基于物理觀念形成和發展的高中物理中觀教學設計的實踐

摘 要：物理觀念不僅是物理核心素養的重要組成部分，還承載著聯系核心素養其他要素的功能.“教學單元”中重要概念、基礎概念之間的關聯方式上達物理觀念的理解，下承學習路徑設計.不同類型“教學單元”的關聯方式研究，是中觀教學設計的核心.

關鍵詞：物理觀念；中觀教學設計；關聯方式

在《普通高中物理課程標準修訂稿》中，對物理觀念界定如下：“物理觀念是物理核心素養的重要組成部分，是從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識；是物理概念和規律等在頭腦中的提煉和升華；是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎.”在上述界定中，“物質”“運動與相互作用”“能量”等是物理學的核心概念，因此，物理觀念實質是對核心概念的總觀性認識，而總觀性認識的形成和發展不是知識與技能的累積，而是知識與技能、物理思維、物理方法在綜合應用中由淺入深、由表及里地逐級凝煉和升華，從這個意義講，物理觀念不僅是物理核心素養的重要組成部分，還承載著聯系核心素養其他要素的功能.這樣，基于物理觀念的形成和發展的教學設計和實踐，便成為高中物理教學研究的重要課題.

一、基于物理觀念形成和發展的中觀教學設計的內涵和策略

（一）中觀教學設計的內涵

關于教學設計，一般有三種類型：一是指向課時的微觀教學設計，二是指向課程的宏觀教學設計，三是介于二者之間而指向“教學單元”的中觀教學設計，其中“教學單元”既可以是教材單元、專題，也可以是跨單元、跨學段的學習主題.中觀教學設計的價值取向不是追求每個課時的優化設計，而是從中觀視角統籌規劃“教學單元”的教學目標、教學內容、教學過程.但在物理教學中，中觀教學設計更多體現的是一種理念，而很少應用于教學實踐，原因是缺乏中觀層面上重要概念、基礎概念關聯方式構建方面的研究.

（二）基于物理觀念形成和發展的中觀教學設計

基于物理觀念形成和發展的中觀教學設計，是指以“教學單元”蘊含的物理觀念及其學習進階作為組織架構模型，系統構建其中重要概念、基礎概念的關聯方式，統籌規劃“教學單元”學習路徑和學習方式的一種教學實踐.在中觀教學設計中，“教學單元”中重要概念、基礎概念的關聯方式的構建居于核心地位，它上達物理觀念的理解，下承學習路徑設計.為此，我們對幾種常見類型“教學單元”中重要概念、基礎概念的關聯方式進行研究，期望探討出中觀層面上的學習路徑、學習方式的設計策略.

1.基于建模思想的中觀教學設計

吉爾伯特認為：科學本身是建模的過程，而學習科學是學生學習建模的過程.[1]建模教學的核心是通過創建模型或修正模型來描述自然現象，并最終理解自然現象.[2]建模歷程是個循環往復、不斷修正模型的過程[3]，因此，建模教學設計最好基于中觀層面系統規劃“教學單元”的建模活動，把物理觀念的形成和發展統整到模型建立、模型應用這條主線上，相應關聯方式的設計可從兩個方面展開：一是整個單元教學活動圍繞某個模型的建立、應用而展開；二是基于建模思想的橫向關聯，即整個單元聚焦于幾個模型的建構與應用.

2.基于問題解決的中觀教學設計

物理觀念是物理思維的產物，其形成和發展與問題解決緊密聯系.正因如此，新的課程標準明確提出通過問題解決促進物理核心素養的達成.

問題解決類“教學單元”的關聯方式設計，一般基于外在和內在關聯方式兩個層面：在外在關聯方式設計上，力求以真實性的問題作為學習主題，具體課時則對應于問題解決的不同層面；在內在關聯方式設計上，系統規劃物理概念、物理規律建立方式、理解路徑，構建一個連貫性、整體性的學習過程.例如，對于“運動的描述”單元，對應運動觀的核心內容是：“物體速度是位移的一階導數，加速度是位移的二階導數.” [4] 在中學物理中，其基本理解為速度是位置對時間的變化率，加速度是速度對時間的變化率.基本觀念的形成和發展途徑既可單純從“數”的角度建立，也可以基于“數形”結合來建立.在人教版教材中，總體編寫思想是基于問題解決建立基本觀念，具體方式是從“數”的角度研究小鳥、人、汽車、地球等物體的運動情況，同時，單純從“數”的角度構建基本觀念的形成和發展通道.基于問題解決的中觀教學設計思考，我們在外在關聯方式上，將教材原來零散研究對象重構為汽車運動這一真實性的學習主題，而具體課時則對應于汽車運動的描述、汽車運動位置的變化、位置變化快慢和汽車啟動、剎車快慢不同層面上的物理量建立；在內在關聯方式上，從兩個層面上設計進階路徑：一是以位移矢量性為進階起點，系統規劃速度、加速度的矢量性學習路徑；二是以勻速直線運動速度建立為進階起點，基于數形結合方式系統規劃平均速度、瞬時速度以及加速度建立方式和學習路徑，具體方式見文獻.[5]

3.基于“先行組織者”的中觀教學設計

“先行組織者”是指先于學習任務本身呈現的一種引導性材料，它比學習任務本身有更高的抽象、概括和綜合水平，并且能清晰地與認知結構中原有的觀念和新的學習任務關聯.設計“先行組織者”的目的是為新的學習任務提供觀念上的固定點，增加新舊知識之間的可辨別性，以促進類屬性的學習.[6]顯然，基于“先行組織者”的中觀教學設計能有效促進物理觀念的形成和發展.

例如，在人教版“機械能及其守恒定律”單元，其章首內容“追尋守恒量 能量”明確了單元知識、方法和能量觀念之間的聯系，是典型的“先行組織者”.對此，應充分發揮章首內容對于其他課時教學設計的先行組織功能，具體方式是基于章首內容中的伽利略理想實驗及其拓展模型為學習主題，探討重力勢能變化為何對應于重力做功？動能變化為何對應于合力做功？機械能守恒為何對應于只有重力做功等問題，從而構建起綜述性學習內容與具體課時之間的聯系通道和整體化的學習路徑，促進和發展能量觀念，具體內容參見文獻.[7]

4.基于科學探究一致性的中觀教學設計

科學探究是核心素養的重要組成部分.本體論意義上的科學探究是指由科學思維和科學方法統整的探索性活動，教學論上的科學探究則是指學生在科學知識與科學過程和科學方法的相互作用過程中，發展思維、體會方法、形成和發展科學觀念、提高科學素養.從這個意義上講，科學探究不僅是核心素養的重要組成部分，還是提升物理核心素養的重要途徑.

基于科學探究的教學設計，倡導學生學習科學探究的方法、用探究的方法學習.為此，需要教師關注如何構建物理科學方法、物理思維與物理知識一致性整體化的內容體系，關注體會科學方法、提升物理思維與形成和發展物理觀念一致性的學習路徑、學習方式，我們姑且稱之為基于科學探究一致性的中觀教學設計.例如，在人教版教材中，電場強度概念的建立是基于隱性的理想實驗方法，而諸如磁感應強度、電容、電動勢等眾多比值類概念均可運用類似的理想實驗方法建立.這樣，在學習路徑規劃上，可以在顯化電場強度建立中的理想實驗方法基礎上，將其遷移至其他概念建立方式上，從而構建起科學方法、科學知識一致性的內容體系和學習路徑，具體方式參見文獻.[8]

當然，由于教材單元的聯系方式往往兼具多種特征，造成設計者的聯系視角取向不同，其設計的學習路徑也有所不同.事實上，正因如此，才使得中觀教學設計研究更豐富多彩.

二、中觀教學設計的實踐——以建模教學的中觀教學設計為例

在“萬有引力與航天”單元中，關于天體運動的運動觀、作用觀形成和發展，實質上對應于天體運動模型、作用模型的“選擇、建構、驗證、分析和應用”過程，由于篇幅所限，本文僅就行星運動模型、作用模型的建立進行探討.

（一） “行星的運動”的學習路徑設計

1.觀念與地心說、日心說模型的建立

在科學史上，行星運動模型先后經歷了地心說模型、哥白尼的日心說模型以及開普勒行星運動模型三個歷史階段.

作為世界上第一個行星運動模型的地心說模型，經歷了漫長的演變、發展歷程，體現出了典型的“模型選擇、模型建構、模型驗證、模型分析、模型應用”的建模特征，其中蘊含的科學研究思想深刻影響著哥白尼的日心說模型、開普勒行星運動模型的建立.事實上，開普勒行星運動模型正是在地心說模型、哥白尼的日心說模型不斷修正、拒絕的建模循環中建立起來的.因此，基于建模教學理論規劃“行星的運動”學習路徑時，應把地心說、日心說模型與開普勒行星運動模型的建立有機聯系起來.為此，建議按建模教學環節重組教材“科學足跡”欄目的內容體系，構建供學生課前自主學習的素材，引導學生體會觀念在地心說模型、日心說模型建立、修正、拒絕和重構過程中的作用.

2.開普勒行星運動軌道模型的建立

（1）開普勒的第一次宇宙奧秘探索

【觀念與模型選擇】畢達哥拉斯的宇宙和諧觀，構建宇宙的五個正多面體與地球的疊代模型.此模型雖然是錯誤的，但其創造性的想象力卻引起了第谷的注意，并邀請開普勒一起工作，于是，科學史上最完美的組合誕生了.

（2）開普勒的第二次宇宙奧秘探索

【模型拒絕與修正】開普勒認為，行星軌道是真實的，而真實軌道描述不應該用圓周的組合，為此，開普勒拒絕了“本輪—均輪”模型，嘗試用一個偏心輪和一個等距輪的組合描述火星運動，經過七十余次試驗，仍然沒有解決日心說模型存在的問題，第二次宇宙探索失敗.

（3）圓周軌道模型的拒絕與橢圓軌道模型的建立

【模型建構】開普勒堅信第谷測量的準確性，并把以往模型失敗的根源歸結為“正圓”觀念，于是，他拋棄“正圓”觀念，轉而用第谷的觀測數據去確定行星的運動軌道，經過長時間的探索，最終用橢圓軌道替代圓周軌道.

3.開普勒第二定律的建立

【事實】開普勒發現，火星在近日點和遠日點的矢徑在相等時間里掃過的面積相等.

【觀念與模型選擇】基于畢達哥拉斯的宇宙和諧觀、托勒密倡導的“簡單性原則”的認識觀.開普勒認為如此簡單、美妙的關系應該適用于火星軌道上的任一部分，也適用于其他行星.于是，開普勒又拋棄了勻速這個傳統觀念，并基于事實和外推方法建立開普勒第二定律.

4.開普勒第三定律的建立

【活動1】呈現太陽系幾大行星圍繞太陽做橢圓運動的半長軸a和周期T，探究二者之間的關系.

【活動2】月球、同步衛星繞地球做圓周運動，其半徑分別為0.424×105km、3.844×105km，對應周期分別為1d、27d，試探究二者之間的關系.

（二）“太陽與行星間的引力”的學習路徑設計

開普勒突破了正圓、勻速兩大傳統觀念束縛，是天文學史上一次重大思想解放，但在研究太陽與行星間引力作用時，為何又基于勻速圓周運動模型？為何能不考慮行星的巨大體積？在科學史上，這兩個問題一直困繞著胡克等物理學家，而牛頓正是突破了上述難點才建立起太陽與行星間的引力作用模型，并進而發現萬有引力定律.這樣，在“太陽與行星間的引力”的學習路徑設計中，毫無疑問需要體現模型的建立過程.此外，教材對于行星與太陽間引力F∝M的建構是基于作用力與反作用力的對稱觀，從教學邏輯上考慮，它需要進一步地完善.為此，本專題的學習路徑可設計為“太陽與行星作用模型中勻速圓周運動模型的建立→質點模型的建立→太陽對行星作用的數學模型F=4[π2kmr2]建立→行星對太陽作用的數學模型F∝M的建立→歸納出太陽與行星作用的數學模型”.

1.太陽與行星作用模型中勻速圓周運動模型的建立

【活動1】在太陽系幾大行星中，水星的偏心率最大，其半長軸和半短軸分別為57.9×106km、56.7×106km，試用word按比例準確畫出其運動軌跡.畫圖建議：先用word畫半長軸為5.79cm、半短軸為5.67cm橢圓，再畫半徑為5.79cm的圓，然后把二者重疊.

問題1：根據上面繪圖情況，比較圓周與橢圓軌道，你認為在研究某一位置的運動與力關系時，能將其運動軌跡抽象成圓周嗎？

問題2：行星繞太陽運動能近似看成是勻速圓周運動嗎？嘗試依據開普勒第二定律加以說明.

2.行星運動的質點模型建立

【活動2】已知地球到太陽中心的距離約為r=1.5×108km，地球直徑為R1=1.3×104km，太陽直徑為R2=1.4×106km.試在圖1所示的方格紙中心及圓形軌道上按比例分別畫出太陽、地球，并說明能否把行星、太陽抽象成質點？（注：圖中方格紙的20個小格對應于圓形軌道的直徑，太陽、地球直徑分別是1格邊長的[110]、[11100]）

通過上述兩個以作圖為主要探究活動，建立起行星運動模型——質點系圓周運動模型.

3.太陽對行星引力大小、方向模型的建立（見教材，略）

4.行星對太陽引力大小模型的建立

【活動1】探究性學習樣例的建立

為引導學生探究F與M間的關系，在演繹推理的基礎上，再運用理想實驗探究F與m間的關系，以構建起探究F與M間關系的學習樣例.具體維流程為：“以行星m為研究對象→控制變量：保持M、r不變→思維性操作：把行星等分為質量為m/2小行星，則每顆小行星所受引力為F/2→‘實驗結論：F∝m”，其直觀性思維操作方式見圖2.

【活動2】F與M間關系的探究

仿照上面方法，探究F與M間的關系.

基于上面樣例，引導學生按“以行星m為研究對象→控制變量：保持m、r不變→思維性操作：設想把太陽一分為二，每部分質量為M/2，則每質量為M/2的‘半個太陽對行星的引力為F/2→‘實驗‘結論：F∝M”流程進行探究，直觀性思維操作方式見圖3.

6.模型拓展

考慮整體性學習路徑規劃，還應按下述方式進行模型拓展，以便建立太陽與行星作用模型與“月地檢驗”間的聯系.

問題：月球、人造衛星圍繞地球做勻速圓周運動，你認為地球與它們之間的引力是否遵循F=G[Mmr2]？

需要說明的是，雖然指向物理觀念形成和發展的中觀教學設計是實現核心素養達成的很好的途徑，但是面臨的困難也是顯而易見的，就是物理觀念內涵在教學實踐層面上的解讀問題，盡管一些文獻闡述了對物質觀、運動觀、相互作用觀、能量觀，但與中學物理實踐的關聯性并不大，從而給單元觀念的歸納帶來很大的困難，迫切需要專家作進一步的闡述，此外，物理觀念的形成和發展與單元內的關聯方式設計對教師提出很高的要求，本文僅僅是拋磚引玉，期望能有更為深入的研究.

參考文獻：

[1]王全，母小勇.模型與建模：國際物理教育新視點[J].外國中小學教育，2009（3）：55-58.

[2]翟小銘，郭玉英，項宇軒.物理建模教學例析——以“靜電現象的應用”教學為例[J].物理教師，2015（7）：31-35.

[3]趙萍萍，趙博，劉恩山.建模教學研究進展及其對理科建模教學的啟示[J].教育導刊，2015（2）：42-45.

[4]任建英.談物理觀念[J].物理教學，2017（2）：49-52.

[5]周棟梁，時春華.基于主題核心概念的高中物理教材重構實踐與思考[J].物理教師，2016（11）：8-13.

[6]紀文杰.“先行組織者”策略在實驗專題復習課中的應用[J].教學月刊，2016（3）：23-27.

[7]周棟梁.關于“機械能及其守恒定律”的中觀教學設計[J].物理教學探討，2016（11）：66-72.

[8]周棟梁，時春華.理想實驗在教材處理中的探索[J].中學物理教學參考，2015（1）：2-6.