基于物理大概念的高中电磁学部分结构化分析

宋洁 吴同华

摘  要 “重视以学科大概念为核心，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”，是2017版高中物理课程标准修订的重要变化。对物理大概念渊源和内涵进行梳理，并对高中电磁学部分以物理大概念为核心进行分析，探寻物理大概念和核心概念之间的逻辑关系，旨在帮助教师落实物理学科核心素养。

关键词 高中物理；物理大概念；物理观念；电磁学；核心素养

中图分类号：G633.7    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）13-0055-03

0  引言

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称新课标）较之前课标发生很大变化，其基本理念是注重体现物理学科本质，培养学生物理学科核心素养。因此，提及新课标时，人们对物理学科核心素养、学业水平质量等耳熟能详，而对大概念一词并没有太多关注。但在新课标第二部分修订的主要内容和变化中关于学科课程标准明确提出：更新了教学内容，进一步精选了学科内容，重视以学科大概念为核心……促进学科核心素养的落实[1]。由于大概念一词在本次新课标中只出现一次，而且对大概念也没有做深入阐释和操作性定义，因此，不管是各级教育部门还是教育教学工作者，都对大概念这一理念有着不同程度的疏忽。认真研读新课标后，可以清晰地发现大概念并不是新课标修订工作者随口一提，而是各学科课程内容构建的重要理论基础，而且各学科都以大概念来统领课程内容，只是呈现的方式有所差异[2]。

就物理学科来说，虽然没有在课程内容方面直接展示关于大概念理念的内容，却处处体现着该理念，该理念是帮助理解课程标准以及课程内容建构的法宝。大概念在一定范围内来说具有普适性，在不同单元、不同章节可以体现一定的相关性，有助于帮助学生整合知识形成认知体系，培养学生的物理学科核心素养。因此，很有必要对物理大概念的有关理论进行梳理，厘清其渊源和内涵，尤其要明确物理大概念到底有哪些，高中物理哪些知识对应哪个大概念，使之显性化和直观化。只有这样，才能够有效帮助一线教师在教学中以大概念作为统领开展教学，落实物理学科核心素养。

1  物理大概念

大概念（Big Ideas）一词起源于美国，国外对大概念的表述不一，例如：大概念是“适用于一定范围内物体和现象的概念，它们能够解释较大范围内的一系列相关现象”[3]；是“一种强大的解释模型，它对自然界中的各种可观测的自然现象有广泛的解释力”[4]……在国内较早研究大概念的专家是韦钰[5]院士，她认为大概念是经过实验并且证实了的客观事实，能用一句话甚至一个短语表达出来，能够成为科学概念。北师大郭玉英教授及其团队[6]对大概念相关的文件进行整理后提出见解：大概念是那些超越学科界限的可以有共同观念的概念，尽管不同的大概念在选择和表述方面有所差异，可其最终目标就是完成知识的整合。国内外研究者虽然对大概念的解释表述有所不同，但其内涵都趋于一个共识：大概念是建構学科知识体系的、能够解释较大范围内的一系列相关现象的核心概念。

大概念的提出和研究最初是在科学领域开始的。2003年，威金斯和麦克泰在《理解力培养与课程设计：一种教学和评价的新实践》中提出24个科学大概念[7]，其中有五个是与物理学相关的大概念：

1）物质是由原子组成的；

2）净力是使物体运动状态改变的原因；

3）能量有不同的形式但总保持总量恒定；

4）在物理变化和化学变化中质量和能量保持恒定；

5）波能传输能量。

2009年10月，来自墨西哥、智利、中国、加拿大、美国、法国、英国的10位IAP-IBSE专家委员会的专家聚集在苏格兰的罗斯湖畔，召开一次关于探究式科学教育的国际研讨会。会中，专家讨论选择出14个交叉学科概念作为整合科学知识的大概念，其中有四个是与物理学相关的大概念[8]：

1）宇宙中所有的物质都是由很小的微粒构成的；

2）物体可以对一定距离以外的其他物体产生作用；

3）改变一个物体的运动状态需要有净力作用于其上；

4）当物体发生变化或改变时，会发生能量的转化，但是在宇宙中能量的总量总是不变的。

与上述威金斯和麦克泰提出的五个与物理相关的大概念相比，这四个大概念是迄今为止所有文献中最为直接与物理相关的大概念，暂且称之为四个物理大概念。

2  物理大概念与物理观念

笔者对国内外关于大概念的文献进行综合考量，尤其是以2009年发表的《科学教育的原则和大概念》提出的四个物理大概念为落脚点，对照新课标中物理学科核心素养中物理观念维度的内涵，厘清物理大概念和物质观念之间的内在联系。

1）“宇宙中所有的物质都是由很小的微粒构成的”，描述的是物质结构，是关于物质的大概念，对应的是物理观念中的物质观。

2）“物体可以对一定距离以外的其他物体产生作用”，描述的是场的基本性质，因此也是关于物质的大概念，对应的也是物理观念中的物质观。

3）“改变一个物体的运动状态需要有净力作用于其上”，描述的是物体与物体之间的相互作用和物体的运动，是关于运动与相互作用观的大概念，对应物理观念中的运动与相互作用观。

4）“当物体发生变化或改变时，会发生能量的转化，但是在宇宙中能量的总量总是不变的”，描述的是能量守恒，能量的转化同时伴随着做功，其中包含着功能关系的转化，是关于能量的大概念，对应物理观念中的能量观。

因此，物理核心素养中物理观念中的物质观、相互作用与运动观、能量观实际上就是整个高中物理学科体系的三个最核心的大概念。物理大概念与物理观念的对照关系如表1所示。

3  基于物理大概念的高中电磁学内容结构化分析

电磁学是研究电、磁和电磁相互作用现象及其规律和应用的，是高中物理的重要部分，主要包括电场、恒定电流、磁场、电磁感应等，内容多且彼此之间联系紧密。

普莱斯顿·D.费德恩[9]认为：核心概念是一种教师希望学生理解并能在忘记其非本质信息或周边信息之后仍能应用的陈述性知识。而从所处学科知识体系当中的位置来说，核心概念是那些在知识结构网络中处于重要节点位置的概念。高中电磁学部分的核心概念有电场、磁场、电流和电磁感应。在厘清物理大概念内涵及其与物理观念关系的基础之上，结合新课标要求，按照大概念、核心概念与一般概念之间的关系，梳理出高中物理电磁学部分的结构图示，如图1所示。

本框架图旨在说明以物理学科大概念物质、运动与相互作用、能量为统领的电磁学部分结构体系，其中电场、磁场、电流、电磁感应是在物理学科大概念统领下的四个与电荷相关的核心概念。围绕中心磁场展开构思，传达的是场这个物质的存在，体现的是物理观念中的物质观；电流是运动电荷的宏观表现，体现的是物理观念中的运动观，其中电荷在磁场、电场中受力体现的是相互作用观，统称为运动与相互作用观；电磁波指向能量是指空间中的电能和磁能以电磁波的形式传播，电磁感应指向能量是指在磁生电的过程中产生的感应电流，而感应电流在磁场中受安培力的作用，因此要维持安培力存在，必须有外力克服安培力做功，在这个过程中功能转化关系是其他形式的能转化为电能，这两个过程均体现的是物理观念中的能量观。

通过图1所示框架结构图，单元核心概念、物理学科大概念与单元其他概念之间的逻辑关系可以比较清晰地呈现出来。

4  结束语

物理结构化是物理知识体系的建构，主要包括不同范畴知识模块的内在逻辑关系体系，是物理学科内容各组成部分之间相互联系、相互制约的组织关系[10]。基于大概念的高中电磁学结构化研究对学生头脑中概念认知结构的建立具有重要意义。

1）有利于学生明确物理观念内涵，实现知识到观念的升华，引导教师在设计教学和实施过程中真正以大概念理念为指导，走出单纯传授给学生知识点的舒适圈，真正帮助学生形成整合内化知识点后升华为物理视角的观念。

2）有助于形成整体观念和知识迁移，增强学生对物理观念普适性的理解。近年来，很多学者相继提出少而精的大概念，与课改的要求吻合。教师用辐射状的知识网络使内容结构更加严密，利用少而精的大概念可以解决现实社会的综合性问题，成为学生的脚手架。

新课改要求着力发展学生的核心素养，这是教师的工作方向和重心。基于大概念对电磁学部分进行结构化分析，不仅可以实现知识瘦身和学生减负，还可以更直观地帮助学生理解物理观念，进一步提升学生的物理学科核心素养，提高学校的育人质量。

参考文献

[1]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，2017：3.

[2]张翰.“大概念”：一个不容忽视的课程新理念[J].思想政治课教学，2019（6）：31-33.

[3]哈伦.科学教育的原则和大概念[M].韦钰，译.北京：科学普及出版，2011：1-2.

[4]Duschl R A， Schweingruber H A， Shouse A W. Taking Science to School： Learning and Teaching Science in Grades K-8[M].National Academies Press，2007.

[5]韦钰.十年“做中学”为了说明什么：以科学研究为基础的教学改革之路[M].北京：中国科学技术出版社，2012：231-233.

[6]郭玉英，姚建欣，彭征.美国《新一代科学教育标准》述评[J].课程·教材·教法，2013（8）：118-127.

[7]麦克德.理解力培養与课程设计：一种教学和评价的新实践[M].么加利，译.北京：中国轻工业出版，2003：116-119.

[8]哈伦.以大概念的理念进行科学教育[M].韦钰，译.北京：科学普及出版社，2016：131．

[9]费德恩.教学方法：应用认知科学、促进学生学习[M].王锦，译.上海：华东师范大学出版社，2006：462.

[10]马北河.在中学物理知识结构化中锻造学生核心素养[J].中国教育技术装备，2017（21）：7-9.