基于物理大概念的高中電磁學部分結構化分析

宋潔 吳同華

摘? 要 “重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情景化，促進學科核心素養的落實”，是2017版高中物理課程標準修訂的重要變化。對物理大概念淵源和內涵進行梳理，并對高中電磁學部分以物理大概念為核心進行分析，探尋物理大概念和核心概念之間的邏輯關系，旨在幫助教師落實物理學科核心素養。

關鍵詞 高中物理；物理大概念；物理觀念；電磁學；核心素養

中圖分類號：G633.7? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）13-0055-03

0? 引言

《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱新課標）較之前課標發生很大變化，其基本理念是注重體現物理學科本質，培養學生物理學科核心素養。因此，提及新課標時，人們對物理學科核心素養、學業水平質量等耳熟能詳，而對大概念一詞并沒有太多關注。但在新課標第二部分修訂的主要內容和變化中關于學科課程標準明確提出：更新了教學內容，進一步精選了學科內容，重視以學科大概念為核心……促進學科核心素養的落實[1]。由于大概念一詞在本次新課標中只出現一次，而且對大概念也沒有做深入闡釋和操作性定義，因此，不管是各級教育部門還是教育教學工作者，都對大概念這一理念有著不同程度的疏忽。認真研讀新課標后，可以清晰地發現大概念并不是新課標修訂工作者隨口一提，而是各學科課程內容構建的重要理論基礎，而且各學科都以大概念來統領課程內容，只是呈現的方式有所差異[2]。

就物理學科來說，雖然沒有在課程內容方面直接展示關于大概念理念的內容，卻處處體現著該理念，該理念是幫助理解課程標準以及課程內容建構的法寶。大概念在一定范圍內來說具有普適性，在不同單元、不同章節可以體現一定的相關性，有助于幫助學生整合知識形成認知體系，培養學生的物理學科核心素養。因此，很有必要對物理大概念的有關理論進行梳理，厘清其淵源和內涵，尤其要明確物理大概念到底有哪些，高中物理哪些知識對應哪個大概念，使之顯性化和直觀化。只有這樣，才能夠有效幫助一線教師在教學中以大概念作為統領開展教學，落實物理學科核心素養。

1? 物理大概念

大概念（Big Ideas）一詞起源于美國，國外對大概念的表述不一，例如：大概念是“適用于一定范圍內物體和現象的概念，它們能夠解釋較大范圍內的一系列相關現象”[3]；是“一種強大的解釋模型，它對自然界中的各種可觀測的自然現象有廣泛的解釋力”[4]……在國內較早研究大概念的專家是韋鈺[5]院士，她認為大概念是經過實驗并且證實了的客觀事實，能用一句話甚至一個短語表達出來，能夠成為科學概念。北師大郭玉英教授及其團隊[6]對大概念相關的文件進行整理后提出見解：大概念是那些超越學科界限的可以有共同觀念的概念，盡管不同的大概念在選擇和表述方面有所差異，可其最終目標就是完成知識的整合。國內外研究者雖然對大概念的解釋表述有所不同，但其內涵都趨于一個共識：大概念是建構學科知識體系的、能夠解釋較大范圍內的一系列相關現象的核心概念。

大概念的提出和研究最初是在科學領域開始的。2003年，威金斯和麥克泰在《理解力培養與課程設計：一種教學和評價的新實踐》中提出24個科學大概念[7]，其中有五個是與物理學相關的大概念：

1）物質是由原子組成的；

2）凈力是使物體運動狀態改變的原因；

3）能量有不同的形式但總保持總量恒定；

4）在物理變化和化學變化中質量和能量保持恒定；

5）波能傳輸能量。

2009年10月，來自墨西哥、智利、中國、加拿大、美國、法國、英國的10位IAP-IBSE專家委員會的專家聚集在蘇格蘭的羅斯湖畔，召開一次關于探究式科學教育的國際研討會。會中，專家討論選擇出14個交叉學科概念作為整合科學知識的大概念，其中有四個是與物理學相關的大概念[8]：

1）宇宙中所有的物質都是由很小的微粒構成的；

2）物體可以對一定距離以外的其他物體產生作用；

3）改變一個物體的運動狀態需要有凈力作用于其上；

4）當物體發生變化或改變時，會發生能量的轉化，但是在宇宙中能量的總量總是不變的。

與上述威金斯和麥克泰提出的五個與物理相關的大概念相比，這四個大概念是迄今為止所有文獻中最為直接與物理相關的大概念，暫且稱之為四個物理大概念。

2? 物理大概念與物理觀念

筆者對國內外關于大概念的文獻進行綜合考量，尤其是以2009年發表的《科學教育的原則和大概念》提出的四個物理大概念為落腳點，對照新課標中物理學科核心素養中物理觀念維度的內涵，厘清物理大概念和物質觀念之間的內在聯系。

1）“宇宙中所有的物質都是由很小的微粒構成的”，描述的是物質結構，是關于物質的大概念，對應的是物理觀念中的物質觀。

2）“物體可以對一定距離以外的其他物體產生作用”，描述的是場的基本性質，因此也是關于物質的大概念，對應的也是物理觀念中的物質觀。

3）“改變一個物體的運動狀態需要有凈力作用于其上”，描述的是物體與物體之間的相互作用和物體的運動，是關于運動與相互作用觀的大概念，對應物理觀念中的運動與相互作用觀。

4）“當物體發生變化或改變時，會發生能量的轉化，但是在宇宙中能量的總量總是不變的”，描述的是能量守恒，能量的轉化同時伴隨著做功，其中包含著功能關系的轉化，是關于能量的大概念，對應物理觀念中的能量觀。

因此，物理核心素養中物理觀念中的物質觀、相互作用與運動觀、能量觀實際上就是整個高中物理學科體系的三個最核心的大概念。物理大概念與物理觀念的對照關系如表1所示。

3? 基于物理大概念的高中電磁學內容結構化分析

電磁學是研究電、磁和電磁相互作用現象及其規律和應用的，是高中物理的重要部分，主要包括電場、恒定電流、磁場、電磁感應等，內容多且彼此之間聯系緊密。

普萊斯頓·D.費德恩[9]認為：核心概念是一種教師希望學生理解并能在忘記其非本質信息或周邊信息之后仍能應用的陳述性知識。而從所處學科知識體系當中的位置來說，核心概念是那些在知識結構網絡中處于重要節點位置的概念。高中電磁學部分的核心概念有電場、磁場、電流和電磁感應。在厘清物理大概念內涵及其與物理觀念關系的基礎之上，結合新課標要求，按照大概念、核心概念與一般概念之間的關系，梳理出高中物理電磁學部分的結構圖示，如圖1所示。

本框架圖旨在說明以物理學科大概念物質、運動與相互作用、能量為統領的電磁學部分結構體系，其中電場、磁場、電流、電磁感應是在物理學科大概念統領下的四個與電荷相關的核心概念。圍繞中心磁場展開構思，傳達的是場這個物質的存在，體現的是物理觀念中的物質觀；電流是運動電荷的宏觀表現，體現的是物理觀念中的運動觀，其中電荷在磁場、電場中受力體現的是相互作用觀，統稱為運動與相互作用觀；電磁波指向能量是指空間中的電能和磁能以電磁波的形式傳播，電磁感應指向能量是指在磁生電的過程中產生的感應電流，而感應電流在磁場中受安培力的作用，因此要維持安培力存在，必須有外力克服安培力做功，在這個過程中功能轉化關系是其他形式的能轉化為電能，這兩個過程均體現的是物理觀念中的能量觀。

通過圖1所示框架結構圖，單元核心概念、物理學科大概念與單元其他概念之間的邏輯關系可以比較清晰地呈現出來。

4? 結束語

物理結構化是物理知識體系的建構，主要包括不同范疇知識模塊的內在邏輯關系體系，是物理學科內容各組成部分之間相互聯系、相互制約的組織關系[10]?；诖蟾拍畹母咧须姶艑W結構化研究對學生頭腦中概念認知結構的建立具有重要意義。

1）有利于學生明確物理觀念內涵，實現知識到觀念的升華，引導教師在設計教學和實施過程中真正以大概念理念為指導，走出單純傳授給學生知識點的舒適圈，真正幫助學生形成整合內化知識點后升華為物理視角的觀念。

2）有助于形成整體觀念和知識遷移，增強學生對物理觀念普適性的理解。近年來，很多學者相繼提出少而精的大概念，與課改的要求吻合。教師用輻射狀的知識網絡使內容結構更加嚴密，利用少而精的大概念可以解決現實社會的綜合性問題，成為學生的腳手架。

新課改要求著力發展學生的核心素養，這是教師的工作方向和重心?；诖蟾拍顚﹄姶艑W部分進行結構化分析，不僅可以實現知識瘦身和學生減負，還可以更直觀地幫助學生理解物理觀念，進一步提升學生的物理學科核心素養，提高學校的育人質量。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2017：3.

[2]張翰.“大概念”：一個不容忽視的課程新理念[J].思想政治課教學，2019（6）：31-33.

[3]哈倫.科學教育的原則和大概念[M].韋鈺，譯.北京：科學普及出版，2011：1-2.

[4]Duschl R A， Schweingruber H A， Shouse A W. Taking Science to School： Learning and Teaching Science in Grades K-8[M].National Academies Press，2007.

[5]韋鈺.十年“做中學”為了說明什么：以科學研究為基礎的教學改革之路[M].北京：中國科學技術出版社，2012：231-233.

[6]郭玉英，姚建欣，彭征.美國《新一代科學教育標準》述評[J].課程·教材·教法，2013（8）：118-127.

[7]麥克德.理解力培養與課程設計：一種教學和評價的新實踐[M].么加利，譯.北京：中國輕工業出版，2003：116-119.

[8]哈倫.以大概念的理念進行科學教育[M].韋鈺，譯.北京：科學普及出版社，2016：131．

[9]費德恩.教學方法：應用認知科學、促進學生學習[M].王錦，譯.上海：華東師范大學出版社，2006：462.

[10]馬北河.在中學物理知識結構化中鍛造學生核心素養[J].中國教育技術裝備，2017（21）：7-9.