用大概念教育促进高中物理观念的形成与发展

作者简介：曹宝龙，杭州市基础教育研究室主任。教育学博士，教授，中学正高级教师，物理特级教师，浙江省科学教育学会会长，浙江省物理教育学会副会长，浙江省督学。教育部课程教材专家委员会委员，高中物理课标修订组核心成员。

摘 要： 物理观念是学习物理概念与规律之后学习者经过了信息再加工处理过程，提炼升华从而形成的关于物理问题的认识，是高中物理学科核心素养之一。大概念教育是提升物理观念水平的重要方法。用“物质”“运动与相互作用”和“功与能”三个核心概念就可以构建高中物理概念体系。以下措施可以促进学生物理观念的形成与发展：加强概念联系，把概念“做大”；将新概念的学习融合于已有的概念体系；将概念尽可能拓展到一般性的适用范围；用大概念视角解释和解决问题；注重概念建立和概念应用的过程与实际情境的联系；合理设计课堂教学的物理观念目标。

关键词：物理观念；大概念；学科核心素养；高中物理大概念体系

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2019）1-0001-7

物理观念是修订版普通高中物理课程标准提出的物理学科核心素养之一，它与科学思维、科学探究和科学态度与责任组成高中物理学科的核心素养体系，这也是高中物理的课程目标。形成与发展学生的物理观念是高中物理的重要任务，也是课程改革中物理教学的重点。

1 物理观念的概念界定

观念是人们对世界的认识和看法，是人们根据已有的经验形成的基本认识。从认识论的角度来看，人们对世界的观察、研究等经验事实的累积会对一个事件或一类事件形成一些基本的看法，这些看法有的是反映对象的本质属性，有的是反映对象的表面特征，有的与对象的本质属性有偏差或者完全不同，但这些都是个人对这個“被观察的世界”的认识。主体对客观对象形成观念有以下性质：（1）观念形成源于主体对客观对象所感觉到的现象；（2）主体对客观对象的经验有直接的和间接的；（3）主体对所获得的经验材料有一个综合性的信息加工过程。因此，观念是主体对客体对象所感觉到的所有现象经过综合加工所形成的认识。这种认识有些是正确的，有些是不全面的，有些可能是错误的，主要原因是观念的形成取决于主体所获取的经验或信息的数量、种类和总量等的多少、主体对感知材料的综合处理能力等因素。

从教育与学生心理发展的角度来考虑，观念是什么性质的呢？按照安德森（Anderson，2001）对布鲁姆理论的修改版可知，观念应该属于知识的一个类型，属于概念性知识[1]。而从马扎诺来看，观念应该是知识系统中的信息类知识。知识系统有信息、心理程序和心理运作程序三种类型，而信息由细节（details）和有组织的观念（organizing ideas）组成；细节由术语（vocabulary terms）、事实（facts）、时间序列（time sequences）组成；有组织的观念由概括（generalizations）、原理（principles）组成[2]。所以，观念就是马扎诺所指的“有组织的观念”。这里“有组织”的意思是指两方面：一方面指观念是对经验材料的概括化重组；另一方面是指主体对客观材料的心理加工过程所形成的观念是具有结构化“组织”的。

“物理观念”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与升华；是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础[3]。所以，我们可以认识到以下几点：（1）物理观念包括三个方面，物质、运动与相互作用和能量三方面的观念；（2）物理观念不是物理概念和规律的本身，而是通过学习概念和规律之后在我们头脑中形成的更进一步的认识，这种认识本身主要反映了学习者对概念和规律的自我加工成果；（3）物理观念的学习是为了学习者能够用观念去解释自然现象，解决实际问题。

物理观念应该有两种基本类型：（1）对事物性质的概括所形成的概念。例如，当物体本身的大小对研究的问题几乎没有影响时，可以把物体看成质点；力的作用是相互的；力可以使物体运动状态发生改变或使物体发生形变；物质由大量分子组成；分子做无规则的热运动；电场线的疏密程度可表示电场强度；电阻是由材料属性、导线长度、导线横截面积和温度等因素决定的；光具有波粒二象性等等。（2）对一些现象的归纳所形成的规律。例如，温度越高，分子运动越剧烈；通过导体的电流与导体两端的电压成正比，与导体本身的电阻成反比；物体运动的加速度与所受的合外力成正比，与物体本身的质量成反比；两个天体之间的引力为F=Gm1m2/r2；穿过闭合回路中的磁通量发生变化，回路中就会产生感应电流；如果某一区域内的磁通量发生变化，其周围就会形成感应电动势等等。当然，这两类观念之间也没有非常明晰的界线。例如，通过一系列实验得出“穿过闭合回路中的磁通量发生变化，回路中就会产生感应电流”这个结论，显然应该是规律层次的。但对于一个早已熟悉这个规律的人来说，这就应该属于概念层面的了。

学生头脑中形成的物理观念并不完全等同于马扎诺知识系统中的概括和原理，即不会完全与学习的物理概念与规律本身相同。例如，我们发现地面上的物体有力拉它，它就会运动，力停止作用后物体便静止了。于是我们可能会认为“有力才有运动”，这种认识是我们对生活中大量相似现象观察后形成的概括，这就是观念。当然，这个观念是错的，原因是我们没有对现象本质作深度分析，而是从表象得出的结论。所以，形成什么样的观念，不仅与学习者掌握的经验材料有关，还与学习者对这些材料的心理加工过程、加工水平等有关。

学生从课本上学习的概念和规律应该是以优质的学习过程支持的，学习过程的经验或经历越丰富，就越能促进概念形成和对规律的正确认识。概念应该是在大量的经验事实的基础上形成的，如果教学过程是“速成”的，是教师以“简捷”的方式告知的，没有必要的学习经历支持，即使学生知道了某物理概念或规律，也不可能形成正确、全面而又有深度的观念，也不可能将获得的观念自觉应用于相关的物理现象和物理问题。

物理概念的学习是物理观念形成的重要组成部分，也是物理学习的基础与核心。物理概念的学习应该重视概念的本质属性、概念之间的关联，重视物理概念的深度理解与实际情境中的解释性应用[4]。大概念教育是教学中强化概念的本质属性、拓展概念之间联系的一种重要的手段和方法，它能让学习者在更大的视域内认识问题，从宽泛的角度形成物理观念，提升学生的物理观念水平，发展学生的学科素养。

2 认识大概念

概念是反映对象本质属性的思维形式，是对事物概括后形成的一种存在于人的头脑中的观念。大概念是科学教育提出的一个名词，大概念是在一组概念群中起核心引领作用的概念。大概念是相对于一般概念而言的，是一种比组内其他概念更具抽象水平、更具有一般意义的概括性表达。

科学大概念包括学科核心概念、共通概念和关于科学本身的概念。核心概念是指满足以下四个条件中两个或两个以上的科学概念：（1）在知识结构上处于上位的能够确定学科边界的概念，或是能够组织具体学科知识的关键性概念；（2）能够与实际生活建立强联系的概念，或能够帮助认识的基础性概念；（3）与学生的兴趣和生活经验相关，或与科学和技术有关的社会或个人问题相关；（4）通过增加深度和复杂性，能在多个年级中进行持续的教和学。例如，生物—动物—脊索动物—昆虫……，能量—机械能—势能—重力势能……，在上述系统中，上一级概念是下一级概念的核心概念。

共通概念是指通行或适用于科学各学科之间，不同科学领域之间都需要理解和使用的科学概念。这类概念帮助学生将不同学科之间相互联系的知识构成一个连廊，组成连贯的科学世界。例如，运动、转化、守恒、对称、作用、时间、空间、质量、能量、信息与波等，这些概念可称为科学学科的共通概念。

关于科学本身的概念，或者OECD定义的关于科学的知识（Knowledge about science）是指学生在科学学习过程中需要理解的关于科学本质、科学探究、科学方法、STSE等方面的概念。科学本质教育是科学教育的热点，可以帮助学生理解“科学是什么”“科学如何研究”“科学有什么意义”等问题，这些问题的研究与解释有助于学生提升其科学决策能力，帮助学生理解相关的概念，形成大概念[5]。

物理学习中，大概念的教学可以帮助学生从物理学整体上，甚至于科学的整体上把握物理概念与规律，把整个物理学科连成一个整体。大概念能够强化学生的物理学与实践、物理学与生活之间的联系能力，是提高物理观念水平、提升物理学科素养的重要组成部分。

3 构建高中物理大概念体系

高中物理核心概念是建立物理观念的基础。根据修订版课程标准，我们可以确定三个高中物理大概念：物质、运动与相互作用、功与能量。从这三个大概念出发可以建立物质观、运动与相互作用观和能量观。我们可以试着从三个大概念出发来建构表1所示的高中物理概念体系。

我们可以用概念層级来表达高中物理概念之间的逻辑体系。我们从高中物理核心概念物质、运动与相互作用、功与能量为逻辑起点展开高中物理概念体系，可以把高中物理的所有概念都涵盖于该体系中。为了清晰表达，我们用图1所示的“概念总体系”和图2到图5所示的局部图逐一表示。

4 大概念的教学建议

大概念的理念并不是概念本身的大小问题，而是让我们在教学过程中注重概念之间的联系、概念与实际情境的联系。关注这样的“联系”，学生才有可能对概念有深度理解，形成物理核心素养所要求的物理观念。

4.1 加强概念联系，把概念“做大”

物理大概念的形成首先要加强概念之间的联系。一些概念之间看上去没有什么关联，但它们背后可能存在很有意义的联系。例如，我们可以把初中物理（科学）的密度概念扩大，从一维密度、二维密度、三维密度到四维密度进行深刻的理解，就可以更进一步深度理解平常说的密度（）概念。描述电线上鸟的疏密程度（一维）、田野里昆虫的密度（二维）、空气质量指数（颗粒物的体密度，三维）等都可以用密度来表示。因此，密度是一个大概念。其实，课本上密度定义式表示的是关于质量的体积密度，即物质质量的三维密度。同理，我们可以把压强（）理解成力的面密度的大小，力的面密度越大，就是压强越大，针尖刺物时力的面密度极大；还可以用雨滴的面密度的大小来客观表达下雨大小的程度；用电场线的面密度（）表示电场强度；用磁感线的面密度（）表示磁感应强度[6]。因此，我们把密度看成是反映物质某种特性的疏密程度的话，它就是一个大概念。

4.2 将新概念的学习融合于已有的概念体系

如果原有的概念中有新概念的上位概念或下位概念，那么我们必须搞清它们之间的联系，这有利于构建概念的“大家庭”。例如，我们是从电场力做功的角度来学习电势差概念的，所以电场力做功与电势能的概念将会有很强的联系。那么，我们必须在电场力做功与电势能变化的大概念下学习与理解电势差的概念。获得电势差概念后我们可以问学生：电势差的本质是什么？是移送单位电荷过程中电场力所做的功的多少。但这样的联系还不够，初中阶段我们学过的电路两端的电压（电势差）是什么意思呢？其实，电压（电势差）的本质可以从能的角度来考虑，两点之间的电压（电势差）越大，在两点之间移动电荷时电场力所做的功就越多，或者说电荷移动时“释放”的动能越大，这就说明电压（电势差）表示单位电荷移动时电场力对电荷做功的多少。电压（电势差）的本质也可以从力的角度来考虑，电路两端如果没有电压（电势差）也就没有电流，说明电荷不会定向移动，如果电路两端加上电压（电势差），电路中就会产生电流，加的电压（电势差）越大，电流就越大，这说明电压（电势差）的本质是对电荷的“推动作用”，而且这种“推动作用”与电压（电势差）的大小有关。因此，电压（电势差）概念的学习涉及到的概念很多：电场强度、电场力、电势能、电势、功、“推动作用”等。如果与重力场类比，涉及的概念就更多了。

4.3 要尽可能将概念拓展到一般性适用范围

新概念的学习中，要尽可能让一个新概念建立在更大的适用范围内，以利于新概念更牢固地融入到概念体系中。例如，功的概念是力与力的方向上的位移的乘积。虽然我们的定义是建立在力学中的机械运动的情境之上的，这个“功”是否只适用于力学呢？不是！它适合于所有物体运动时做功量的计算，只要有力和力的方向上的位移这两个要素即可。例如，电荷在电场中移动、原子的电离过程、分子之间的距离变化等都可以用功的概念或计算式进行判断和计算。

4.4 用大概念视角解释和解决问题

物理学中很多概念的形成有其特定的范围，但它的使用范围往往超出了引出情境的特定范围。利用概念的这种特性往往可以解释和解决很多疑难问题。例如，一个人提着30 kg的物体300 s，但物体没有移动，我们往往说人对物体没有做功，原因是力的作用点没有发生位移。学生却很难理解这个问题。如果老师说，没有什么可怀疑的，因为物体没有发生位移，所以做功为零。学生还是会疑问：我提着这么累，你说我不做功？其实，这个案例中人对物体没有做机械功。那么，人为什么会感觉“累”呢？其实这个人是做功的，但这个功不是机械功，做功使得人体内发生复杂的能量转化过程，使体内的化学能转化成热能。直观地看，因为人提着物体使他出现体温上升、出汗等状况。其实，“机械功”是一个小概念，而“功”是一个大概念，从功、机械功两个角度来分析解释这个问题，比单一地从机械功的角度来解释效果会更好。因此，用大概念的理念强化概念之间关联的能力，对理解新概念非常重要。如果我们把力学中的功与能的概念进一步联系和扩大，就很容易理解hν-W=mv2这个方程式了。

4.5 注重概念与实际情境或实际问题的联系

新概念的引入一般来自实际问题研究的需要，所以概念的引入需要有实际情境的支持；新概念获得后可用来解释或解决实际问题，所以概念的应用可扩大新概念的涉猎范围。例如，学习动量与冲量，我们需要创设相互碰撞的实际问题，在实际问题的研究中寻找出碰撞过程中的守恒量是质量与速度的乘积。然后自然会想到：引入一个质量与速度的乘积组成的物理量是很有意义的，将这个物理量称为“动量”；接着再研究动量变化的原因，是力和力对物体的作用时间共同决定的，所以可引入冲量的概念；就得出动量和冲量之间的关系——动量定理。这个过程结束后，我们可以用动量的概念和动量与冲量之间的关系来解决很多牛顿运动定律很难解决的实际问题。所以，动量概念的学习要从实际情境中来，再回到实际问题中去。所以，大概念的“大”也体现在概念的引入和概念的应用要尽可能与实际情境联系，以此扩大学习者的经验范围。当然，动量与冲量的关系（动量定理）对进一步深化动量和冲量概念非常重要，而且这样的学习为动量守恒定律的探索奠定了很好的基础。

4.6 合理设计课堂教学的物理观念目标

物理课堂教学要体现素养发展理念，就必须在教学设计上体现观念目标。根据我们的研究，一节课的内容比较少，教师很难表达学生通过一节课的内容学习所获得的“物理观念”，原因是我们总认为“物理观念”很大很抽象，而一节课不可能让学生真正获得大概念。事实上，一个大概念往往由很多相关的小概念逐渐累积而形成。因此，我们可以把一节课的“物理观念”理解成：通过一节课的物理概念、物理规律的学习，学生对相关问题所获得的自我认识，这种认识可以是很小很具体的事实陈述。我们发现这样的解释与处理，使所有参与实践性研究的教师都能够写出一节课的“物理观念”目标了[7]。

下面我们分别以“动能定理”（必修2）和“动量定理”（选择性必修1）为例，来设计课堂教学的物理观念目标。

“动能定理”的物理观念目标重点在如何寻找力在一段位移后发生的效应，我们从力在一段位移上发生的物体运动状态的变化描述，建立功的概念、与功对应的表达物体能量改变的物理量。所以可以表达成：让学生认识到力作用一段空间距离后对物体运动状态的变化会产生影响，这个影响就是物理量mv2的变化。

“动量定理”的物理观念目标重点在如何寻找力作用一段时间后发生的效应，我们从力在一段时间内使物体的运动状态发生变化的描述中，建立冲量的概念以及与冲量对应的表达物体动量改变的物理量。所以可以表达成：让学生认识到力作用一段时间后对物体运动状态变化会产生影响；它所产生的效应是物理量mv的变化。

强调物理概念与规律的重要性，以物理概念与规律的强化来提升学生的物理学科素养一直是物理教师们的努力方向。修订版课程标准提出物理观念教育的要求，从概念与规律的学习获得的物理观念水平的提升来提升物理学科素养，这需要我们改进教学目标体系与实施方式，提倡与开展大概念教育无疑是有效的方法。

参考文献：

[1]吴红耘. 修订的布卢姆目标分类与加涅和安德森学习结果分类的比较[J]. 心理科学， 2009（4）：994-996.

[2]盛群力.旨在培养解决问题的高层次能力——马扎诺认知目标分类学详解[J].開放教育研究，2008，14（2）：10-21.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4.

[4]曹宝龙. 概念的形成原理与教学建议——以物理概念为例[J]. 物理教学， 2016（4）：5-8.

[5]曹宝龙. 科学本质及其教学建议[J]. 物理教学探讨， 2017，35（9）：1-4，8.

[6]曹宝龙. 概念的形成原理与教学建议——以物理概念为例[J]. 物理教学， 2016（4）：5-8.

[7]何文明， 曹宝龙. 构建基于学科素养的高中物理教学目标新体系[J].物理教学探讨， 2017， 35（8）：19-21.

（栏目编辑 廖伯琴）