学习进阶视域下中学物理概念教学：框架、案例与反思

摘要：首先介绍学习进阶相关内容，包括学习进阶定义、要素、层级。接着根据学习进阶层级，建构中学物理概念教学框架：依据对应经验层级；意义、方法、内涵、外延对应映射层级；关联对应关联层级；应用对应系统层级；创新对应整合层级。随后根据此教学框架，展示具体课堂教学案例：粤教版物理选择性必修第二册“互感和自感”。最后对学习进阶视域下中学物理概念教学进行反思：创设情境是中学物理概念教学基础；突出主体是中学物理概念教学关键；渗透思政是中学物理概念教学亮点；联系生活是中学物理概念教学核心；提升素养是中学物理概念教学目标。

关键词：概念教学；学习进阶；核心素养

中图分类号："G642.4"文献标识码：A"文章编号：1005-4634（2024）04-0045-07

0引言

物理概念是客观事物在人们头脑中的反映，是观察、实验、思维相结合的产物"[1]。物理概念教学具有方法性、科学性、思想性、价值性，凝结着物理思想精华。在物理概念教学中，帮助学生分析自然现象、解决现实问题，是培育学生物理学科核心素养的重要途径。学习进阶融合了最近发展区理论、有意义学习理论、螺旋式课程设计理论、教学最优化理论，被誉为提升学生学习效率的灵丹妙药"[2]。学习进阶视域下的中学物理概念教学，不仅可以强化物理教师的专业能力，提高物理教师的课堂教学效率，也可以深化学生对物理概念的理解、发展学生的物理学科核心素养。

1学习进阶的概念及内涵

学习进阶是学生在学习时所遵循连贯、深入思维路径的描述，也是学生在学习时所遵循连贯、典型学习路径的描述，它由进阶起点、进阶水平、进阶终点、进阶变量、测评工具5个要素构成"[3]。进阶起点是指学生实际情况，包括学生已有知识、思维结构、迷思概念等；进阶水平是指学生预期学习表现，是进阶起点通向进阶终点的台阶；进阶终点是指教学目标，即发展学生物理学科核心素养；进阶变量是指核心概念、关键能力；测评工具是指评价试卷。进阶起点、进阶水平、进阶终点，构成学习进阶视域下中学物理概念教学主线，并通过进阶变量引领、测评工具修正，把零散的知识个体整合为关联的知识结构，从而通过每一节物理教学，既发展学生关键能力，又发展学生核心素养（如图1所示）。

根据学生认知发展规律，进阶水平划分为5个发展层级"[4]：经验（experience），指学生具有尚未关联的零散事实；映射（mapping），指学生建立事实与术语之间关系；关联（relation），指学生建立术语与多个事实关系；系统（system），指学生从系统角度协调变量关系；整合（integration），指学生有学科观念与跨学科概念。从以上5个层级可以看出，学生的认知发展水平是从零散到系统、从具体到抽象、从简单到复杂的过程。为了便于教师理解及应用，借助SOLO分类理论，可以把发展层级转化为层级图示（如图2所示）：经验对应两个零散点；映射对应一个零散点，连接一个零散点；关联对应一个零散点，连接多个零散点；系统对应一个平面；整合对应一个立体。

2学习进阶视域下中学物理概念教学框架

物理概念教学是指在教师引导下，调动学生认知结构中已有感性经验，去感知真实素材，经过思维加工，产生认知飞跃，从而形成完整概念的互动过程"[5]。由建构主义学习理论可得，物理概念教学过程包含8个要素（如图3所示）：“依据”是指与新概念关联的具体事例；“意义”是指引入新概念的必要性；“方法”是指运用比较、分析、综合、想象、归纳、概括等方法；“内涵”是指新概念的本质属性，主要包括概念的定义、公式、单位、方向等；“外延”是指新概念表述的对象和概念适应的范围；“关联”是指新概念与其他概念的相关与联系；“应用”是指把新概念应用到生产生活中去；“创新”是指以新概念为基础，在学科内或多学科之间进行优化整合、发明创造。

“依据”找到了新概念的生活基础，体现尚未关联的零散事实，对应经验层级。“意义”体现了新概念的必要性、“方法”说明了概念研究的规范性、“内涵”反映了新概念的学科基础、“外延”指出了新概念的适用范围，这些都体现事实与术语之间关系，对应映射层级。“关联”建构了新概念的知识结构，体现术语与多个事实关系，对应关联层级。“应用”显示了新概念的生活价值，体现从系统角度协调变量关系，对应系统层级。“创新”突破了新概念的认知边界，体现学科观念或跨学科概念，对应整合层级。通过以上分析，找到了物理概念教学与学习进阶之间的对应关系，从而建构出学习进阶视域下中学物理概念教学框架（如图4所示）。根据此框架实施的物理概念教学，既符合学生认知规律，也符合知识呈现规律，还符合学科教学规律，有利于实现课堂深度教学，发展学生核心素养。

3学习进阶视域下中学物理概念教学案例

中学物理教学过程，旨在落实立德树人根本任务，提升学生物理学科核心素养。学习进阶视域下中学物理概念教学过程，就是以物理概念为主线、以发展层级为方式、以物理学科核心素养为目标进行课堂教学。本研究以粤教版物理选择性必修第二册“互感和自感”为案例"[6]，展示学习进阶视域下中学物理概念教学过程，其教学流程如图5所示。

根据以上教学流程，设计学习进阶视域下中学物理概念教学过程，并从师生活动、设计意图两个方面进行重点说明。

3.1经验层级——设计实验，引出概念

物理概念源于生活，教师应该创设真实生活情境引出物理概念，既体现物理概念的现实价值，也激发学生的学习兴趣。

师生活动：首先教师引导学生回顾，如图6所示，给螺线管加上电流，螺线管周围就产生磁场；若螺线管中的电流发生变化，则螺线管周围磁场也发生变化。然后教师引导学生推测：（1）若在螺线管外部磁场某处放入一个闭合线圈，由法拉第电磁感应定律，推测得到这个线圈就会产生感应电动势；（2）因为螺线管内部磁场也发生变化，由法拉第电磁感应定律，推测得到这个螺线管自身也会产生感应电动势。

为了证明以上推测，教师设计3个实验进行验证，引导学生观察、分析与归纳。

实验一：如图7所示，把一根普通导线绕30圈以上，连接在小灯泡两端，让线圈与小灯泡组成闭合回路。在电磁炉上放一个装有部分水的铁碗，接通电磁炉电源，电磁炉稳定运行。把闭合回路移到电磁炉上空，发现小灯泡发光。小灯泡之所以发光，就是因为线圈上产生了感应电势，从而验证了推测1。

实验二：如图8所示，小灯泡A1与滑动变阻器R相连，小灯泡A2与线圈L相连，闭合开关S瞬间，发现与滑动变阻器R相连的小灯泡A1立刻正常发光，而与线圈L相连的小灯泡A2却逐渐变亮。小灯泡A2之所以逐渐变亮，就是因为线圈上产生了感应电动势，阻碍灯泡电流立即变大，从而验证了推测2。

实验三：如图9所示，小灯泡A与线圈L并联，先闭合开关S，待小灯泡A正常发光后，再断开开关S，发现小灯泡A不是立即熄灭，而是逐渐熄灭。小灯泡A之所以逐渐熄灭，就是因为线圈上产生了感应电动势，阻碍小灯泡电流立即变小，从而也验证了推测2。

教师鼓励学生用自己的语言归纳实验现象：当一个线圈中的电流变化时，会在另一线圈中产生感应电动势，这种现象称为互感现象，这种感应电动势称为互感电动势；当一个线圈中的电流变化时，会在自身线圈中产生感应电动势，这种现象称为自感现象，这种感应电动势称为自感电动势。

设计意图：杨振宁教授说，“现象是物理学的根源。”物理概念教学中，教师需要创设实验，从生活中找到物理概念事实依据，体现物理概念“从生活中来”，由此可以培养学生物质观念核心素养。学生通过观察实验现象，用自己的语言进行分析、归纳、交流，有利于培养学生科学探究核心素养。

3.2映射层级——建立模型，分析概念

真实情境比较复杂，为了突出主要因素而忽略次要因素，物理研究常用模型建构方法。教师引导学生把演示实验转化为物理模型，分析互感现象和自感现象。

师生活动：针对图7实验，电磁炉相当于螺线管X，导线与小灯泡连接相当于闭合回路Y，当电磁炉接通交流电源，即相当于通过螺线管X的电流IX发生变化，在螺线管X周围产生变化的磁场BX，变化的磁场BX让闭合回路Y的磁通量ΦY发生变化，从而在闭合回路Y中产生感应电动势EY，因此在闭合回路Y中形成感应电流IY，故小灯泡发光。这个现象是当X线圈中的电流变化时，会在Y线圈中产生感应电动势，故为互感现象。根据以上分析，教师引导学生得出互感规律：互感电动势大小为E=nΔΦΔt；互感电流的方向满足楞次定律。

针对图8实验，线圈L相当于螺线管X，闭合开关S瞬间相当于通过螺线管X中的电流IX变大，即螺线管X中的磁场BX变大，从而螺线管X的磁通量ΦX变大，根据法拉第电磁感应定律，在螺线管X中会产生感应电动势EX，再根据楞次定律，得到感应电动势EX要阻碍原电流IX增大，因此与线圈L串联的小灯泡A2的电流IX逐渐增大，故小灯泡A2逐渐变亮。这个现象是当X线圈中的电流变化时，会在X线圈中产生感应电动势，故为自感现象。

针对图9实验，线圈L相当于螺线管X，断开开关S瞬间相当于螺线管X中的电流IX变小，即螺线管X中的磁场BX变小，从而螺线管X的磁通量ΦX变小，根据法拉第电磁感应定律，在螺线管X中会产生感应电动势EX，此时螺线管X与小灯泡A形成闭合回路，再根据楞次定律，感应电动势EX要阻碍原电流IX减小，即线圈L中的电流逐渐变小，故小灯泡A是逐渐熄灭的。这个现象也是当X线圈中的电流变化时，会在X线圈中产生感应电动势，故为自感现象。

根据以上分析，教师引导学生结合相关理论，得出自感规律：自感电动势大小为E=LΔΦΔt，其中L表示自感系数，它与线圈的形状、长短、匝数、是否有铁芯相关，其单位是亨利，简称亨，符号为H（同时补充说明：物理学家亨利，1831年发现自感现象，1835年解释自感现象，他没有申请专利，而是把他的研究成果及其发明创造无偿献给社会，其高风亮节、无私奉献精神受到后人敬仰，因此把自感系数单位确定为亨利）；自感电流的方向满足楞次定律，即自感电流“阻碍原电流变化”，若原电流增大，自感电流方向与原电流方向相反，若原电流减小，自感电流方向与原电流方向相同。

设计意图：教师引导学生，先把演示实验转化为物理模型，再用物理学科知识进行分析，培养学生模型建构、科学推理等科学思维。为了感谢物理学家亨利把自己的研究成果及其发明创造无偿献给社会，物理学界把自感系数单位命名为亨利，这既体现了物理学家的无私奉献精神，也反映了物理学界对亨利品行的认同与褒扬。教师在教学中自然地渗透这些思政元素，从而培养学生的科学态度、社会责任等物理学科核心素养。

3.3关联层级——形成网络，建构概念

任何物理概念都不是孤立存在的，每个物理概念都与其他概念相互联系，形成纵横交错、上下层级结构。

师生活动：教师引导学生分析物理概念形成过程，找出各个物理概念之间的逻辑关系，建构物理概念结构。如图10所示，螺线管X中的电流IX发生变化，会引起螺线管X的磁感应强度BX发生变化，若在螺线管X外部某处放入一个闭合线圈Y，则这个线圈Y的磁通量ΦY发生变化。根据法拉第电磁感应定律，线圈Y上就会产生感应电动势EY，从而产生互感现象；螺线管X中的电流IX发生变化，会引起螺线管X的磁感应强度BX发生变化，则螺线管X自身的磁通量ΦX也发生变化，根据法拉第电磁感应定律，螺线管X自身上就会产生感应电动势EX，从而产生自感现象；互感现象和自感现象，本质上都是电磁感应现象，都满足法拉第电磁感应定律和楞次定律。

设计意图：教师引导学生回顾教学过程，根据物理概念之间的逻辑联系，让每个学生在自己心中建构物理概念图式，有利于学生形成知识网络，增强学生应用知识能力。通过物理概念图式，可以清晰看出互感现象、自感现象的本质都是电磁感应现象，有利于学生理解物理概念本质，形成物理观念。

3.4系统层级——联系生活，应用概念

互感现象与自感现象广泛存在于生活之中。有些互感现象、自感现象对生活有利，要加以利用；有些互感现象、自感现象对生活有害，要加以防止。

师生活动：教师精选生活中利用互感现象、自感现象的实例，引导学生进行定性分析：如图11所示，变压器利用互感现象，可以把低压升为高压进行远距输送，也可以把高压降为低压进行日常照明；如图12所示，日光灯利用自感现象，在电源开关接通时，由于启辉器通电后很快断电，在镇流器上产生瞬时高压，使灯管内的气体电离发出紫外线，激发管壁上的荧光粉发出可见光，从而让日光灯正常工作。

教师精选生活中防止互感现象、自感现象的实例，引导学生进行定性分析：如图13所示，电源连接器是为了避免产生互感现象，即通过连接器内部特殊结构，可以减少电源接通时因为互感现象而对用电设备造成的损伤；如图14所示，安全开关是为了避免产生自感现象，即通过安全开关的特殊处理，当高压线在接通和断开瞬间，可以减少自感现象对线路设备造成损伤。

设计意图：物理知识来源于生活，又服务于生活。用互感现象、自感现象解释生活实例，有利于学生理解概念，增强学生用物理知识分析实际问题、解决实际问题能力，培养学生物理观念。针对互感现象、自感现象，列举利用与防止实例，体现一分为二的辩证思维，培养学生科学态度。

3.5整合层级——学生体验，深化概念

体验是一种心智活动，是真正有效的学习方式。学生用自己的身体去体验物理知识，对物理知识的产生进行深刻领悟。顾明远教授说，“学生成长在活动中”，活动的本质就是体验，体验是学习真实发生的前提条件。

师生活动：教师设置学生体验环节：图15为触电体验仪（俗称千人震），装有一节电动势为1.5V的干电池。教师引导学生积极猜测：两个同学各一只手握住其中一个小球，另一只手与其他同学手拉手围成一个闭合回路，当接通开关时，同学们会不会有触电感觉？当断开开关时，同学们会不会有触电感觉？学生发表各种猜测后，教师再接通开关和断开开关让学生进行体验：接通开关时同学们没有触电感觉，而断开开关时同学们有明显触电感觉。教师先把触电体验仪转化为物理模型——闭合电路（如图16所示），再请学生分析：同学们手拉手连接在导线1和导线2两端，等效与整流器并联，接通开关时，由于电动势为1.5 V，在同学们身上产生的电流太小，同学们没有触电感觉；当断开开关时，镇流器中的电流突然减小，由于自感现象，会在镇流器中产生瞬时高压，而镇流器与同学们组成闭合回路，则会在这个闭合回路中产生瞬时强电流，因此同学们有明显的触电感觉。

设计意图：“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”物理知识学习完后，尽量创设实验让学生体验。体验既可以加深学生对知识的理解，激发知识创新，培养物理观念，也可以使学生感受知识的魅力，激发学习兴趣，培养科学态度。

4学习进阶视域下中学物理概念教学反思

教学反思是指教师从分析教学活动中获取教学经验的认知过程，它既包括教师回顾总结的过程，也包括教师经验升华的过程。通过教学反思，提炼教学理论，形成教学策略，可以对教学实践进行主动监控、调节与修正。

4.1创设情境是中学物理概念教学的基础

情境是指一定时间内各种情况与境地。教学引入遵循“由实及虚”原则，即能够演示就不用视频、能够视频就不用图片、能够图片就不用语言。根据美国霍尔顿教授提出的“物理学三维结构模型”和苏联费多琴柯提出的“经典力学平面结构模型”，首都师大邢红军教授提出以科学方法为中心的“物理学知识—能力结构”"[7]（如图17所示），可以作为物理教学理论。从图17可以看出，事实是知识的来源，也是认知的起点，这为“创设情境”引入概念找到了理论依据。在该理论指导下，并结合经验层级，创设情境——3个演示实验，可以作为概念引入教学基础。"

4.2突出主体是中学物理概念教学的关键

主体是指学生主体，是指在教学活动中，学生具有自主性、主动性、创造性。《义务教育课程方案（2022年版）》在“课程实施”中明确指出：“创设以学习者为中心的学习环境，凸显学生的学习主体地位。”其中，“教学建议”要求“要有教师的合理指导，确保活动循序渐进”，突出教师的学习主导作用。纵观本节教学过程，教师一直处于主导作用，让学生自己去推测实验现象、归纳实验规律，让学生自己去分析互感自感现象、建立互感自感概念结构图式，让学生自己去解释利用与防止，并鼓励学生参与自感体验。

协同学理论表明，学生是教学的主体，教师是教学的主导，但教师是主导并不表示只起非决定性作用，学生是主体也不表示都起决定性作用。教师和学生在不同的教学阶段，分别起决定性作用（表1）"[8]：教师在被组织阶段起决定性作用（如讲例题阶段），学生在自组织阶段起决定性作用（如做练习阶段）。在物理概念课堂教学过程中，教师的讲述是必要的，以学生为主体的课堂并不排斥教师的讲述。若没有教师的讲述，概念的理解就无法深入，若没有教师的讲述，概念的探究就失去方向。

4.3渗透思政是中学物理概念教学的亮点

思政是指物理课程思政，是指以物理知识为载体，融入思想政治教育内容，有意识地培养学生思想政治素质的教学理念。2016年12月7日，习近平总书记在全国高校思想政治工作会议上指出：“好的思想政治工作应该像盐，但不能光吃盐，最好的方式是将盐溶解到各种食物中自然而然吸收。”物理概念教学过程采用“精选素材”，对学生潜移默化地实施物理课程思政。例如，介绍物理学家亨利渗透品德修养、介绍特高压线路变压器渗透家国情怀等，会起到“随风潜入夜，润物细无声”的良好效果，可以成为概念教学亮点。

4.4联系生活是中学物理概念教学的核心

认知心理学表明，让学生真正理解知识的最有效方式就是把知识应用于生活"[9]。建构主义教学观指出，知识不能脱离真实生活而抽象存在；课堂教学应该与真实生活联系起来。在物理概念教学过程中，教师要把物理概念引向生活，联系生活是概念教学核心。互感自感在生活中经常出现，教师通过精心挑选生活素材，把自感互感融于生活素材中，让学生把生活素材转换为物理模型，运用法拉第电磁感应定律解决生活问题，增强学生解决问题能力，体现物理学科应用价值。如，选用高压输电变压器、高压线安全开关等，把物理与生活联系起来，让学生体会到生活即物理、物理即生活。

4.5提升素养是中学物理概念教学的目标

素养是指物理学科核心素养，主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任4个方面"[10]。中学物理概念教学的目标不是概念本身，而是通过物理概念学习，提升学生物理学科核心素养。在课堂教学过程中，如何培育学生物理学科核心素养？可以简化为如下关系：物理知识+真实情境+实践活动=物理学科核心素养。在备课过程中，采用“三序合一”设计教学过程（图5），以有效落实物理学科核心素养教学目标。三序是指知识序、进阶序、素养序。知识序为物理学科知识呈现顺序，进阶序为学习进阶发展层级顺序，素养序为物理学科核心素养顺序。“三序合一”就是指在教学设计过程中，把物理学科知识内容按照某种逻辑关系进行排序，让中学物理概念教学过程既符合学习进阶发展层级顺序，又培育学生物理学科核心素养。

5结束语

学习进阶是目前全球教育教学研究的热点，对中学各个学科都有较强的指导作用。笔者把学习进阶应用于中学物理教学各个方面，先后进行了学习进阶视域下中学物理规律教学、中学物理习题教学、中学物理复习教学、高考物理试题分析，都取得了良好效果。实践证明，运用学习进阶指导教学实践，不仅可以优化教学设计、活跃课堂氛围，而且可以提高学习兴趣、发展学生思维，提升应用能力。学习进阶符合学生认知规律，物理概念属于物理课程重要内容，用学习进阶视域下中学物理概念教学框架进行课堂教学，有助于学生理解物理概念、应用物理概念，从而使学生实现深度学习、训练高阶思维，最终提升创新能力与核心素养。

参考文献

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[10] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版，2020年修订）[M].北京：人民教育出版社，2020：4.

Teaching physics concepts in middle school from the perspective of advanced learning：framework，cases，and reflection

DONG You-jun

（East Branch of Guangzhou Education Research Institute，Guangzhou，Guangdong510700，China）

Abstract

Firstly，introduce the relevant content of learning advancement，including the definition，elements，and hierarchy of learning advancement.Then，based on the hierarchical level of learning，construct a teaching framework for middle school physics concepts：based on corresponding experience levels;The mapping hierarchy corresponding to meaning，method，connotation，and extension;The corresponding level of association;Application corresponding system level;Innovation corresponds to the integration level.Subsequently，based on this teaching framework，specific classroom teaching cases will be presented：Guangdong Education Press Physics Selective Compulsory Volume 2 “Mutual Inductance and Self Inductance”.Finally，a reflection on middle school physics teaching from the perspective of advanced learning：creating contexts is the foundation of middle school physics concept teaching;Highlighting the subject is the key to teaching physics concepts in middle schools;Infiltration of ideological and political education is a highlight of middle school physics concept teaching;Connecting with life is the core of middle school physics concept teaching;Improving literacy is the goal of middle school physics concept teaching.

Keywords

concept teaching;advanced learning;core competencies

[责"任编辑马晓宁]

收稿日期：2022-12-30

基金项目：广州市教育科学规划2024年度重点课题（202315835）

作者简介：*董友军（1976—），男，湖南衡阳人。中学高级教师，主要研究方向为中学物理教学。