大概念统领的物理教学探索

摘要：物理学科中的大概念，可以是学科核心素养中的物理观念，也可以是在单元整体学习中所获得的知识、技能及思维的集中反映。以苏科版初中物理八年级上册《声现象》单元为例，说明大概念统领的物理教学思路：分析单元知识，提取大概念，明确大概念发展路径;依循发展路径，设置驱动任务，开展探究活动。

关键词：大概念;声能;《声现象》;共振

大概念（big idea），原意为大创意，是指将品牌的核心价值以最能打动消费者的角度阐述出来的想法;后引申为那些能够将分散的事实、经验、知识和技能联结成为整体，并且赋予它们意义的概念、原则或理论。有学者用“锚点”来隐喻大概念的“联结”作用：“大概念既是各种条理清晰的关系的核心，又是使事实更容易理解和有用的一个概念锚点。”

学科中的大概念，指那些能反映学科本质，居于学科中心地位，具有较为广泛的适用性和解释力的概念、原则或理论。物理学科中的大概念，可以是学科核心素养中的物理观念，如物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等;也可以是在单元整体学习中所获得的知识、技能及思维的集中反映，具体体现为学生能够利用相关概念解决实际生活中的各种问题。

大概念统领的物理教学，首先应基于单元内容分析提取大概念并明确发展路径，然后依循发展路径，设计学习任务，驱动学生开展探究活动。本文以苏科版初中物理八年级上册《声现象》单元为例具体说明。

一、大概念的提取与发展路径

我们首先需要分析单元内容，在科学划定概念层次的基础上提取大概念。概念层次分析具有开放性和相对性，各层次之间并没有明确的界限，不同研究者所采用的划分标准也不尽相同，但“物理概念是有层次的，物理学习要实现概念的进阶”是基本共识。本文采用“基本概念—重要概念—核心概念—大概念”的层次划分。基本概念，是人类在探索自然规律的过程中，为了描述客观事物某一方面的属性而定义的科学概念，如介质。重要概念，是构成科学理论体系的基石，但其抽象程度和概括程度不及核心概念，如音调。核心概念，是对若干重要概念抽象概括、组织整合的产物，如乐音。

《声现象》是苏科版初中物理教材的开篇，这一单元的知识结构包括“声音是什么”“乐音的特性”“噪声及其控制”“人耳听不到的声音”“综合实践活动：比较材料的隔声性能”。所涉及的概念包括：振动、声源、介质、声波、回声、声速、声能、乐音、响度、振幅、音调、频率、音色、噪声、声强级、可听声波、超声波、次声波等。《声现象》单元的概念层级分析如图1所示。

之所以界定“声能”为本单元的大概念，我们还可以通过分析具体教学内容来说明：“声音是什么”虽然以探究“声音的产生与传播”为主，但同时还穿插了声能、声波等概念;“乐音的特性”“噪声及其控制”“人耳听不到的声音”都与声能息息相关;而“比较不同材料的隔声性能”也是对声能的一种迁移应用。

大概念的形成是有逻辑及发展体系的，在梳理并分析《声现象》单元知识结构的过程中，我们可以很自然地得到“声能”大概念的发展路径（如图2所示）。大概念的发展路径其实就是任务解决过程中学生相关能力的提升过程。

二、大概念统领的教学落实：依循路径，任务驱动

我们依据大概念的发展路径设计相应的实验或者学习任务。相关的实验及学习任务是学生能力提升的具体载体，并能反映学生对相关概念的理解情况。依循“声能”大概念的发展路径，设计“研究共振现象”系列任务，驱动学生有效整合和迁移应用单元学习内容。具体教学过程如下：

（一）了解声能的相关属性：让音叉发声

1.直接敲击发声。

教师提出第一个任务：让音叉发声。学生思考后提出第一种方案：直接用小锤敲击音叉（如图3）。教师引导学生回顾显示音叉振动的方法。如：用细线挂一乒乓球，将发声的音叉接触乒乓球，观察到乒乓球被弹开;将发声的音叉接触水面，观察到有水花溅起。

本方案所涉及的概念为声音的产生与传播，这是最简单的操作方案。学生设计出这样的方案后，教师引导学生回顾转换的思想，对方法形成更深刻的认识。

2.音叉共振发声。

接着，教师提出新的问题：“不接触是否也能让音叉发声？”并采用唐代《刘宾客嘉话录》里寺庙中的罄不敲自鸣的故事，引导学生选择合适的器材完成任务。

学生提出第二种方案：（1）如图4所示，将两个频率相同的音叉靠近，敲响音叉甲后用手按住，听音叉乙是否发声;（2）换一个不同频率的音叉，重复上述实验，听音叉是否发声。师生共同得出结论：只有固有频率相同的音叉，才会产生共振现象;上述现象还说明，声音可以通过空气传播，声音具有能量。

教師引出共振的定义：系统受外界激励，作强迫振动时，若外界激励的频率接近于系统频率，强迫振动的振幅可能达到非常大的值，这种现象叫作共振。

在教师的引导下，学生提出第二种方案，尝试利用简单的共振完成任务。这里，主要使学生明确共振的条件，回顾声音传播的条件、频率等概念，同时渗透比较的研究思想。

3.试管共振发声与“试管口琴”。

教师继续启发学生：在之前的学习中，我们探究过“管乐器、弦乐器的音调与哪些因素有关”，若提供试管和适量的水，能否根据所学知识，结合共振条件，使音叉发声？

学生提出第三种方案：向试管中加水，改变其中的水量以改变空气柱的长度;利用模拟示波器测量空气柱振动频率，直至调至频率为440 Hz（音叉固有频率）;在音叉附近吹试管，观察音叉是否发声。

教师引导学生进一步拓展，制作“试管口琴”：以国际标准音为准[C（do）：261.6 Hz;D（re）：293.6 Hz;E（mi）：329.6 Hz;F（fa）：349.2 Hz;G（sol）：392 Hz;A（la）：440 Hz;B（si）：493.8 Hz]，改变试管中的水量，调节空气柱的振动频率，制作“试管口琴”，并演奏简单的乐曲。

第三种方案及拓展研究所涉及的概念为声音的分类中音调与频率之间的关系。调音制作“试管口琴”就是应用管乐器音调与空气柱长短有关的知识解决实际问题的过程。而利用模拟示波器能更加精准地调节空气柱的长短，以获得更加精准的发声频率。

（二）掌握声能的作用和危害防止：震碎玻璃高脚杯

教师提出第二个任务：利用声音，震碎玻璃高脚杯。具体探究过程如下：

1.敲击玻璃高脚杯，用模拟示波器测量杯子的发声频率，为785 Hz。调节试管中的水量，使空气柱的振动频率为785 Hz，吹试管，发现杯子会发出声音。

2.使用伸缩玩具喇叭（如图5）震碎玻璃高脚杯。取下一节喇叭的套筒，调节剩余两节套筒的长度，用模拟示波器测量喇叭的发声频率，直至与杯子的频率相同。将喇叭口对准杯子，用力吹响喇叭，尝试用声音震碎杯子。

3.利用功放和高音喇叭，播放与玻璃高脚杯频率相同的声音，增大响度，直至震碎杯子。

震碎玻璃高脚杯是典型的共振现象实例，常出现在科学类电视节目中，是声音具有能量的典型案例。通过之前的学习，学生很容易想到获得与玻璃高脚杯频率相同且响度较大的声音的途径，从而完成任务。

（三）应用声能解决实际问题

教师播放视频并提出第三个项目任务：“2020年5月5日下午，一段‘广东虎门大桥波浪式起伏的视频引起大家广泛关注。为了确保安全，相关部門封闭了虎门大桥双向六车道。广东省交通集团5月6日凌晨通报称，据专家组判断，虎门大桥发生起伏是桥梁涡振现象，并表示悬索桥结构安全可靠，不会影响后续使用的结构安全和耐久性。‘涡激振动是大跨度桥梁在低风速下出现的一种风致振动现象。假若构件的自振频率与漩涡的发放频率相接近就会使结构发生共振破坏，这种现象容易发生在高耸结构物上，因此这种涡激振动是极其有害的。由上述材料可知桥梁涡振现象和我们刚刚研究的共振有关，请尝试分析并给出自己的解决方案。”

学生根据之前的学习，分析并提取信息，知道当外界激励频率接近系统的固有频率时，就会发生共振现象，从而提出两种解决思路：（1）改变外界激励频率;（2）改变系统的固有频率。

教师提供资料：“部分专家认为，虎门大桥本次振动的主要原因是：在维修施工中，沿桥跨边护栏连续设置了水马，改变了钢箱梁的气动外形，在特定风环境条件下，产生了桥梁涡振现象。后续拆除完毕，共振也会基本得到控制。”这与学生改变系统固有频率的思路是一致的，表明学生已经能初步应用声能解决生活中的问题。

“大概念”并不是一个新理念，但遵循什么样的逻辑来组织教学则观点各异。以上只是笔者基于实践提出的一种教学思路，对于“大概念”与其他教学理论与研究的融合，我们还将持续深入地实践探索。

参考文献：

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