基于结构化主题的高中物理能量单元整体教学

朱 健

(江苏省无锡市第三高级中学,江苏 无锡 214028)

《普通高中课程方案(2020年修订)》(以下简称《课程方案》)指出进一步精选了学科内容,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,使课程内容情境化,促进学科核心素养的落实.[1]《普通高中物理课程标准(2020年修订)》(以下简称《课程标准》)建议通过对物理概念和规律的逐步学习、系统反思和迁移应用,可促进学生的物质观念、运动与相互作用观念和能量观念不断发展,使其学会用这些观念解释自然现象,解决生产生活中的实际问题.[2]

如何将《课程方案》和《课程标准》提出的课程理念与教学方式变革举措落实在教学与活动中,近年来,一线高中物理教师们尝试大概念统领下的单元教学设计与实施研究,引发了概念与规律的深度学习,促进学生物理学科核心素养发展,对落实课程变革理念与路径进行了有效的探索.本文结合《课程方案》和《课程标准》提出的内容结构化,以及物理教学方式变革建议,以高中物理学科中能量主题为例,尝试对基于结构化主题的单元整体教学进行实践与思考.

1 单元教学设计与实施的困境与对策

当一线高中物理教师将目标聚焦在大概念统领下的单元教学设计与实施时,大概念悄然成为单元教学深度研究的瓶颈.主要原因有三:一是大概念统摄的范围从单元内容到学习领域,再到整个学科,一直延伸到哲学范畴,范围之广、层次之多,一线教师教学时难以把控;二是大概念统摄下的概念层级划分混乱,甚至出现同一研究者在不同文章中划分方式不同现象,一线教师难以操作;三是大概念价值立意之高,一线教师难以将课堂中的概念、方法和问题与之建立深度关联,具体参见表1.

表1 一线教师对概念层级的划分

解决这些问题笔者以为,首先,要明确大概念的统摄范围,高中物理教师将大概念确定在高中物理学科内容之内较适宜.其次,以学科教学视角对大概念统摄下的概念层级划分进行统一表述,如学科大概念、单元核心概念、课时核心概念、一般概念、事实与现象,目的是既便于一线教师在教学过程中深度追踪概念理解发展情况,也方便研究者们进行深度对话与研讨.第三,建立一般概念统摄事实与现象、课时核心概念统摄一般概念、单元核心概念统摄课时核心概念、学科核心概念统摄单元核心概念层级结构,为探索课堂中的概念与学科大概念建立深度关联提供实践路径.

2 学科大概念统领下的结构化主题设计流程

在物理教学实践过程中,笔者尝试以物理教材原有单元为基本单位统整结构化学习主题,从结构化主题内容中提炼大概念与相关核心概念,统整具有相同物理本质的概念与规律内容,构建系列学习单元;通过整体分析学习内容与学生的学习情况,确定指向核心素养的概念与规律达成目标;以单元中的关键内容设计主问题,围绕主问题设计与实施体现概念与规律进阶、迁移与应用的学习活动,借助概念发展层级进行系统评估与反思.图1是能量主题结构化教学设计流程.

图1 能量主题结构化教学设计流程

3 结构化主题的单元整体教学设计

3.1 选定主题,梳理结构化的知识层级

为了实现逐步学习各种形式能量,促进学生能量观念不断发展,笔者首先以能量观念自上而下统整高中物理教材中相关内容,形成能量主题内容,在此基础上,对其进行整体结构分析,提炼能统摄单元与课时内容的核心概念,围绕核心概念进阶、迁移与应用目标进行单元整体教学设计.图2呈现的是能量主题知识内容与层级划分,为单元系列划分和课时教学设计提供支持.

图2 能量主题知识与概念层级结构

依据能量主题的知识层级结构,我们将物理教材内容单元统整后划分为机械能单元、内能单元、电势能单元、电能单元、核能单元以及交叉单元(摩擦生热与电热交叉)等.对于每个单元,我们提炼出本质相同的各层级核心概念,为提炼能够统领这些核心概念的大概念提供基础.例如,通过对各种能量形式及其对应的力做功的本质探究与归纳,提炼功能关系单元大概念,将功能关系置于大情境、大活动、主要问题解决过程中迁移与应用、理解与反思,逐步从能量变化过程中形成能量观念.

3.2 提炼核心概念,统构系列单元内容

依据能量主题的知识层级结构,重新构建单元学习内容,既能保证教学目标始终指向学科大概念,又容易设计每个单元的课内教学活动和课外项目式创新活动.便于设计每个课时学生应该达到的核心概念理解,以及每个项目需要达成的理解深度,实现从学生前概念、到一般概念、到课时核心概念、到单元核心概念、再到学科大概念全程贯通,形成形式分离、本质统领的结构化教学单元系列.表2是单元系列中机械能单元概念贯通设计.

表2 机械能单元概念设计

为了实现核心概念进阶目标,我们将按照传统的课时分段实施课内教学活动,在课后安排项目学习来深化核心概念理解,具体主题、时长、时段、成果展示与交流活动,将根据学生的学习进度和概念进阶程度进行及时跟进.例如,我们将安排制作悠悠球项目活动,主要深度理解功、动能、重力势能和功能关系,这将在学习本单元内容之后的节假日进行;我们还将举办为校篮球队同学设计一款助弹鞋项目活动,主要深度理解动能、重力势能和弹性势能,在能量转化或转移过程中逐步形成能量守恒观念,主要安排在学完机械能单元内容后的暑期进行.

3.3 提取单元主要问题,设计概念进阶活动与路径

表3以机械能单元为例,呈现了单元主要活动与概念进阶路径.具体第1课时建构功和功率概念,从位移、时间和力等概念出发设计活动.第2课时建构重力做功和重力势能概念,从位移、重力和功等概念出发设计活动.第3课时建构动能、合力做功和动能定理概念,从速度、质量、运动学规律、牛顿第二定律和功等概念出发设计活动.第4课时建构各力做功关系、机械能守恒概念,从动能、重力势能和弹性势能等概念出发设计活动.

表3 机械能单元学习活动与概念进阶路径

3.4 优化评估指标,揭示概念本质

概念理解表现是指学生在学习具体概念时所表现出对概念本质的理解行为.在传统教学中,教师通常会将自己事先准备好的概念理解讲述给学生听,并观察学生的反应或直接询问学生是否理解,这导致学生缺乏充分展示和建构自己概念理解的机会,使得概念学习仅停留在浅层阶段.为了解决这个问题,我们需要在教学过程中根据概念进阶设计活动,让学生充分展示理解,并针对学生的实际理解表现进行反思和调整.

郭玉英研究团队提出的科学概念理解五层发展模型为概念进阶评估提供了技术支撑.[10]笔者针对重力势能概念的本质建构过程,优化了概念理解五层发展的评估指标,设计了一系列概念理解活动.表4是基于五层级评估指标的重力势能概念理解活动.

表4 重力势能概念理解活动

其中,经验层级是学习重力势能概念前学生能从情境中提取的高度与高度差关系,映射与关联层级是学生定性建构重力势能、重力做功以及之间关系的具体活动与表现,系统层级是学生定量建构重力势能、重力做功以及之间关系的具体活动与表现,整合层级需要经历整个单元系列学习过程逐步形成的概念理解发展目标.

4 结语

高中物理能量主题中涉及对具体能量形式本质的理解、能量转移与转化规律探索,需要学生基于本质理解建立概念与探寻概念之间的规律.本文基于深度学习理念指导下对能量主题进行单元整体教学设计,是一次高中物理学科范围内的理论与实践结合探讨.设计时采用自上而下的路径来最大程度保障学科大概念的统摄性效能;实践时让学生经历自下而上逐步学习、不断反思与迁移应用过程,逐步形成能量观念.