初中物理学科大概念教学初探
——以“功能关系”学习为例

2022-01-12 04:24高志俊

物理教师 2021年12期

王瑜高志俊

（1.扬州市教育科学研究院，江苏扬州 225007；2.扬州开发区实验中学，江苏扬州 225012）

在学科教学中如何落实核心素养？有什么证据可以证明教师设计的教学目标与核心素养建立了系统关联？在课堂教学中，通过什么方式方法才能落实学科核心素养？……要理清这些问题，有必要回到教学的起点，从教师最熟悉的领地出发，从每天的备课、上课开始，从教学目标制定、教学活动设计的每一项具体工作入手，研究核心素养如何在课堂上落地，该做出怎样的调整，该如何转变.

对这些问题的系统思考，聚焦落实核心素养的实践研究与实证研究，可以明晰在课堂上落实核心素养的着力点，探索学科特点和学生的认知规律，探索在课堂上落实核心素养的实践框架.

1 课时教学的优势与不足分析

课时教学主要以一节课为单位进行设计.

课时教学，具有悠久历史，已经积累了丰富的教学策略和教学方法，形成了清晰的教学流程，具有比较好的教学效果.

课时教学有利于知识的落实，教师通常都偏爱课时教学.由于经过不断摸索和积累，课时教学的环节已经比较完善.以新授课为例，上课的一般流程是：先利用1-2min创设情境，导入新课；然后，用大部分时间讲授新课，其间会组织学生讨论、进行实验探究等，最后留2-3min进行课堂小结和学习反馈.

这样的课时教学易于堂堂清、节节清.教师在进行教学设计时，针对一节课的时长，制定教学目标，确定教学内容.在教学实施时，从新课的引入到具体内容的展开，再到最后的课堂小结和反馈，都在45min内完成，并确保学生掌握所学内容，做到“堂堂清”.

教师为了实现本节课的教学目标，可以设计很多活动，从初始自学到动手实验、师生交流、例题分析，以及总结反馈，教师对每个环节的掌控精确到了分钟.因此，只要教师按照既定的规划进行，通常就能完成教学任务，做到“节节清”.

课时教学虽然具有教学环节完善、落实知识点高效等优势，但由于教学时间较短，教师在确定教学目标时更多指向知识和技能领域，更多地将学生当作认知个体来看待，对作为一个完整人应具有的综合能力和素养培育不够.学生获得更多的是知识与技能，相对缺乏对客观世界的完整认识和体验，难以形成学科大概念.

而学科大概念的建构需要较长时间.当前各个学科都提出了学科核心素养，以指导课堂教学从以知识为本转向以素养为本.指导教师不能机械地讲解脱离生活的抽象概念，不能简单传授琐碎的知识点，而是要选择重要的学科大概念，用恰当、生动的方式，通过深入的探究学习、合作学习，帮助学生完整地认识和把握世界.

这些学科大概念可以帮助学生从本质上理解生活中的一些事件和现象.它们既是学科思想方法，也是思维方式，可以让学生站在更高的位置看待问题，从更宏观的视角分析问题，从而更好地解决问题.比如，物理学科的“宇宙中所有物质都是由很小的微粒构成的”、“物体可以对一定距离以外的其它物体产生作用”、“当物体发生变化或被改变时，会发生能量的转化或转移，但总量是不变的”等，都是学科大概念.

学科大概念与具体的知识点不同，它们比较抽象、比较概括，不像具体知识点那么容易学习.这决定了学习学科大概念需要较长时间，需要学生不断体验，持续思考，长久理解.而课时教学以一节课为闭环，不利于学生对学科大概念的建构与理解.

可以发现，课时教学所制定的教学目标更多定位于知识和技能目标，过程与方法目标更多体现为教师的教学过程和教学方法，而情感态度与价值观目标，如果没有与具体的学习任务相结合，落实的效果往往不佳.同时，课时教学所确定的学习内容往往比较具体，一般都是2—4个知识点，教师通过层层推进帮助学生识别、对比、区分这些知识点，并进行简单运用.每节课最后，教师通常进行反馈检测，以考查学生的掌握情况.

学科大概念具有抽象性和综合性，这决定了学习它的过程需要学生的深度体验，需要通过真实的问题解决、综合性的学习任务才能更好地完成学科大概念的建构和理解.学科大概念不是一个具体的知识点，但内涵和外延却非常丰富.它是由许多具体知识凝练成的、更上位的概念.这就决定了它的建构过程需要比较长的时间，很难在一节课内完成.

课时教学“节节清”的特点，不能为学科大概念的建构提供时间保证，而且一节课也很难承载形成学科大概念所必需的“深入、持久”的理解和探究.

深入探究，意味着学生要通过亲自参加探究来发展自己的理解.在这个过程中，学生可能会提出假设，然后收集和运用数据来检验自己的想法，并找到彼此之间的逻辑关系，做出解释.数据和证据可以是直接动手做实验获得的，也可以是运用第二手资料获得的.这都需要学生在一个更大的时间尺度上来规划和展开自己的学习.

总之，在课堂上落实核心素养，教学内容要聚焦学科大概念.而学科大概念的建构与理解需要较长时间，课时教学在这方面显得力不从心.

2 “功能关系”单元教学设计

长期的课时教学，容易使教师陷入一个个具体的知识点中，越讲越细，越讲越深，常常对教材中所谓的重点难点和要点特别关注，而对学科基本结构的把握明显不够，只见树木，难见森林，直接降低了课堂教学的品质与深度.另外，课时教学时间比较短，体验和探究难以充分展开，比较复杂的任务难以深入完成，相对上位的学科大概念不容易建构.

当发展学生核心素养成为课程实施的基本宗旨，当运用知识解决问题成为教学的重要目标时，为了更好地落实核心素养，为了在真实的问题情境中给学生更充分体验和探究的机会，需要大一些的主题或项目来承载，需要相对复杂和综合的学习任务来承担.这样就需要根据素养导向的目标重构单元，从课时教学走向单元学习，实现以解决问题为中心的学习.

所以，重构的学习单元不是一般意义的复习单元，更不是普通的知识整合单元，而是以落实核心素养为目标，在细化课程标准的基础上，系统分析课程内容所承载的价值，根据学生实际情况，整体设计以问题解决为中心，实现学生学习的“学习单元”.

重构的单元目标应立足于迁移应用和持久理解.重构单元的目的是为了更好地落实核心素养，在制定具体目标时，有两个目标不容忽视：一个是运用所学内容解决问题的迁移应用目标，另一个是通过基础性的知识技能进行意义建构的目标，即对学科大概念与核心问题持久理解的目标.这两个维度既可以成为重构单元的切入点，也是制定单元目标的立足点.只有将这两个目标想清楚，重构的单元才有意义，才可能成为落实核心素养的学习单元.

因此，教师在设计单元目标时，应该经常反思下列问题，借助它们反思重构单元的意义和价值.

（1）学生学习这部分内容，有什么用途？

（2）学生学习这些内容，能解决什么问题？

（3）学生学习这些内容的真正价值是什么？

2.1 “功能关系”学习单元重构

例如，现行苏科版初中物理教材中，分别在第5、8章中研究了动能、弹性势能和重力势能，随后在第11章中研究了功，紧接着在第12章中研究了动能、势能的影响因素及能量转换.

从教材的安排上来看，这种安排方式的逻辑层次是很明确的，但是学生在实际的学习过程中，并不能很好地理解“功能关系”.动能、弹性势能和重力势能这些物理概念可以从生活的实例中去进行感知，然而功是什么？概念很抽象，在研究动能、势能的影响因素及能量转换内容之前为什么要研究功？为什么定义在力的方向上移动了距离就称为做了功？而不是只要有力、有距离就可以做功呢？做功与能量转换究竟是怎么回事？这些内容学生到初中毕业时都搞不太清楚，以至于迁移到高中时，也不是能清楚地理解功能关系及掌握其定量的运算.究其原因，学生在学习这部分知识时，功的概念是以陈述性的方式给出的，并没有提供真实的问题情境，给学生更充分体验和探究的机会，让学生先研究后得出引入新的物理概念的必要性以及去尝试定义一个新的物理量是什么.

当然，教材这样安排是有原因的，因为没有办法给能量下定义，因为能量的定义中涉及到功的内容.为了解决这个问题，从构建学科大概念的角度出发，教师在进行教学设计时可以尝试重构功能关系学习单元.

我们可以在探究动能、势能的影响因素时不明确给出能量的定义，而是通过转化的方式，例如桌子陷入沙坑的深度、木块被撞击移动的距离，来探究动能和势能大小的影响因素.在势能和动能的转化过程中，学生可以根据能量大小的变化，理解动能和势能间的转化.事实上，目前学生正是利用转化法和能量大小的变化来理解机械能及其转化的，也就是教材中给与不给能量的定义，对研究机械能及其转化不受影响.

在师生共同研究完第12章“动能势能机械能”后再开始研究功，学生就可以在能量转化的过程中去理解功的含义了.

此时，可以设计一个真实的问题情境：用什么方法可以将你身体内的能量转移给桌上的文具盒，使文具盒的动能或势能增加.

让学生在探究活动中继续思考：

（1）推文具盒，但文具盒没有动，能量转移了吗？

（2）竖直提着文具盒水平方向匀速移动，能量转移了吗？竖直提着文具盒竖直向上运动呢？

由以上研究发现，要使能量发生转移，必须用力作用于该物体，并使物体在力的方向上通过一段距离才会有能量发生转移这样一个物理现象的产生，基于这样的事实，进一步引导学生：

（1）是否要引进一个新的物理量来描述这个事实呢？

（2）如何定义才能准确描述这个事实呢？

（3）这个新的物理量应有什么样的特征？

在这样的研究中让学生自主地构建起一个新的物理概念，即使物体在力的方向上通过一段距离称为做功的过程，转移的能量称为机械功，简称功.

接着提出新的问题：将质量为1k g的文具盒从课桌边自由释放，文具盒下落0.8m，在此过程中，能量如何转化？通过什么方式进行能量转化的？重力做了多少功？动能变化了多少？（g取10N/k g）

思考：研究文具盒下落的过程，你能构建出功和能的关系图吗？将文具盒向上抛起呢？匀速水平移动文具盒呢？

通过思考和研究，学生很容易构建起如图1所示的功能关系图，对功能关系形成初步认识.

图1 “功能关系”图

2.2 对内能、热传递、比热容、热值等内容的内在逻辑关系梳理

苏科版教材在第12章第2节安排了“内能热传递”的内容，与第一节“动能势能机械能”和第4节“机械能和内能的相互转换”形成了一个小的模块.由于有“比热容”这一节内容，学生在这一章的学习中要寻求知识内在逻辑关系时显得困难重重，同时第4节中热值内容的安排也让学生摸不着头脑，学生并不能理清内能、热传递、比热容、热值的内在逻辑关系.

图2呈现了内能、热传递、比热容、热值间的内在逻辑关系.

图2 “内能”结构图

从图中我们可以看出，如果按照“热传递热值”、“物质的比热容”、“内能”的顺序来重构学习单元将会更合理，围绕学习顺序可以构建出如图3所示的问题逻辑线.

图3 研究学习问题逻辑线

2.3 形成以能量为主题的突出学科大概念的学习单元

通过上文的分析，关于能量的学习与研究可以作如图4所示的调整.

图4 “功能关系”学习单元结构框架

教师将本单元的知识体系统理清楚后，进一步思考学习这些内容能解决哪些实际问题，有什么具体用途，最终为本单元确立了两个知识应用点：一个是近迁移，即建立“简单机械的认知模型”，用以理解利用“简单机械”可以做功；另一个是远迁移，即利用“简单机械”可以省力，但不可以省功，做功是一个过程，必然伴随着能量的转化.

持久的理解有利于形成学科思想，学科思想反映了学科知识的本质，反映了学科思维特点和学科的学习规律.这些学科思想是学科的灵魂，是一个学科独特的育人价值.可以说，掌握学科知识是学好一门课程的基础，而理解学科大概念，领悟学科思想和方法，是学好这门课程的关键.因此，重构的单元学习目标应立足持久理解的意义建构，以促进学科大概念、学科思想和方法的形成.

这里，教师帮助学生整体感知单元内容，以其中所蕴含的学科大概念，学科思想方法为核心，归纳、概括单元的知识结构.然后，在此基础上，以学科大概念和思想方法为主线，讨论本单元各个部分的细节性内容.最后，引导学生从整体上领会本单元的学科大概念和思想方法，并运用这些概念和方法解决本单元的实际问题，从而实现本单元的迁移应用目标，并达成对学科大概念和思想方法的意义建构.这种以学科思想方法为主线，以问题解决贯穿全过程，改变了过去“部分+部分=整体”的知识组织形式，代之以“整体—部分—整体”的知识建构方式.