基于诊断性测试的物理概念教学内容整合建议

张玉峰 邓丽平 崔琰 李俊鹏 朱亚平

摘 要：依据“物理学科核心素养学习诊断内容的（3+2）×3框架”命制诊断性测试卷，基于诊断发现的概念教学问题，从概念教学内容整合角度提出四个方面的建议：整合课内外概念学习内容，促进学生对物理概念的深层理解;整合物理概念理解中的思维与探究要素，突破概念得出过程中的关键点;建构在不同尺度上的知识结构，挖掘知识关联中蕴含的策略性知识;创设问题情境，促进策略性知识与物理情境的整合.

关键词：物理概念;学习诊断;教学内容整合;情境;策略性知识

文章编号：1008-4134（2020）11-0002中图分类号：G6337文献标识码：A

在当前以核心素养为纲的课程改革背景下，基于物理学科核心素养诊断性测试和对我国传统物理教育的反思，提出落实学生核心素养发展目标的课程开发、教学策略与评价策略建议是有效发展学生物理学科核心素养的重要途径.北京教育科学院物理教研团队依据“物理学科核心素养学习诊断内容的（3+2）×3框架”（以下简称“（3+2）×3框架”）命制诊断性测试卷，分别测试学生在“概念理解”“问题解决”“新知建构”“科学思维”“科学探究”五个方面的实际表现，诊断物理学科的教与学存在的问题，并期望基于诊断从教学内容、教学方式等方面为教学实践提出改进建议.团队以自主开发的物理学科核心素养诊断性测试卷作为诊断工具，该工具以力学、电磁学的核心概念为知识载體，选择真实的物理情境呈现问题，通过学生在真实情境中解决问题的表现考查学生的物理学科核心素养.诊断性测试选择北京市5个区12所不同类型学校的3000余名高三学生作为被试样本，参加测试的学生已经完成高三第一轮复习的力学、电磁学部分，诊断性测试尽可能控制知识对测试结果的干扰.

显然，可以根据物理学科核心素养诊断性测试反映出来的具体问题，对学生的学习和教师的教学提出全方位的建议.但考虑到以下两点：第一，物理概念不仅是物理观念的重要组成部分也是其他素养发展的重要载体，在物理教学中占据举足轻重的地位;第二，教学内容整合是影响学生认知发展的重要变量，是物理教学设计的基础.郭玉英等人也指出，整合与发展已经成为当代基础教育阶段科学课程改革的核心理念.因此，本文仅选择概念理解测试中反映出来的概念教学实践问题，对照“（3+2）×3框架”中基于认知过程的概念理解二级指标体系，对概念教学内容整合提出针对性建议.

概念教学内容整合，首先是科学课程概念体系的建构，即通过围绕“大概念”（big ideas）组织知识内容，达成以往科学课程中零散概念的整合.在此基础上组织科学实践活动，使学生的“学”与“做”融为一体，在实践中理解和建构物理概念.概念教学内容整合是指以科学的逻辑和认识的发展为线索重组概念教学内容，以有利于学生围绕核心概念建构概念体系，在知识学习中发展科学思维与科学探究能力.从整合的时间跨度看，既有在较长时间跨度（如一个学段、学期等）内的针对一个单元、主题的整合，也有在较短时间（如一节课）内针对一个具体概念的整合.以上概念教学内容整合是狭义的，本文中的概念教学内容整合还包括知识与作为认识方式的思维和探究的整合，概念、原理等显性知识与策略、思路等隐性知识的整合，以及知识与问题情境的整合.需要指出的是，本文中的物理概念包括通常所说的物理概念和概念之间的联系，即物理规律.

1 整合课内外概念学习内容，促进学生对物理概念的深层理解

概念理解诊断性测试发现：从整体上学生对概念的理解深度不够，部分学生只是记住了概念的定义、表达式等结论，学习过程表现为浅层化，学习结果呈现碎片化特征，缺乏基于认知过程的意义建构.

深度学习是学科核心素养培育和发展的基本途径，要实现深度学习，需要真正让学生成为教学主体，通过深度加工把握知识的本质.深度学习无法通过碎片化的学习活动实现，离不开对课堂内外一系列学习事件的系统化规划，这就要求物理教学要以学习内容为整体，既要统筹、规划统揽全局，又要按步骤、有序地设计系列教学活动.从整体上规划课堂内外的概念学习内容，使得学生的学习保持足够的连续性和张力，使教学成为促进学生对概念深层理解的重要途径之一.

首先，课堂外的概念学习可以通过查找有关资料、完成项目式学习、带有开放性或者实践性的作业等具体方式进行，这些内容紧紧围绕课堂内的概念教学内容.在功能上，课堂外的学习既可以是对课堂教学内容的巩固、深化、拓展、迁移，也可以为课堂上的概念学习提前做好认知准备，引导学生带着自主学习中遇到的问题进入课堂.例如，在学习“运动电荷在磁场中受到的力”内容前给学生布置如下作业：在学习完“通电导线在磁场中受到的力”后，你可以提出什么猜想？如何在理论上探究并通过实验验证你的猜想？并进一步提示学生，在猜想与探究的基础上，可以自主学习教材中有关内容.然后，进行课堂教学，这样一来课堂学习成为学生课外学习的延伸，在课堂上重点解决学生课前学习中遇到的疑问，引导学生思考猜想的依据和理论探究过程中建构的模型，学习如何建立模型、如何验证理论推导的结果等概念内容，这些课堂学习内容不再局限于物理概念本身，而是更多聚焦于策略性知识.最后，在课堂学习基础上，再布置开放性、实践性、拓展延伸性的课后作业，既是对课上概念学习的巩固、拓展，又为后续学习留下接口.例如，可以布置如下课后作业：如果带电粒子垂直于磁场方向进入匀强磁场，带电粒子将做什么运动？如何通过实验验证你的想法？如果学生基础知识掌握比较好，认知能力比较强，还可以布置如下作业：如果带电粒子不是垂直于磁场方向进入匀强磁场，带电粒子又将做什么运动？

总之，通过课前、课后的概念自主学习内容，以及课堂上教学内容的整合，可以有效地促进学生深度学习.深度学习的效果主要表现在：课堂时空的深度整合，有利于培养学生自主学习能力与探究能力;课前学习基础上进行课堂教学内容的优化，能有效针对学生学习中存在的问题，提升课堂教学的效率;开放性、实践性作业可以有效地激发学生学习兴趣，巩固学习效果.

2 整合物理概念理解中的思维与探究要素，突破概念得出过程中的关键点

概念理解诊断性测试发现：在概念得出的关键点上，学生往往缺乏概念建立必要性和推理得出概念的充足证据，或者基于证据但缺乏符合逻辑的推理过程;部分学生并不理解建构概念的必要性，往往倾向于记忆概念的内容.

考查物理概念得出过程可以发现，概念得出的关键点往往蕴含着某种认识客观事物的认识方式或者思维策略.而这种特定的认识方式也往往具有较高的概括性，甚至跨学科性，可以在不同主题或者情境下迁移.例如，在描述电场强弱时，引入试探电荷，利用试探电荷在某点所受力与试探电荷的电荷量之比描述该点电场的强弱，这种描述电场强弱的策略可以迁移在描述磁场、引力场等其他场的认识过程中;或者物理概念是由其他概念推理得出，则蕴含着与其他概念之间的关联，概念的关联往往有利于学生形成结构化概念体系，形成认识客观事物的策略性知识;或者概念得出需要实验证据的支持，通过设计实验、获得证据的认知过程，学生不仅可以获得建构具体概念的事实证据，还可以在设计实验的过程中促进概念体系的形成和发散思维、模型建构等能力的发展.例如，得出电容器电容需要设计实验提供电容器所带电荷量与两个极板间电压之比是常量的事实证据，在设计过程中学生需要思考如何改变电容器所带的电荷量、如何测量极板所带电荷量与两个极板的电压等问题，这些问题的解决不仅有助于发展学生设计实验、获取证据的能力，还可以促进学生对电荷及其守恒定律、电势差等静电场知识的深入理解.在突破得出概念关键点的认识活动中，需要综合运用作为认识客观世界方式的科学思维和科学探究.因此，物理概念教学需要整合概念理解过程中所涉及的思维与探究要素，突破概念得出过程中的关键点，以此作为促进学生物理学科核心素养发展的重要途径.

要整合物理概念理解中的思维与探究要素，突破概念得出过程中的关键点，首先需要弄清楚概念理解的关键点在哪里，并且基于关键点的特点采取有针对性的内容整合策略.尽管物理概念都是对客观事物的抽象概括，由于不同物理概念是对不同客观事物或者同一客观事物不同侧面的抽象概括，因此不同物理概念仍然具有不同特点.但概括起来，物理概念得出过程中的关键点往往存在于以下“位置”：第一，受到错误概念的较强干扰，从错误概念转变到科学概念的“位置”.突破这类关键点，首先需要唤醒与错误概念有关的感性认识，然后设计实验，提供引起认知冲突的证据，并从理论上进行推理论证.第二，需要较复杂的数学知识或者学科思维方法才能实现学习进阶的“位置”.突破这类关键点，需要弄清楚物理问题涉及哪些变量，并采用表达式、图像等手段表征这些变量间的关系.第三，从若干相关的实验事实，概括得出结论的“位置”.突破这类关键点，需要展现足够的实验现象和事实，并适当显化推理过程.第四，在学习进阶过程中需要建模的“位置”.突破这类关键点，同样需要在展现充足的实验现象和事实的基础上，适当显化抽象概括过程.当然，概念得出的关键点还可能存在于其他“位置”，往往需要根据具体知识的特点进行具体分析，而不是一概而论.

在确定概念得出关键点的基础上，要突破这些关键点，需要从思维与探究要素整合的角度进行系统规划.以电容概念的建立为例，说明如何体现思维与探究的整合：第一，在认识概念建立的必要性阶段，通过探究获取实验现象或者事实，然后基于现象或者事实从特定视角或者运用特定的思维方式提出问题，进而讨论建立概念的必要性.例如，通过探究发现不同电容器容纳电荷的本领是不同的，然后认识到描述电容器容纳电荷本领的必要性并提出如何描述这个本领的问题，这为引入电容概念做好了铺垫.第二，在建立物理概念的阶段，通过探究获取证据，然后基于证据进行推理论证，进而定义物理概念.例如，在电容概念建立的过程中，需要通过探究首先发现电容器的电荷量和两极板间的电压相关，然后设计定量或者半定量实验得出电荷量与电压成正比的定量关系，进而论证用两者之比定义电容的合理性.第三，在概念及其认识方式的拓展整合阶段，首先在定义概念的基础上，进一步拓展概念的内涵和外延.例如，定义电容器的电容后，可以从物体的结构与功能之间关系的角度引导学生思考电容的大小是由哪些因素决定的，进而布置设计实验探究电容大小影响因素的任务.这样的学习任务具有较高的开放性、探究性与实践性，可以基于问题有效整合思维与探究的活动.

3 建构在不同尺度上的知识结构，挖掘知识关联中蕴含的策略性知识

概念理解诊断性测试发现：学生可以根据某个概念推理得出其他知识，但仍然无法围绕核心概念建构层次清晰的知识结构;对某个具体概念往往更关注知识点的理解与应用，而忽视对其内在结构的认识;对概念之间关联的认识往往局限于知识层面，而忽视概念建构和概念关联中蕴含的策略性知识.

知识的结构化程度可以表现为不同的尺度，可以是较长一段时间（几节课，甚至几个学期）内所学大量物理概念的结构化，称作宏观知识结构;也可以是较短时间（一节课，甚至更短时间）内一个具体概念的内在结构化，称作具体概念的内在结构.

学习科学研究表明：与新手比较，专家的知识往往不仅仅是对相关领域的事实和公式的罗列，相反它是围绕核心概念或者“大观点”（big ideas）组织的，这些概念或者观点引导他们去思考自己的领域.例如，物理观念是物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华，物理观念既不是物理概念、规律本身，也不是物理概念的简单堆砌，但恰恰需要在大量具体物理概念相互关联基础上围绕核心概念建立概念体系.大观点并不是孤立的，是与一个个具体概念连接在一起的.因此，从宏观上看，在一段较长时间跨度内围绕核心概念规划教学内容，形成核心概念统领的知识结构;同时，在建构知识结构的过程中，必然涉及具体概念之间的内在逻辑联系，这些联系是促进学生跨学科概念理解、形成思想方法的重要載体.例如，中学阶段在理论上根据动量定理推理得出动量守恒定律，不仅建立了两者的逻辑关系，还是学生理解系统模型和守恒思想等跨学科概念的载体.再例如，电磁感应主题的主要概念可以构成如图1所示的知识结构.

分析图1可以发现：（1）电磁感应主题包括了楞次定律、法拉第电磁感应定律、自感、感应现象的微观解释等大量具体知识，但所有内容都围绕电磁感应主题，具有明确的核心概念，电磁感应主题知识结构属于较大尺度上的宏观知识结构图.（2）知识结构图反映了对电磁感应由浅入深、由简单到复杂的认识过程，具体表现在：从定性了解电磁感应现象到分析感应电流方向，再到定量计算各种情况下的感应电动势大小，从描述宏观现象到微观解释.（3）图1不仅反映了具体概念之间的关系，还蕴含了解决问题的策略性知识，即可迁移的大思路.例如，对客观事物的认识首先从描述宏观现象、探索宏观现象遵从的物理规律入手，然后深入探索宏观现象背后的微观解释.另外，概念背后还蕴含着跨学科概念，比如法拉第电磁感应定律涉及到变化率概念.（4）从图1知识结构的局部“感应电流产生的条件→楞次定律和法拉第电磁感应定律”可以发现探寻客观事物遵从规律的一般化思路，既然磁通量的变化导致了感应电流的產生，那么在探究感应电流的大小和方向时，可以从分析磁通量的变化入手，而物理量的变化主要包括两个方面：一个是这个物理量变化的方向，即这个物理量是增大还是减小;另一个是这个物理量变化的快慢.恰恰是这两个方面分别决定了感应电流的方向和感应电动势的大小.这个思路具有整合性，可以跨主题迁移应用到其他问题的解决.

从微观角度看，一个在较短时间跨度内所学习的具体物理概念（例如弹力、速度等）也包含这个概念的若干具体侧面，或者关联其它具体概念，这些具体概念之间、概念的具体侧面之间也不是彼此孤立的，而是相互联系的，也有其内在的逻辑结构，其中也同样蕴含着丰富的策略性知识.同样也需要挖掘具体物理概念的微观内在结构之中蕴含的策略性知识，不仅对促进物理概念的深层理解有重要价值，还有益于促进学生物理学科核心素养的整体发展.

例如，弹力是一个具体的物理概念，可以在一节课内完成学习，但弹力概念仍然有其微观的内在结构，与弹力有关的概念以及弹力概念内的具体侧面可以构成如图2所示的微观内在结构.分析图2可知：（1）图2中所示内容是可以在较短时间内完成的，属于较小尺度上的微观知识结构.（2）弹力概念所包含的产生条件、弹力大小、弹力方向等具体知识内容具有内在结构：形变是弹力产生的必要条件;弹力大小和方向是弹力概念的内涵.（3）图2不仅表达了弹力概念的内在知识结构，还表达了蕴含在内在结构中的一般化认识思路.在探究弹力的大小和方向时，可以从弹力产生的条件入手，即弹力的大小和方向应该与形变的程度和方向有密切关系，这是认识客观事物的策略性知识，即容易迁移到其他主题的探究活动中的一般化思路.因此，与宏观的知识结构相类似，仍然需要挖掘微观内在结构中蕴含的策略性知识，对大量类似知识进行整合并实施教学.

另外，不仅在围绕核心概念的宏观知识结构和具体物理概念的微观内在结构中的关联处蕴含着解决问题的策略性知识，在具体物理概念的得出过程中也蕴含着可迁移的策略性知识，例如上文中提到的电场强度的定义方式可以迁移到磁场描述中，其实在描述磁场时还进一步拓展，引入了磁通量和磁通量密度的概念来描述磁场，反过来这两个概念也可以转变为策略性知识，再迁移到电场中，用其描述电场，如图3所示.

总之，在教学中应该侧重从两个角度建构概念之间的关联，并进而形成具有结构化的概念体系.一个角度是分别在宏观和微观两个不同尺度上建构概念体系，促进学生知识结构化，解决知识碎片化的问题;另一个角度是分别从物理概念本身和物理概念背后蕴含的策略性知识两个方面整合教学内容，从而在深层理解物理概念的过程中不仅促进物理观念的发展，同时引导学生形成问题解决的策略性知识，促进科学思维与探究能力的发展.

4 创设问题情境，促进策略性知识与物理情境的整合

概念理解诊断性测试发现：学生往往知道在概念建立中所使用的策略性知识，但在新情境下迁移策略性知识时常常遇到困难.

概括起来，主要原因包括两个方面：（1）学生分析新情境的能力不够，无法提取新情境中的条件或者无法对已知条件进行表征转换，或者不能把题目的条件与要解决的问题联系起来，甚至无法聚焦新情境中需要解决的问题，也就是通常所说的“没读懂题目”;（2）原有的策略性知识在新情境中无法激活，也就是很多学生所说的“没想到”，一旦告诉学生用什么知识解决或者怎么解决，学生就会觉得问题很简单.运用物理知识解决实际问题能力的高低，往往取决于学生将情境与知识相联系的水平.

知识是具有领域特殊性的并且与情境相关，而策略性知识则是有关学习、思维和解决问题的一般策略性知识，与事实性、概念性知识相比，这类知识与情境的联系更为密切，脱离丰富情境的策略性知识将无法有效转化为解决问题的切实可行的办法，便将变成僵化的教条.策略性知识的理解与应用是发展核心素养的重要途径.从发展学生物理学科核心素养的角度看，创设情境具有关键作用.也正如国际经济合作与发展组织（OECD）在2005年遴选和界定核心素养时所明确指出的那样，核心素养是个体在面对复杂的、不确定的现实生活情境时，表现出来的综合性品质.因此，不管是站在策略性知识的掌握角度，还是从发展学生物理学科核心素养的课程目标角度看，创设问题情境、整合策略性知识与物理情境都是物理教学的必由之路.

要加强策略性知识和物理情境的整合，从关注策略性知识的来龙去脉的角度看，可以侧重两个方面：第一，在知识建构中，创设合适的物理问题情境，学生在真实情境中主动建构物理概念，解决策略性知识从真实的物理问题情境中“来”的问题.这类情境尽可能满足以下特点：一是这类情境与学生的已有知识和日常经验紧密联系，并且仅仅用已有知识还无法解决情境中的新问题;二是这类情境尽可能简洁，有助于学生从情境中提炼出具体的物理问题，有助于后续思维的连续性，而不是仅仅为了通过展现情境吸引学生注意力.第二，在策略性知识的迁移应用中，创设合适的物理问题情境，学生面对真实的情境主动迁移应用所掌握的策略性知识，解决策略性知识在真实的问题情境中“去”的问题.创设这类情境需要考虑迁移应用情境与策略性知识建构的情境之间的“远近”程度要合适.相距太远，可能导致迁移难度过大，不利于学生解决问题，也就不利于调动学生思维的积极性和主动性;相距太近，又缺乏思维的张力，学生对解决问题带来的成就体验较弱，不利于策略性知识的掌握与关键能力的发展，也同样不利于调动学生思维的积极性和主动性.

要加强策略性知识与物理情境的整合，还应该考虑策略性知识与哪些物理情境整合的问题.概括起来，可以加强以下两类物理情境与策略性知识的整合.第一类是生产生活情境.主要包括：（1）大自然中与物理相关的现象，如彩虹、日食、海市蜃楼等大量光现象构成的情境.（2）与生产生活紧密联系的物理问题，如与体育运动相关的情境，与衣食住行生活有关的情境，与生产有关的情境等.（3）与科学研究有关的情境，特别是与科技前沿或者我国的重大科技工程有关的情境.第二类是学习探索情境.主要包括：（1）物理學史问题情境，可以是物理概念的建立过程，例如自由落体运动、惯性等;也可以是物理现象或者规律的发现过程，例如光电效应现象、多普勒效应、万有引力定律、库仑定律、折射定律的发现.（2）学生学习过程中的实际学习情境，围绕典型问题的探索情境，例如应从哪些角度以及如何从这些角度描述电场的性质，如何控制带电粒子的运动轨迹等.（3）科学探究的问题情境，这类情境侧重动手、动脑相结合，有利于培养学生的科学探究能力，例如如何设计储存电荷的装置，如何提高刻度尺的测量精度等.

概括起来，创设与策略性知识整合的物理情境需要注意以下几个方面：第一，物理情境应尽可能接近真实的客观世界，特别应该关注与学生的日常生活实践、学习探索相联系的大情境，这样的大情境不仅有助于学生形成大概念，形成解决问题的策略性知识，更有利于激发学生的物理学习兴趣;第二，情境尽可能具有较高的综合程度，围绕大概念涉及尽可能多的具体概念、规律等，便于从情境中提炼出核心问题，再进一步把要研究的核心问题分解为具体问题，问题分解也是一种在面对未来生活或者学习时可迁移的素养，从这样的情境提出的问题与策略性知识之间的关系也更密切，有利于巩固深化对策略性知识的理解;第三，物理情境不是客观真实世界的原版，只是尽可能接近真实情况，限于学生知识、能力的发展水平，需要对真实客观世界中的情境进行简化、剪辑、凝练.

最后还需要强调的是，以上几个方面的概念教学内容并不是孤立的，它们之间密切联系，彼此渗透，共同融合在概念理解的过程中，需要通过教学内容整合才能实现在概念理解过程中促进学生物理学科核心素养的整体发展.

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