大概念統攝下的高三物理復習課堂實踐

趙海艷 鄧靖武

摘 要：大概念統攝下的高三物理復習課能夠更有效地促進學生的有效學習發生，能夠清晰地建構知識、概念、規律之間的聯系，使學生獲得“既有森林又有樹木”的整體感.本文以專題“動生電動勢能量轉化關系”為例，建構大概念統領下的高三物理復習策略.

關鍵詞：大概念;高三復習;動生電動勢;能量守恒

中圖分類號：G633.7???? 文獻標識碼：B???? 文章編號：1008-4134（2021）19-0030-04

作者簡介：趙海艷（1980-），女，河北人，碩士，中學一級教師，研究方向：物理教學教法.

在高三復習中，教師往往按照一輪章節復習、二輪采用版塊模式進行復習.在這種復習中，學生往往掌握了基本知識，但是對于知識間的深層理解，知識間橫向聯系并沒有有效形成.因此在高三復習中，有必要在大概念的統攝下對原有知識進行重新組合，依據知識間的聯系進行整合復習.溫哈倫認為大概念是能用于解釋大范圍內的物體、時間與現象的概念[1].大概念是有組織、有結構的科學知識和模型，這些大概念能夠解釋大范圍內的一系列相關現象[2].高三學生已經掌握了大部分的概念、規律，恰恰缺乏大概念的統領，以及不同知識內容間的融匯和深層理解.在高三以大概念為視角的知識復習不管是在宏觀層面的認知框架上、中觀層面的課程線索上，還是在微觀層面的教學設計上，都有其很好的引領作用[2].

1 基于大概念的內容整合

學科大概念（學科核心概念）并不指向某一知識的具體概念，而是指向具體知識背后更為本質、更為核心的思想或看法，他是對概念間關系的抽象表述，是對事物的性質、特征以及事物之間的內在關系及規律的高度概括[3].但是大概念由于過于抽象很難在教學中直接使用，因此學生需要在抽象程度相對較低和適用范圍相對較小的概念學習的支撐下逐步完成大概念的學習，如圖1所示[4].

在一輪復習中高三學生對電場、磁場、電磁感應、電流等基本概念已經掌握但是這些知識點零散、復雜，并且在動生感應電路中涉及到了閉合電路歐姆定律、電源中的非靜電力、帶電粒子在磁場中的運動、洛倫茲力與安培力的宏觀與微觀上的聯系，以及在閉合電路中轉化的能量關系，這些關系學生往往感到混亂，無法厘清頭緒，無法找到對應的功能關系，因此將動生電動勢的能量守恒作為次級大概念將電路、能量觀念和運動與相互作用串聯起來，展開為一個綜合性的電磁復習課，學生能夠多角度看問題，充分調動學生建模、分析、綜合等科學思維，提高學生處理問題的綜合能力.

2 基于大概念進行教學活動設計

2.1 圍繞大概念建立知識框架

2013年美國頒布的《新一代科學教育標準》（Next Gerneration Science Standards）最終確立了物質科學的四個學科核心概念：物質、運動與相互作用、能量、波及其在技術領域的應用——信息傳遞.能量是“所有科學概念中最重要也是應用最廣泛的物理概念[5]”，貫通從小學到大學的全部科學課程并且一直在發展，“能量”被全部樣本國家（地區）列為科學教育的核心概念之一[6].眾所周知，能量的轉化與守恒是對廣泛領域的客觀事物進行抽象概括的產物，它在物理學科中幾乎涵蓋各個主題：力學、電磁學、熱學、光學、原子等.能量觀的核心內容是：自然界中有多種形式的能量，能量可以從一種形式轉化為另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉移和轉化過程中，有能量轉化，而總能量保持不變.能量是“守恒量”，在自然界中能量在轉移與轉化過程中的守恒是最基本的守恒定律，也是物理學科素養中的基本觀念，在物理教學中讓學生建立能量觀念并浸透到物理學習中去.

如圖2所示，根據能量守恒定律的發展史，我們可以發現人們先發現的是機械能守恒，即動能與勢能間相互轉化與守恒;然后是機械能與內能間轉化也是守恒的，并提出了熱力學第一定律;之后人們發現機械能和內能的總和也可能不守恒，于是就引入了電磁能加入機械能和內能，以同樣思路發展下去，物理學中引入了光能、原子核能，甚至相對論能量、光子能量、粒子場的能量等等，從而進一步建立了普遍的能量守恒定律[7].

在物理的學習中，機械能與內能、電磁能之間存在的轉化與守恒是能量守恒觀中的重要部分.因此在高三復習中，可以將動生電動勢部分以機械能與內能、電磁場之間的轉化與守恒列為次級大概念，將學生的知識重新進行架構，可以更深刻地體會能量守恒觀.根據圖3的次級概念整合各個概念， 不僅從知識的角度能更加深刻理解各個物理量間的關系，還能建構電磁中能量轉化與守恒的知識體系.

2.2 圍繞大概念建立活動主線

從能量轉化的角度看，電磁感應現象是其他形式的能轉化為電能的過程.學生在學習電磁感應時都知道有電動機模型和發電機模型，其本質是安培力做正功和安培力做負功.發電機模型又分為動生電動勢和感生電動勢，在復習動生電動勢時可分為導體棒切割磁感線模型、磁流體發電機等，學生往往分別看待這兩種模型，認為他們的產生原理是不同的.在導體棒切割磁感線的過程中產生感應電動勢的微觀解釋，與洛倫茲力做功間的關系，以及感應電動勢在閉合回路中的能量轉化關系是高三復習的難點.因此根據次級概念與大概念間的聯系，以“對導體棒切割磁感線的分析”為活動主線：從學生自主活動設計電源入手;從導體棒切割磁感線和磁流體發電機入手;從課本上反復出現的模型入手，啟發學生思維;從多角度證明二者的一致性.從而以導體棒切割磁感線模型繼續從微觀、能量角度分析閉合電路中的能量轉化關系，從而實現動生電路中的能量關系.

3 主要學習活動設計

3.1 回歸教材——多角度驗證導體棒切割磁感線與磁流體發電機產生電動勢原理的一致性

設計思路：本環節通過人教版教材中的問題進行討論，打開從微觀角度思考導體棒切割磁感線模型的思路，從而從動力學角度得出電動勢，為從能量角度分析電動勢埋下伏筆.學生對于導體棒切割磁感線與磁流體發電機的相似處是有朦朧感受的，但是如何進一步獲得靈感從不同角度去驗證自己的猜測，是需要教師引導的，因此設計通過展示課本上出現的問題，從而引起學生對于課本問題的深入思考.啟發學生運用所學的微觀電流知識，運用分析、綜合、推理、科學論證等方法得出導體棒切割磁感線產生的感應電動勢與磁流體發電機表達式一致，利用科學方法驗證了自己的猜想.本環節通過學生對已有電磁知識的理解和應用（低階思維），通過分析推理、論證，運用已學的知識最后得到二者的電動勢的表達式是一樣的，這樣恰好印證了我們的猜想是正確的，即二者是同一類型的電源，為下面以導體棒為例來分析導體棒內部的工作原理埋下鋪墊（如圖5）.

問題鏈如下：（1）此電子在向右勻速運動過程中受力如何？（2）隨著源源不斷的電子累積到下極板，產生什么樣的電場？（3）電子受力會有何變化？（4）電子做何運動？（5）電子會一直這樣運動下去嗎？請從觀點、依據、推理過程、結論四個方面進行論述.（6）對比磁流體發電機產生的感應電動勢，你有何發現？這說明什么？

3.2 尋找共性規律——以導體棒為例研究動生電類能量轉化問題

（1）設計思路：

在證實導體棒切割磁感線與磁流體發電機電動勢產生的原理是相同后，師生共同對此類動生電動勢模型進行進一步分析，找出其能量轉化關系.為了符合學生“最近發展區”的特點，設置了開路、無內阻的閉合回路、有內阻的閉合回路三種情況，便于學生對于動生電動勢的能量轉化關系進一步清晰明了.

（2）具體做法：

以導體棒為例研究動生電類能量轉化問題，為了便于研究我們設置了兩個情境.

3.2.1 開路情境1：開路狀態，AB剛開始運動到電動勢穩定，導體棒電阻為零

問題鏈：①=1＼*GB3請畫出導體棒AB中沿棒方向的電子受力情況.

②=2＼*GB3電路中各個力做功與能量轉化關系.

③=3＼*GB3電源中非靜電力充當什么作用？此模型中哪個力充當非靜電力？電場力做功的轉化情況如何？

④=3＼*GB3從非靜電力做功的角度證明導體棒切割磁感線產生的感應電動勢的表達式E=Blv？

⑤=4＼*GB3當電動勢穩定后，還有能量轉化嗎？

通過對導體內部進行受力分析，如圖6所示，洛侖茲力與電場力平衡.根據功能關系有W洛=W非，qvBl=E電動勢q，E電動勢=Blv.

3.2.2 情境2：閉合回路，外阻為R，內阻為零;外阻為R，內阻為r

問題鏈：

①=1＼*GB3畫出導體棒中電子受力圖.

②=2＼*GB3找出導體棒中電子受力大小關系.

③=3＼*GB3畫出電阻R中電子受力情況.

④=4＼*GB3找出R內電子受力大小關系.

⑤=5＼*GB3思考在能量轉化中，導體棒和電阻中的電子所受力所起的作用.

⑥=6＼*GB3在此模型中，導體棒勻速運動， 拉力做功與安培力做功分別為多少？外力做功轉化為哪種能量？

⑦=7＼*GB3非靜電力做功與電路中獲得電能有何關系？

⑧=8＼*GB3電路中產生的焦耳熱是多少？

⑨=9＼*GB3在動生電路中，你可以總結能量轉化關系嗎？

通過上述分析，可確定各力的功能關系（見表2）.

3.2.3 完善能量觀

設計思路：在完成動生電路內部的能量轉化關系后，從宏觀角度再次進行功能和能量轉化的分析，幫助學生建立關于動生電模型的能量轉化與守恒觀.本環節運用學生的已有知識，在教師的設計下通過分析、推理、論證等方法，進一步使學生對于動生電路中能量轉化關系有了更深刻的認識，鍛煉了學生的科學思維和探究能力，完善了能量觀，使學生達到高階思維水平[8].

問題鏈：①=1＼*GB3從宏觀角度對導體棒進行受力分析.

②=2＼*GB3找出導體棒受力大小關系？

③=3＼*GB3拉力、安培力做功分別引起了哪些能量的變化？

④=4＼*GB3可以從宏觀角度找出導體棒切割磁感線引起的能量轉化關系嗎？

通過分析可知，從宏觀上看本部分內容的知識，其研究線索通常可以從力和能兩方面展開（見表3），有時還往往交織應用.但遇到變力作用的情況時，從能量的轉化和守恒角度就成為唯一手段了[9].

4 大概念統領下課堂實踐的意義及討論

在大概念統領下的高三復習課有以下幾個意義：（1）在大概念的通領下可以抓住學科的上位知識實現學生學習的組織結構化、知識的有效遷移與學以致用;（2）以大概念進行組織教學，能科學地、合理地鏈接離散的事實、技能，使課程知識結構化與統一化，有利于提高學生的元認知水平，促進高階思維的發生;（3）在大概念統領下進行復習，強調學科知識的連續性和學科間的關聯性，更加高效地完成教學任務“整體大于部分之和”.

參考文獻：

[1]Harlen W.Principles and Big Ideas of Science Education[M].Hatfield： Association of Science，2010.

[2]溫哈倫著，韋鈺譯.以大概念理念進行科學教學[M].北京：科學普及出版社，2016.

[3]李剛，呂立杰.國外圍繞大概念進行課程設計模式探析及其啟示[J].比較教育研究，2018，40（09）：35-43.

[4]鄧靖武.大概念統攝下物理單元知識結構構建及教學探討[J].課程，2021，41（01）：118-124.

[5]Nordine，J.，Krajcik，J.，Fortus，D.Transforming energy instruction in middle school to support integrated understanding and future learning[J].Science Education，2011（04）：670-699.

[6]姚建新，郭玉英，楊熠，曾晨虹，布蘭.中學生科學理解能力的進階模型——以能量概念為例[J].天津師范大學學報（基礎教育版），2018，19（01）：66-72.

[7]張三慧.從功能定理到熱力學第一定律到普遍的能量守恒定律[J].物理通報，2002（12）：5-7.

[8]陳克超，冉潔，戴浩.基于課程標準之高中物理大概念解讀與建構[J].物理教師，2020，41（09）：11-14.

[9]王溢然，徐燕翔.中學生物理思維方法叢書2守恒[M].合肥：中國科技大學出版社，2015.

（收稿日期：2021-07-16）