基于學科核心概念的物理課程設計
——俄亥俄州立大學“The World of Energy”課程簡介

張 靜Wildermuth Mary

·教育理論研究·

基于學科核心概念的物理課程設計
——俄亥俄州立大學“The World of Energy”課程簡介

張 靜1Wildermuth Mary2

（1．長江大學物理與光電工程學院，湖北荊州 434023；2．俄亥俄州立大學物理學系，俄亥俄哥倫布 43210）

從課程建設歷程、課程目標、課程內容體系、課程實施形式和課程評價5個方面介紹了俄亥俄州立大學開設的“The World of Energy”課程．該課程以物理學核心概念“能量”為課程內容，關注學生概念的整合發展，以教師實驗演示和學生親身實踐為主要實施形式，課程評價注重過程性評價和終結性評價相結合．

The World of Energy；核心概念；整合發展

隨著科技的不斷進步，物理知識的廣度和深度不斷延伸，為了解決“有限的學習時間和無限的學習內容”之間的矛盾，國際科學教育研究領域提出了圍繞少數核心概念組織課程內容的教學理念．核心概念是組織整合某個學科自身內容的少數關鍵概念．［1］2012年，美國國家教育委員會（NRC）頒布的新一輪科學課程改革文件《K－12年級科學教育框架：實踐、共通概念及核心概念》［2］中指出“能量”是物質科學的核心概念之一，可見“能量”概念在物質科學學習中的重要性．

近年來，研究者指出“能量”是貫穿于所有自然科學和技術科學的物理量，是所有科學概念中最基本、涉及面最廣的概念之一．認識和理解能量概念對學習者建構、對科學本質的理解、提高公民的社會生活基本素養都具有重要意義．［3］但是目前國內物理學科缺乏圍繞學生核心概念組織的課程，顯然如何圍繞學科核心概念組織課程和開展教學是一個值得研究和關注的問題，美國俄亥俄州立大學物理學系Mary教授等人開設的“The world of energy”［4］課程可值得我們借鑒參考．

1 不斷完善的課程建設歷程

俄亥俄州立大學開設的“The world of energy”課程建設開始于1970年，定位其特色是關注能量的應用和能量守恒等相關內容．1990年到2001年期間，得到學校教務處和物理系的資助，課程形成一系列供學生使用的課堂講義和活動任務單，并著手開始建設教材．2011年到2012年，課程教材得到更新，并重新組織為兩個學期的課程：Physics1103和Physics1104，兩門課程并沒有先后關系，但內容上稍有側重，Physics1103側重力學、電磁學和機械中的能量，Physics1104側重光學、熱學、核能和能量的來源．經過40多年的不斷完善，課程已形成一整套完備的課程資源，包括自編教材、活動任務單、教學演示文檔、教學實驗儀器（教師演示實驗和學生動手實驗）、動畫仿真、教學視頻資源等．

2 以理解能量基本概念和解決當代世界能源問題為核心的課程目標

該門課程是僅供文科學生選修的3學分課程，每周2次課，每次課程時間為80min，其符合俄亥俄州立大學文科學生需要獲得通識教育課程（General Education curriculum）對物理學科的要求．課程目標是學生能夠理解在能量應用情境中的物理概念和規律；理解科學與技術的聯系；理解能量相關的基本事實、理論和現代科學的方法；認識科學知識是不斷發展的；能描述能量相關科學與技術發展的相互依賴關系；能在有關能量（或能源）政策、環境和自己所處位置的能量變化過程中做出合理且明智的決策；能在解決當代世界能量（或能源）相關問題時理解潛在的科學和技術問題．

3 以能量概念進階發展為主線的課程內容體系

3．1 課程結構遵循學生認知發展規律

已有的“能量”學習進階研究從復雜度層級理論出發，指出學生對能量的認識會從多種多樣的能量形式開始，發展到對能量轉換和守恒的理解，最高層級則是對能量耗散的理解．［5］該門課程在設計課程結構時，遵循了學生的認知發展規律．Physics 1104的課程結構見表1所示．

章內容1能量世界簡介2力和能量3電能4熱能轉換5熱能和微觀圖景6比熱，潛在熱量，熱容7熵和熱力學定律8理想氣體定律和內能9熱力學定律的應用1 0敏感系統和計算機建模1 1化學能和化石燃料1 2使用化石燃料的后果1 3地球作為一個能量系統1 4氣候變化的原因和后果1 5質量和能量1 6電離能1 7電離輻射的后果1 8夸克和放射性碳測年法1 9使用核能的后果2 0波和光子能量2 1恒星的能量2 2太陽能的應用2 3太陽能的電力2 4能量和水2 5 風能和生物團能量2 6 節約能源

本文以Physics 1104為例說明其課程結構．該課程打破傳統的按照力、熱、光、電、近代物理組織的課程形式，所有課程內容均是圍繞能量這一核心概念．教材前兩章首先建立學生對能量形式的認識，將紛繁復雜的能量形式概括為3種類型：（1）與運動有關的能量，包括動能、熱能、聲能；（2）電磁能，包括電能、磁能、輻射能；（3）勢能，包括重力勢能、彈性勢能、電勢能、化學能、核能．如此分類，有利于幫助學生建立起對不同形式能量共同特征的認識，在此基礎上解釋說明主要形式能量之間的轉化、守恒和儲存，指出能量能夠以各種各樣的形式儲存，能量轉化過程中總是伴隨著能量損失，因此需要提高能量轉化效率，奠定了學生選擇和應用各種能量的基礎．其中，第3章到第25章對主要能量形式的基本概念、規律和應用進行細致講解，包括電能、熱能、內能、化學能、電離能、核能、光能、太陽能、風能、生物團能．這些能量不僅涉及物理、化學、地理、生物各學科，且從學生在中學階段熟悉的電能、熱能等開始介紹，逐漸增加認知難度，體現了跨學科、整合化、逐步進階的能量體系．

3．2 課程內容注重能量和技術、社會、環境間的聯系

課程內容在介紹基本能量概念和規律的同時，還深入探討了各種形式能量在世界各地或美國的使用情況，及使用這些能量的后果．例如在“化學能和化石燃料”中指出化學能是當代美國主要的能源之一，并給出美國歷年化石燃料使用的情況．在“使用化石燃料的后果”中讓學生親身實踐感受蠟燭、酒精、打火機液、車用機油所產生的污染．在“電離輻射的后果”中讓學生用放射性計數探測儀探測鹽、鐳、釷、煙霧報警器、瓷盤、瓷壺、釙210（α輻射材料）、鍶90（β輻射材料）、鈷60（γ輻射材料）以及教室墻壁等各種材料的電離輻射情況，測試紙板、鉛板、鋁板對不同輻射的屏蔽效果，并給出俄亥俄州各地氡氣分布，讓學生了解其危害和探測及防護方法．在“使用核能的后果”中指出，美國大概有9%的電能來至于核電站，許多歐洲國家主要依靠核能，如法國有76%的電能來自于核電站，并從技術上解釋核電站的構成和工作原理，及核反應存在安全、經濟等一系列問題．在“氣候變化”中給出俄亥俄州哥倫布市每年降雨量的變化．最后1章的“節約能源”，意在教會學生如何明智地選擇能量和節約能源．課程內容注重能量和技術、社會、環境之間的聯系，而且十分貼近學生的生活，體現了“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念．

4 以演示實驗和學生親身實踐為特色的課程實施形式

課程的授課教室為一專門設計的實驗室（如圖1），可以容納5組學生，每組5－6人，圍坐在一張大的方形實驗桌旁，桌上擺滿每次上課學生需要親自動手完成實驗的器材，實驗室四周是每次教師演示使用的實驗器材．例如Period13“地球作為一個能量系統”，演示實驗有地球、月亮和太陽模型，地球儀等，學生實驗器材則有地球儀、底座、帶孔插板、灰色方板、直尺、手電筒等．

圖1 “The World of Energy”教室

每次課程80min，大約1／3時間教師利用演示文稿講解，1／3時間進行演示實驗或播放實驗視頻（大部分實驗都是現場演示的），1／3時間供學生小組實踐和完成工作任務單．以Period13“地球作為一個能量系統”為例，教師通過教室中的地球、月亮和太陽模型，幫助學生建立起它們之間距離的定量關系，在此基礎上討論太陽輻射的能量形式和來源以及地球從太陽獲得的能量情況．為幫助學生了解地球不同地方獲得太陽能量的差異，學生按照活動任務單（如表2中所列為節選部分）的要求小組進行實踐活動（如圖2），并進行小組討論，之后探討大氣層、地球能量平衡和溫室效應等問題．物理概念通過教師的演示講解、學生在課堂上完成的實踐活動和活動任務單等方式得到深入的建構．

圖2 學生親身實踐活動

表2 活動任務單（節選部分）

續表

5 過程性評價與終結性評價相結合的課程評價

表3為課程的評分標準，該門課程32%的成績來自于平時活動任務單和課外作業，其中活動任務單（如表2）是在課上教師講解某些重要概念和規律，或演示實驗，學生自己做實驗，或觀看錄像時需要記錄的重要內容，其貫穿整個課堂始終，下課時上交．當堂的課程任務有利于加強學生的聽課效率、投入程度和參與積極性，學生也可利用活動任務單進行知識的有效梳理和復習．課外作業通常是解決生活實際能量問題的簡答題，有利于學生進一步理解和應用能量概念．例如，“天氣變化”的課外作業是讓學生根據自己或家庭的生活方式，通過網上提供的計算公式，評估自己產生的溫室效應氣體，提出準備采取節約能源的措施，并估算這些行為可以節省的資金和減少CO2氣體排放的數量．

表3 課程評分標準

雖然68%的成績來自于考試成績，但考試分解到整個學期的3個階段，每次考試只考察該學習段所學內容，期中考試1考察1－8周學習內容，期中考試2考察9－17周學習內容，兩次期中考試均是在75min內完成30題多項選擇題，期末考試考察18－26周學習內容，105min內完成50題多項選擇題，這些多項選擇題均是考察關于能量的基本概念和基本計算（考試中給學生提供公式單），有利于教師了解學生對能量基本概念的理解．

6 總結和啟示

6．1 物理課程設計應體現整合與發展的理念

物理教學一直以來面臨著“難學難教”的兩難境地，學生之所以覺得物理難學，其中一個主要原因就是學生的物理知識是零碎的，所獲得的概念、規律和方法未建立起聯系，且未能得到連貫一致的發展．［6］本文所提到這門課程圍繞“能量”概念建構課程體系，從物理學核心概念的視角重新建構物理概念的內容，且將能量概念在物理、化學、生物、地理等多個情境下應用，形成整合化的概念體系．對促進學生認知的整合發展和減輕學生的學業負擔有著重要意義，這一理念將指引物理課程從“廣而淺”轉向“精而深”的設計．

6．2 物理課程應加強學生對當今社會現實問題的思考

物理教育中對能量概念的教學一方面能夠幫助學生理解整個物理學及科學體系，另一方面也能使學生更好地理解環境污染、能源危機等社會熱點問題的本質，更好地了解和適應社會．目前，國內物理課程的教材內容相對統一，更新較慢，且缺乏對物理與當今社會和地方現實問題的聯系與討論，不利于學生應用所學物理知識正確對生活或社會問題做出決策．本文所提到的這門課程內容緊密結合社會現實，將例如世界溫度與二氧化碳含量的關系，美國各種能源的使用情況，溫室效應，俄亥俄州近20年來的氣候變化和降雨量，電離輻射的后果、核能的使用后果，如何節約能源，氣候和環境的記錄方法等許多現實問題加入了課程，這樣做有利于學生在面對當今社會問題或解決現實問題過程中，理解和應用能量概念．

6．3 物理課程應重視學生的親身實踐

“The World of Energy”課程之所以受到學生的廣泛歡迎，其主要原因正是其提供給學生親身實踐的機會，學生普遍反映“我喜歡這種親自動手的教學方法，這讓我很容易理解其蘊含的科學原則，這些小玩意兒讓課堂變得十分有趣”，很多學生愿意將這門課推薦給自己的同學．而在我國物理教學中，缺乏這些與概念緊密相關，又能夠讓學生親身體驗和實踐的儀器和素材．只有改變傳統教學形式，加強課程實踐資源建設，才能讓學生在實踐過程中深入理解概念和建構概念體系．

6．4 物理課程應注重過程性評價

國內大多數物理課程都是采用終結性評價，導致大多數學生對課程的平時投入十分有限，上課效率低下．本文所提到的這門課程，利用課上的工作任務單全程引導學生有效學習，保證了學生課上的投入和課后復習，結合生活實際的課外作業能及時幫助學生應用能量有關概念．考試成績由2次期中考試和1次期末考試構成，將考試內容拆解到各個不同時間段，有利于學生即時復習和減少考試負擔．

雖然目前我國缺乏圍繞物理學核心概念的物理課程和教材，但我們不妨以此門課程為參考進行一些有益嘗試和研究，例如以選修課程的形式開設，甚至可以面向文科學生．通過建設圍繞核心概念組織的校本教材，實施活動任務單和親身實踐活動等課程形式，來實現在“實踐”活動中幫助學生建構概念體系的課程目標，從而真正促進學生科學素養的整合發展．

1 郭玉英，姚建欣，張靜．整合與發展——科學課程中概念體系的建構及其學習進階［J］．課程·教材·教法，2013（2）：44－49．

2 A Framework fro K－12Science Education：Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas［M］．Washington，DC：National Academy Press，2012．

3 J Nordine，J Krajcik，D Fortus．Transforming energy instruction in middle school to support integrated understanding and future learning［J］．Science Education，2011，95（4）：670－699．

4 M Wildermuth．Physics 1104：World of Energy：Light，Thermodynamics，Energy Sources［EB／OL］．http：／／www．physics．ohio－state．edu／worldofenergy／，2013－6－20．

5 K Neumann，T Viering，et al．Towards a Learning Progression of Energy［J］．Journal of Research in Science Teaching，2013，50（2）：162－188．

6 張玉峰，郭玉英．圍繞學科核心概念建構物理概念的若干思考［J］．課程·教材·教法，2015，35（5）：75，99－102．

2016－06－06）

本文獲湖北省教育廳人文社科項目“青少年科學素養進階發展的理論研究與實踐”（15Q052），教育部高等學校教學研究項目“基于SPOC的大學物理翻轉課堂教學模式研究與實踐”（DWJZW201534zn），湖北省高等學校省級教學研究項目“基于SPOC模式下翻轉課堂的研究與實踐”（2015270）資助．