辑体系。以“圆周运动”这一大概念为抓手，创设我国航天事业发展的大情境，帮助学生逐步完善运动观念。

2.4 聚焦于物理“大”问题活化大概念，发展物理观念

在教学活动中，教师都比较重视培养学生利用物理知识解决实际问题的能力。这是因为物理教学的重要目的是：学生面对生活实际问题时，可以利用物理观念去思考和解决问题，形成自己的科学思维，实现观念与实践的有效联通。但大部分教师仅注重与具体单一知识点对应的小问题，而忽略了具有综合性的“大”问题，让学生陷入了“只见树木，不见森林”的局面。所谓“大”问题，是指当面对生活中真实的、复杂的大情境时，可以凝练出包含大量具体物理概念、规律，需要学生运用多方面知识才能解决的带有综合性的核心问题，这里的核心问题即“大”问题。所以，基于“大”情境聚焦“大”问题显得尤为重要，想要发展学生的物理观念，教师需引导学生利用所学知识解决实际生活情境中的“大”问题，对大概念进行活化。这样既可以提高学生的学习兴趣，帮助学生巩固相关知识，还可以在实践中检验、完善和发展学生的物理观念，真正实现具备物理学科核心素养。在“大”问题的解决过程中，其特点是将一个“大”问题分解成数个小问题，最终一一破解。这也正是活化大概念的过程，将大概念转化设计成有效的核心问题，引导学生在解决问题中进一步学习。

例如，基于贴近生活的骑自行车这一大情境，聚焦物理“大”问题。

(1)起动阶段：感觉马路边的树木在后退，是以什么为参考系？此时摩擦力的变化情况如何？

(2)匀速运动阶段：二力平衡相关知识。

(3)刹车阶段：经历多少时间速度减为零？摩擦力的变化情况如何？

(4)转弯阶段：由什么力提供向心力？

通过一个绝大部分学生都经历的“大”情境聚焦物理“大”问题，这些“大”问题有运动学的相关计算，有力学的受力分析，同时贯穿了直线运动和曲线运动。学生运用相关物理概念和规律解决问题的过程中，体会到了物理学知识来源于生活并应用于生活，并且在此过程中很好地发展了学生自己的物理观念，即运动观和相互作用观，从而达到了培养学生物理学科核心素养的教学目的。

所以，从大概念视角出发的教学，促进学生物理观念的形成和发展，实现有效教学，学生可以使用自己形成的物理观念解决实际大问题。

结语

物理学科知识抽象、繁杂，大概念教学有助于找到学科知识的主线，从而展开教学，让知识不再一节一节地孤立存在，而是构成相互联系的物理学科知识网络。这样的整合，实现了从“概念”到“观念”的转变，学生获得的不仅仅是知识，还有思想、能力和观念。所以，物理观念的建立要以大概念的整体建构与夯实为基础，促进课堂转型，致力于培养学生学科核心素养。