基于物理观念形成和发展的高中物理中观教学设计的实践

摘 要：物理观念不仅是物理核心素养的重要组成部分，还承载着联系核心素养其他要素的功能.“教学单元”中重要概念、基础概念之间的关联方式上达物理观念的理解，下承学习路径设计.不同类型“教学单元”的关联方式研究，是中观教学设计的核心.

关键词：物理观念；中观教学设计；关联方式

在《普通高中物理课程标准修订稿》中，对物理观念界定如下：“物理观念是物理核心素养的重要组成部分，是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识；是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华；是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础.”在上述界定中，“物质”“运动与相互作用”“能量”等是物理学的核心概念，因此，物理观念实质是对核心概念的总观性认识，而总观性认识的形成和发展不是知识与技能的累积，而是知识与技能、物理思维、物理方法在综合应用中由浅入深、由表及里地逐级凝炼和升华，从这个意义讲，物理观念不仅是物理核心素养的重要组成部分，还承载着联系核心素养其他要素的功能.这样，基于物理观念的形成和发展的教学设计和实践，便成为高中物理教学研究的重要课题.

一、基于物理观念形成和发展的中观教学设计的内涵和策略

（一）中观教学设计的内涵

关于教学设计，一般有三种类型：一是指向课时的微观教学设计，二是指向课程的宏观教学设计，三是介于二者之间而指向“教學单元”的中观教学设计，其中“教学单元”既可以是教材单元、专题，也可以是跨单元、跨学段的学习主题.中观教学设计的价值取向不是追求每个课时的优化设计，而是从中观视角统筹规划“教学单元”的教学目标、教学内容、教学过程.但在物理教学中，中观教学设计更多体现的是一种理念，而很少应用于教学实践，原因是缺乏中观层面上重要概念、基础概念关联方式构建方面的研究.

（二）基于物理观念形成和发展的中观教学设计

基于物理观念形成和发展的中观教学设计，是指以“教学单元”蕴含的物理观念及其学习进阶作为组织架构模型，系统构建其中重要概念、基础概念的关联方式，统筹规划“教学单元”学习路径和学习方式的一种教学实践.在中观教学设计中，“教学单元”中重要概念、基础概念的关联方式的构建居于核心地位，它上达物理观念的理解，下承学习路径设计.为此，我们对几种常见类型“教学单元”中重要概念、基础概念的关联方式进行研究，期望探讨出中观层面上的学习路径、学习方式的设计策略.

1.基于建模思想的中观教学设计

吉尔伯特认为：科学本身是建模的过程，而学习科学是学生学习建模的过程.[1]建模教学的核心是通过创建模型或修正模型来描述自然现象，并最终理解自然现象.[2]建模历程是个循环往复、不断修正模型的过程[3]，因此，建模教学设计最好基于中观层面系统规划“教学单元”的建模活动，把物理观念的形成和发展统整到模型建立、模型应用这条主线上，相应关联方式的设计可从两个方面展开：一是整个单元教学活动围绕某个模型的建立、应用而展开；二是基于建模思想的横向关联，即整个单元聚焦于几个模型的建构与应用.

2.基于问题解决的中观教学设计

物理观念是物理思维的产物，其形成和发展与问题解决紧密联系.正因如此，新的课程标准明确提出通过问题解决促进物理核心素养的达成.

问题解决类“教学单元”的关联方式设计，一般基于外在和内在关联方式两个层面：在外在关联方式设计上，力求以真实性的问题作为学习主题，具体课时则对应于问题解决的不同层面；在内在关联方式设计上，系统规划物理概念、物理规律建立方式、理解路径，构建一个连贯性、整体性的学习过程.例如，对于“运动的描述”单元，对应运动观的核心内容是：“物体速度是位移的一阶导数，加速度是位移的二阶导数.” [4] 在中学物理中，其基本理解为速度是位置对时间的变化率，加速度是速度对时间的变化率.基本观念的形成和发展途径既可单纯从“数”的角度建立，也可以基于“数形”结合来建立.在人教版教材中，总体编写思想是基于问题解决建立基本观念，具体方式是从“数”的角度研究小鸟、人、汽车、地球等物体的运动情况，同时，单纯从“数”的角度构建基本观念的形成和发展通道.基于问题解决的中观教学设计思考，我们在外在关联方式上，将教材原来零散研究对象重构为汽车运动这一真实性的学习主题，而具体课时则对应于汽车运动的描述、汽车运动位置的变化、位置变化快慢和汽车启动、刹车快慢不同层面上的物理量建立；在内在关联方式上，从两个层面上设计进阶路径：一是以位移矢量性为进阶起点，系统规划速度、加速度的矢量性学习路径；二是以匀速直线运动速度建立为进阶起点，基于数形结合方式系统规划平均速度、瞬时速度以及加速度建立方式和学习路径，具体方式见文献.[5]

3.基于“先行组织者”的中观教学设计

“先行组织者”是指先于学习任务本身呈现的一种引导性材料，它比学习任务本身有更高的抽象、概括和综合水平，并且能清晰地与认知结构中原有的观念和新的学习任务关联.设计“先行组织者”的目的是为新的学习任务提供观念上的固定点，增加新旧知识之间的可辨别性，以促进类属性的学习.[6]显然，基于“先行组织者”的中观教学设计能有效促进物理观念的形成和发展.

例如，在人教版“机械能及其守恒定律”单元，其章首内容“追寻守恒量 能量”明确了单元知识、方法和能量观念之间的联系，是典型的“先行组织者”.对此，应充分发挥章首内容对于其他课时教学设计的先行组织功能，具体方式是基于章首内容中的伽利略理想实验及其拓展模型为学习主题，探讨重力势能变化为何对应于重力做功？动能变化为何对应于合力做功？机械能守恒为何对应于只有重力做功等问题，从而构建起综述性学习内容与具体课时之间的联系通道和整体化的学习路径，促进和发展能量观念，具体内容参见文献.[7]

4.基于科学探究一致性的中观教学设计

科学探究是核心素养的重要组成部分.本体论意义上的科学探究是指由科学思维和科学方法统整的探索性活动，教学论上的科学探究则是指学生在科学知识与科学过程和科学方法的相互作用过程中，发展思维、体会方法、形成和发展科学观念、提高科学素养.从这个意义上讲，科学探究不仅是核心素养的重要组成部分，还是提升物理核心素养的重要途径.

基于科学探究的教学设计，倡导学生学习科学探究的方法、用探究的方法学习.为此，需要教師关注如何构建物理科学方法、物理思维与物理知识一致性整体化的内容体系，关注体会科学方法、提升物理思维与形成和发展物理观念一致性的学习路径、学习方式，我们姑且称之为基于科学探究一致性的中观教学设计.例如，在人教版教材中，电场强度概念的建立是基于隐性的理想实验方法，而诸如磁感应强度、电容、电动势等众多比值类概念均可运用类似的理想实验方法建立.这样，在学习路径规划上，可以在显化电场强度建立中的理想实验方法基础上，将其迁移至其他概念建立方式上，从而构建起科学方法、科学知识一致性的内容体系和学习路径，具体方式参见文献.[8]

当然，由于教材单元的联系方式往往兼具多种特征，造成设计者的联系视角取向不同，其设计的学习路径也有所不同.事实上，正因如此，才使得中观教学设计研究更丰富多彩.

二、中观教学设计的实践——以建模教学的中观教学设计为例

在“万有引力与航天”单元中，关于天体运动的运动观、作用观形成和发展，实质上对应于天体运动模型、作用模型的“选择、建构、验证、分析和应用”过程，由于篇幅所限，本文仅就行星运动模型、作用模型的建立进行探讨.

（一） “行星的运动”的学习路径设计

1.观念与地心说、日心说模型的建立

在科学史上，行星运动模型先后经历了地心说模型、哥白尼的日心说模型以及开普勒行星运动模型三个历史阶段.

作为世界上第一个行星运动模型的地心说模型，经历了漫长的演变、发展历程，体现出了典型的“模型选择、模型建构、模型验证、模型分析、模型应用”的建模特征，其中蕴含的科学研究思想深刻影响着哥白尼的日心说模型、开普勒行星运动模型的建立.事实上，开普勒行星运动模型正是在地心说模型、哥白尼的日心说模型不断修正、拒绝的建模循环中建立起来的.因此，基于建模教学理论规划“行星的运动”学习路径时，应把地心说、日心说模型与开普勒行星运动模型的建立有机联系起来.为此，建议按建模教学环节重组教材“科学足迹”栏目的内容体系，构建供学生课前自主学习的素材，引导学生体会观念在地心说模型、日心说模型建立、修正、拒绝和重构过程中的作用.

2.开普勒行星运动轨道模型的建立

（1）开普勒的第一次宇宙奥秘探索

【观念与模型选择】毕达哥拉斯的宇宙和谐观，构建宇宙的五个正多面体与地球的叠代模型.此模型虽然是错误的，但其创造性的想象力却引起了第谷的注意，并邀请开普勒一起工作，于是，科学史上最完美的组合诞生了.

（2）开普勒的第二次宇宙奥秘探索

【模型拒绝与修正】开普勒认为，行星轨道是真实的，而真实轨道描述不应该用圆周的组合，为此，开普勒拒绝了“本轮—均轮”模型，尝试用一个偏心轮和一个等距轮的组合描述火星运动，经过七十余次试验，仍然没有解决日心说模型存在的问题，第二次宇宙探索失败.

（3）圆周轨道模型的拒绝与椭圆轨道模型的建立

【模型建构】开普勒坚信第谷测量的准确性，并把以往模型失败的根源归结为“正圆”观念，于是，他抛弃“正圆”观念，转而用第谷的观测数据去确定行星的运动轨道，经过长时间的探索，最终用椭圆轨道替代圆周轨道.

3.开普勒第二定律的建立

【事实】开普勒发现，火星在近日点和远日点的矢径在相等时间里扫过的面积相等.

【观念与模型选择】基于毕达哥拉斯的宇宙和谐观、托勒密倡导的“简单性原则”的认识观.开普勒认为如此简单、美妙的关系应该适用于火星轨道上的任一部分，也适用于其他行星.于是，开普勒又抛弃了匀速这个传统观念，并基于事实和外推方法建立开普勒第二定律.

4.开普勒第三定律的建立

【活动1】呈现太阳系几大行星围绕太阳做椭圆运动的半长轴a和周期T，探究二者之间的关系.

【活动2】月球、同步卫星绕地球做圆周运动，其半径分别为0.424×105km、3.844×105km，对应周期分别为1d、27d，试探究二者之间的关系.

（二）“太阳与行星间的引力”的学习路径设计

开普勒突破了正圆、匀速两大传统观念束缚，是天文学史上一次重大思想解放，但在研究太阳与行星间引力作用时，为何又基于匀速圆周运动模型？为何能不考虑行星的巨大体积？在科学史上，这两个问题一直困绕着胡克等物理学家，而牛顿正是突破了上述难点才建立起太阳与行星间的引力作用模型，并进而发现万有引力定律.这样，在“太阳与行星间的引力”的学习路径设计中，毫无疑问需要体现模型的建立过程.此外，教材对于行星与太阳间引力F∝M的建构是基于作用力与反作用力的对称观，从教学逻辑上考虑，它需要进一步地完善.为此，本专题的学习路径可设计为“太阳与行星作用模型中匀速圆周运动模型的建立→质点模型的建立→太阳对行星作用的数学模型F=4[π2kmr2]建立→行星对太阳作用的数学模型F∝M的建立→归纳出太阳与行星作用的数学模型”.

1.太阳与行星作用模型中匀速圆周运动模型的建立

【活动1】在太阳系几大行星中，水星的偏心率最大，其半长轴和半短轴分别为57.9×106km、56.7×106km，试用word按比例准确画出其运动轨迹.画图建议：先用word画半长轴为5.79cm、半短轴为5.67cm椭圆，再画半径为5.79cm的圆，然后把二者重叠.

问题1：根据上面绘图情况，比较圆周与椭圆轨道，你认为在研究某一位置的运动与力关系时，能将其运动轨迹抽象成圆周吗？

问题2：行星绕太阳运动能近似看成是匀速圆周运动吗？尝试依据开普勒第二定律加以说明.

2.行星运动的质点模型建立

【活动2】已知地球到太阳中心的距离约为r=1.5×108km，地球直径为R1=1.3×104km，太阳直径为R2=1.4×106km.试在图1所示的方格纸中心及圆形轨道上按比例分别画出太阳、地球，并说明能否把行星、太阳抽象成质点？（注：图中方格纸的20个小格对应于圆形轨道的直径，太阳、地球直径分别是1格边长的[110]、[11100]）

通过上述两个以作图为主要探究活动，建立起行星运动模型——质点系圆周运动模型.

3.太阳对行星引力大小、方向模型的建立（见教材，略）

4.行星对太阳引力大小模型的建立

【活动1】探究性学习样例的建立

为引导学生探究F与M间的关系，在演绎推理的基础上，再运用理想实验探究F与m间的关系，以构建起探究F与M间关系的学习样例.具体维流程为：“以行星m为研究对象→控制变量：保持M、r不变→思维性操作：把行星等分为质量为m/2小行星，则每颗小行星所受引力为F/2→‘实验结论：F∝m”，其直观性思维操作方式见图2.

【活动2】F与M间关系的探究

仿照上面方法，探究F与M间的关系.

基于上面样例，引导学生按“以行星m为研究对象→控制变量：保持m、r不变→思维性操作：设想把太阳一分为二，每部分质量为M/2，则每质量为M/2的‘半个太阳对行星的引力为F/2→‘实验‘结论：F∝M”流程進行探究，直观性思维操作方式见图3.

6.模型拓展

考虑整体性学习路径规划，还应按下述方式进行模型拓展，以便建立太阳与行星作用模型与“月地检验”间的联系.

问题：月球、人造卫星围绕地球做匀速圆周运动，你认为地球与它们之间的引力是否遵循F=G[Mmr2]？

需要说明的是，虽然指向物理观念形成和发展的中观教学设计是实现核心素养达成的很好的途径，但是面临的困难也是显而易见的，就是物理观念内涵在教学实践层面上的解读问题，尽管一些文献阐述了对物质观、运动观、相互作用观、能量观，但与中学物理实践的关联性并不大，从而给单元观念的归纳带来很大的困难，迫切需要专家作进一步的阐述，此外，物理观念的形成和发展与单元内的关联方式设计对教师提出很高的要求，本文仅仅是抛砖引玉，期望能有更为深入的研究.

参考文献：

[1]王全，母小勇.模型与建模：国际物理教育新视点[J].外国中小学教育，2009（3）：55-58.

[2]翟小铭，郭玉英，项宇轩.物理建模教学例析——以“静电现象的应用”教学为例[J].物理教师，2015（7）：31-35.

[3]赵萍萍，赵博，刘恩山.建模教学研究进展及其对理科建模教学的启示[J].教育导刊，2015（2）：42-45.

[4]任建英.谈物理观念[J].物理教学，2017（2）：49-52.

[5]周栋梁，时春华.基于主题核心概念的高中物理教材重构实践与思考[J].物理教师，2016（11）：8-13.

[6]纪文杰.“先行组织者”策略在实验专题复习课中的应用[J].教学月刊，2016（3）：23-27.

[7]周栋梁.关于“机械能及其守恒定律”的中观教学设计[J].物理教学探讨，2016（11）：66-72.

[8]周栋梁，时春华.理想实验在教材处理中的探索[J].中学物理教学参考，2015（1）：2-6.