初中物理學科大概念教學初探
——以“功能關系”學習為例

2022-01-12 04:24:56高志俊

物理教師 2021年12期

王瑜高志俊

（1.揚州市教育科學研究院，江蘇揚州 225007；2.揚州開發區實驗中學，江蘇揚州 225012）

在學科教學中如何落實核心素養？有什么證據可以證明教師設計的教學目標與核心素養建立了系統關聯？在課堂教學中，通過什么方式方法才能落實學科核心素養？……要理清這些問題，有必要回到教學的起點，從教師最熟悉的領地出發，從每天的備課、上課開始，從教學目標制定、教學活動設計的每一項具體工作入手，研究核心素養如何在課堂上落地，該做出怎樣的調整，該如何轉變.

對這些問題的系統思考，聚焦落實核心素養的實踐研究與實證研究，可以明晰在課堂上落實核心素養的著力點，探索學科特點和學生的認知規律，探索在課堂上落實核心素養的實踐框架.

1 課時教學的優勢與不足分析

課時教學主要以一節課為單位進行設計.

課時教學，具有悠久歷史，已經積累了豐富的教學策略和教學方法，形成了清晰的教學流程，具有比較好的教學效果.

課時教學有利于知識的落實，教師通常都偏愛課時教學.由于經過不斷摸索和積累，課時教學的環節已經比較完善.以新授課為例，上課的一般流程是：先利用1-2min創設情境，導入新課；然后，用大部分時間講授新課，其間會組織學生討論、進行實驗探究等，最后留2-3min進行課堂小結和學習反饋.

這樣的課時教學易于堂堂清、節節清.教師在進行教學設計時，針對一節課的時長，制定教學目標，確定教學內容.在教學實施時，從新課的引入到具體內容的展開，再到最后的課堂小結和反饋，都在45min內完成，并確保學生掌握所學內容，做到“堂堂清”.

教師為了實現本節課的教學目標，可以設計很多活動，從初始自學到動手實驗、師生交流、例題分析，以及總結反饋，教師對每個環節的掌控精確到了分鐘.因此，只要教師按照既定的規劃進行，通常就能完成教學任務，做到“節節清”.

課時教學雖然具有教學環節完善、落實知識點高效等優勢，但由于教學時間較短，教師在確定教學目標時更多指向知識和技能領域，更多地將學生當作認知個體來看待，對作為一個完整人應具有的綜合能力和素養培育不夠.學生獲得更多的是知識與技能，相對缺乏對客觀世界的完整認識和體驗，難以形成學科大概念.

而學科大概念的建構需要較長時間.當前各個學科都提出了學科核心素養，以指導課堂教學從以知識為本轉向以素養為本.指導教師不能機械地講解脫離生活的抽象概念，不能簡單傳授瑣碎的知識點，而是要選擇重要的學科大概念，用恰當、生動的方式，通過深入的探究學習、合作學習，幫助學生完整地認識和把握世界.

這些學科大概念可以幫助學生從本質上理解生活中的一些事件和現象.它們既是學科思想方法，也是思維方式，可以讓學生站在更高的位置看待問題，從更宏觀的視角分析問題，從而更好地解決問題.比如，物理學科的“宇宙中所有物質都是由很小的微粒構成的”、“物體可以對一定距離以外的其它物體產生作用”、“當物體發生變化或被改變時，會發生能量的轉化或轉移，但總量是不變的”等，都是學科大概念.

學科大概念與具體的知識點不同，它們比較抽象、比較概括，不像具體知識點那么容易學習.這決定了學習學科大概念需要較長時間，需要學生不斷體驗，持續思考，長久理解.而課時教學以一節課為閉環，不利于學生對學科大概念的建構與理解.

可以發現，課時教學所制定的教學目標更多定位于知識和技能目標，過程與方法目標更多體現為教師的教學過程和教學方法，而情感態度與價值觀目標，如果沒有與具體的學習任務相結合，落實的效果往往不佳.同時，課時教學所確定的學習內容往往比較具體，一般都是2—4個知識點，教師通過層層推進幫助學生識別、對比、區分這些知識點，并進行簡單運用.每節課最后，教師通常進行反饋檢測，以考查學生的掌握情況.

學科大概念具有抽象性和綜合性，這決定了學習它的過程需要學生的深度體驗，需要通過真實的問題解決、綜合性的學習任務才能更好地完成學科大概念的建構和理解.學科大概念不是一個具體的知識點，但內涵和外延卻非常豐富.它是由許多具體知識凝練成的、更上位的概念.這就決定了它的建構過程需要比較長的時間，很難在一節課內完成.

課時教學“節節清”的特點，不能為學科大概念的建構提供時間保證，而且一節課也很難承載形成學科大概念所必需的“深入、持久”的理解和探究.

深入探究，意味著學生要通過親自參加探究來發展自己的理解.在這個過程中，學生可能會提出假設，然后收集和運用數據來檢驗自己的想法，并找到彼此之間的邏輯關系，做出解釋.數據和證據可以是直接動手做實驗獲得的，也可以是運用第二手資料獲得的.這都需要學生在一個更大的時間尺度上來規劃和展開自己的學習.

總之，在課堂上落實核心素養，教學內容要聚焦學科大概念.而學科大概念的建構與理解需要較長時間，課時教學在這方面顯得力不從心.

2 “功能關系”單元教學設計

長期的課時教學，容易使教師陷入一個個具體的知識點中，越講越細，越講越深，常常對教材中所謂的重點難點和要點特別關注，而對學科基本結構的把握明顯不夠，只見樹木，難見森林，直接降低了課堂教學的品質與深度.另外，課時教學時間比較短，體驗和探究難以充分展開，比較復雜的任務難以深入完成，相對上位的學科大概念不容易建構.

當發展學生核心素養成為課程實施的基本宗旨，當運用知識解決問題成為教學的重要目標時，為了更好地落實核心素養，為了在真實的問題情境中給學生更充分體驗和探究的機會，需要大一些的主題或項目來承載，需要相對復雜和綜合的學習任務來承擔.這樣就需要根據素養導向的目標重構單元，從課時教學走向單元學習，實現以解決問題為中心的學習.

所以，重構的學習單元不是一般意義的復習單元，更不是普通的知識整合單元，而是以落實核心素養為目標，在細化課程標準的基礎上，系統分析課程內容所承載的價值，根據學生實際情況，整體設計以問題解決為中心，實現學生學習的“學習單元”.

重構的單元目標應立足于遷移應用和持久理解.重構單元的目的是為了更好地落實核心素養，在制定具體目標時，有兩個目標不容忽視：一個是運用所學內容解決問題的遷移應用目標，另一個是通過基礎性的知識技能進行意義建構的目標，即對學科大概念與核心問題持久理解的目標.這兩個維度既可以成為重構單元的切入點，也是制定單元目標的立足點.只有將這兩個目標想清楚，重構的單元才有意義，才可能成為落實核心素養的學習單元.

因此，教師在設計單元目標時，應該經常反思下列問題，借助它們反思重構單元的意義和價值.

（1）學生學習這部分內容，有什么用途？

（2）學生學習這些內容，能解決什么問題？

（3）學生學習這些內容的真正價值是什么？

2.1 “功能關系”學習單元重構

例如，現行蘇科版初中物理教材中，分別在第5、8章中研究了動能、彈性勢能和重力勢能，隨后在第11章中研究了功，緊接著在第12章中研究了動能、勢能的影響因素及能量轉換.

從教材的安排上來看，這種安排方式的邏輯層次是很明確的，但是學生在實際的學習過程中，并不能很好地理解“功能關系”.動能、彈性勢能和重力勢能這些物理概念可以從生活的實例中去進行感知，然而功是什么？概念很抽象，在研究動能、勢能的影響因素及能量轉換內容之前為什么要研究功？為什么定義在力的方向上移動了距離就稱為做了功？而不是只要有力、有距離就可以做功呢？做功與能量轉換究竟是怎么回事？這些內容學生到初中畢業時都搞不太清楚，以至于遷移到高中時，也不是能清楚地理解功能關系及掌握其定量的運算.究其原因，學生在學習這部分知識時，功的概念是以陳述性的方式給出的，并沒有提供真實的問題情境，給學生更充分體驗和探究的機會，讓學生先研究后得出引入新的物理概念的必要性以及去嘗試定義一個新的物理量是什么.

當然，教材這樣安排是有原因的，因為沒有辦法給能量下定義，因為能量的定義中涉及到功的內容.為了解決這個問題，從構建學科大概念的角度出發，教師在進行教學設計時可以嘗試重構功能關系學習單元.

我們可以在探究動能、勢能的影響因素時不明確給出能量的定義，而是通過轉化的方式，例如桌子陷入沙坑的深度、木塊被撞擊移動的距離，來探究動能和勢能大小的影響因素.在勢能和動能的轉化過程中，學生可以根據能量大小的變化，理解動能和勢能間的轉化.事實上，目前學生正是利用轉化法和能量大小的變化來理解機械能及其轉化的，也就是教材中給與不給能量的定義，對研究機械能及其轉化不受影響.

在師生共同研究完第12章“動能勢能機械能”后再開始研究功，學生就可以在能量轉化的過程中去理解功的含義了.

此時，可以設計一個真實的問題情境：用什么方法可以將你身體內的能量轉移給桌上的文具盒，使文具盒的動能或勢能增加.

讓學生在探究活動中繼續思考：

（1）推文具盒，但文具盒沒有動，能量轉移了嗎？

（2）豎直提著文具盒水平方向勻速移動，能量轉移了嗎？豎直提著文具盒豎直向上運動呢？

由以上研究發現，要使能量發生轉移，必須用力作用于該物體，并使物體在力的方向上通過一段距離才會有能量發生轉移這樣一個物理現象的產生，基于這樣的事實，進一步引導學生：

（1）是否要引進一個新的物理量來描述這個事實呢？

（2）如何定義才能準確描述這個事實呢？

（3）這個新的物理量應有什么樣的特征？

在這樣的研究中讓學生自主地構建起一個新的物理概念，即使物體在力的方向上通過一段距離稱為做功的過程，轉移的能量稱為機械功，簡稱功.

接著提出新的問題：將質量為1k g的文具盒從課桌邊自由釋放，文具盒下落0.8m，在此過程中，能量如何轉化？通過什么方式進行能量轉化的？重力做了多少功？動能變化了多少？（g取10N/k g）

思考：研究文具盒下落的過程，你能構建出功和能的關系圖嗎？將文具盒向上拋起呢？勻速水平移動文具盒呢？

通過思考和研究，學生很容易構建起如圖1所示的功能關系圖，對功能關系形成初步認識.

圖1 “功能關系”圖

2.2 對內能、熱傳遞、比熱容、熱值等內容的內在邏輯關系梳理

蘇科版教材在第12章第2節安排了“內能熱傳遞”的內容，與第一節“動能勢能機械能”和第4節“機械能和內能的相互轉換”形成了一個小的模塊.由于有“比熱容”這一節內容，學生在這一章的學習中要尋求知識內在邏輯關系時顯得困難重重，同時第4節中熱值內容的安排也讓學生摸不著頭腦，學生并不能理清內能、熱傳遞、比熱容、熱值的內在邏輯關系.

圖2呈現了內能、熱傳遞、比熱容、熱值間的內在邏輯關系.

圖2 “內能”結構圖

從圖中我們可以看出，如果按照“熱傳遞熱值”、“物質的比熱容”、“內能”的順序來重構學習單元將會更合理，圍繞學習順序可以構建出如圖3所示的問題邏輯線.

圖3 研究學習問題邏輯線

2.3 形成以能量為主題的突出學科大概念的學習單元

通過上文的分析，關于能量的學習與研究可以作如圖4所示的調整.

圖4 “功能關系”學習單元結構框架

教師將本單元的知識體系統理清楚后，進一步思考學習這些內容能解決哪些實際問題，有什么具體用途，最終為本單元確立了兩個知識應用點：一個是近遷移，即建立“簡單機械的認知模型”，用以理解利用“簡單機械”可以做功；另一個是遠遷移，即利用“簡單機械”可以省力，但不可以省功，做功是一個過程，必然伴隨著能量的轉化.

持久的理解有利于形成學科思想，學科思想反映了學科知識的本質，反映了學科思維特點和學科的學習規律.這些學科思想是學科的靈魂，是一個學科獨特的育人價值.可以說，掌握學科知識是學好一門課程的基礎，而理解學科大概念，領悟學科思想和方法，是學好這門課程的關鍵.因此，重構的單元學習目標應立足持久理解的意義建構，以促進學科大概念、學科思想和方法的形成.

這里，教師幫助學生整體感知單元內容，以其中所蘊含的學科大概念，學科思想方法為核心，歸納、概括單元的知識結構.然后，在此基礎上，以學科大概念和思想方法為主線，討論本單元各個部分的細節性內容.最后，引導學生從整體上領會本單元的學科大概念和思想方法，并運用這些概念和方法解決本單元的實際問題，從而實現本單元的遷移應用目標，并達成對學科大概念和思想方法的意義建構.這種以學科思想方法為主線，以問題解決貫穿全過程，改變了過去“部分+部分=整體”的知識組織形式，代之以“整體—部分—整體”的知識建構方式.