聚焦物理觀念形成和發展的高中物理單元教學設計

馮馨雯

【摘 要】“物理觀念”是物理學科核心素養的一個重要方面，其形成和發展的過程亦是實現核心素養全部要求的必經之路。高中物理單元教學設計是基于課標要求、以形成和發展學生物理觀念為目的，落實物理學科核心素養的重要環節。本文以“幾何光學現象”單元為例，以思維導圖搭建教學框架，展示以發展物理觀念為主線的高中物理教學單元設計。

【關鍵詞】物理觀念 核心素養 單元教學設計 光學

《普通高中物理課程標準（2017年版）》（以下簡稱《課標》）將物理學科的課程標準由三維目標升級為核心素養。物理核心素養包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任四方面，是物理學科實現“教書育人”價值的核心體現，是學生接受教育后形成的獲得個人終身長久發展和適應社會需要的關鍵能力和必備品格。

一、物理觀念的形成和發展過程，體現了核心素養的全部要求

核心素養中的物理觀念，是指從物理視角形成的關于物質、運動、能量和相互作用等的基本的、理性的認識;這種認識指導著人們解釋不通的現象、預言其發展規律，并隨著物理學科的發展而發展。

人在探索和學習物理知識的過程中形成的認識叫做物理觀點，而其中正確的、科學的物理觀點，經過提煉、綜合構建成一定的邏輯結構體系，進行提升之后，就會形成物理觀念。學生在學習時，必須經歷對知識的提煉和升華過程，才能實現物理觀念的形成和發展。這個過程需要學生經歷科學思維、科學探究和科學態度與責任等的深入融合。物理觀念是核心素養的一個組成方面，但是其形成和發展過程也承載著發展科學思維、培養科學探究能力和熏陶科學態度與責任的重要功能。可以說，物理觀念的形成和發展過程，體現了核心素養的全部要求。

二、單元教學設計是物理觀念形成和發展的必然選擇

物理觀念的形成和發展不是一蹴而就的，而是逐階建構的：一是直覺感受直接概括的基礎概念;二是親歷知識的形成過程，并通過一定的抽象概括之后形成的重要概念;三是對若干重要概念進一步抽象概括得到的主題核心概念;四是在層次模型中處于抽象概括水平最高層的學科核心概念，最終內化為物理觀念。

因此在實際教學過程中，物理觀念的形成和發展是這樣進行的：基礎概念的學習—重要概念的深刻理解—主題核心概念的構建—學科核心概念的認識。例如，力學模塊中，“運動與相互作用”是學科核心概念，而“機械運動”則屬于主題核心概念，而囊括在“運動描述”下的“位移”“速度”“加速度”等則屬于重要概念。主題核心概念在這四層概念層次中具有承上啟下的重要作用。

相應地，教師進行教學設計可以分為三個層次：對一門課程的宏觀計劃綱要;起到承上啟下作用的、針對一個單元或模塊的教學設計;對某一節課的微觀教學設計。其中，單元教學設計即對應上面的主題核心概念。因此，從單元角度進行教學設計符合物理觀念形成和發展規律，更是培養學生物理核心素養的必然選擇。

三、基于物理觀念形成和發展的單元教學設計實踐

基于物理觀念形成和發展的單元教學設計，要注重挖掘物理概念間的邏輯關系，構建知識之間聯系的紐帶。其重點是整合學習內容，構建主題核心概念下各重點概念之間的邏輯和聯系。單元教學設計的基本路徑可以這樣描述：單元教材內容分析→單元教學目標確定→明確單元教學順序→課時微觀教學設計。筆者以人教版選擇性必修一“幾何光學現象”單元為例，就以上環節進行具體的教學設計。

1. 分析單元教材內容

在“光”這一章節中，就知識結構而言，可以劃分為兩個部分：其中前兩節（光的折射、全反射）是利用幾何學的概念和方法研究光的傳播規律，稱為幾何光學;而其余內容（光的干涉、實驗：用雙縫干涉測量光的波長、光的衍射、光的偏振，激光）則主要研究光的本質，屬于波動光學。

從學習者的認知過程上來說，前者聚焦認識現象、探尋規律，并應用規律解釋生活;后者則是進一步認識物質世界的本質，屬于更高層次。因此，筆者將教材中的這一章節劃分為兩個教學單元，本文主要著眼于“幾何光學現象”這一單元進行教學設計分析。

2. 確定單元教學目標

教學目標是單元教學設計的統領核心所在。《課標》對本單元的教學要求如下：

1.3.1 通過實驗，理解光的折射定律。會測量材料的折射率。

1.3.2 知道光的全反射現象及其產生的條件。初步了解光纖的工作原理、光纖技術在生產生活中的應用。

（1）提煉觀念性目標

筆者以《課標》要求提煉主題核心概念，并以此為出發點，自上而下地提煉本單元的重點概念、基礎概念（見表1）。

表1 幾何光學模塊重點概念及《課標》要求

概念 概念表述 課標要求

光的折射 當光射到兩種介質的分界面時，一部分光進入第二種介質繼續傳播的現象 通過實驗，理解光的折射定律

折射率 光從真空射入某種介質發生折射時，入射角正弦值與折射角正弦值的比值 會測量材料的折射率

光疏介質 折射率較小的介質

光密介質 折射率較大的介質

全反射 光從光密介質射到光疏介質的界面時，全部被反射回原介質的現象 知道光的全反射現象及其產生的條件

臨界角 光從某種介質射向真空時，折射角等于90°時的入射角

不難發現，以上內容均是圍繞光的折射現象展開的，全反射可以看作光折射的一種特殊現象，臨界角和折射率之間的關系也可以用折射定律定量表示。因此，“光的折射”可以確定為本單元的一級主題核心概念，而“全反射”可以作為二級主題核心概念。

用概念圖來表示以上概念之間的關聯（見圖1）：

圖1 幾何光學現象單元概念關聯關系

（2）安排科學思維、科學探究、科學態度與責任

這一單元中，各概念之間有很強的整體性和發展性，在學習概念的同時，要更注重展現物理研究的方法和思路。例如，學生在初中已經學習過光的折射現象，課堂上教師在回顧此現象的同時可以提出問題：光的折射遵循怎樣的定量規律？如何利用實驗數據找到規律？這符合物理研究從定性到定量、從特殊到一般的科學思維。全反射是一種特殊的折射現象，教師可以讓學生通過實驗觀察發現這一現象，并進一步用實驗探究其發生的條件，進而認識臨界角等概念。而在學習這些現象和規律之后，可順理成章地引導學生利用已有知識解決生活問題，培養其科學態度與責任。

也就是說，教學時，教師在通過構建重點概念間的聯系，深入認識主題核心概念的過程中，要注重融入核心素養的要求，幫助學生自主構建知識間的聯系，最終實現發展物理觀念的目的。

3. 明確單元教學順序

在明確單元教學目標和核心概念之后，需要圍繞單元核心概念組織該單元主要知識的教學主線和順序。根據加涅的教學設計原理，一個單元中每一節課的教學順序應當基于各教學目標間的關系，使先前的學習支持新的學習，并且完整、有邏輯性。基于教學設計基本原理，筆者在幾何光學現象的單元教學設計中確定的教學順序是：光的折射—全反射—生活中的全反射（共三課時）。

4. 設計課時微觀教學

單元中每一課時的微觀教學設計是教學目標得以實施的最后一步計劃，也是與學習者關聯最近的教學程序。關于本單元內容，學生在初中階段已經了解過基礎的光學現象，知道光的折射和反射現象。在本單元的學習中，學生的認識是從回顧舊知識“光的折射”開始的，從定性到定量研究光的折射規律。這樣對學生能力跨度的要求并不是很大，更多的是對知識的“寬度”進行擴展。

但筆者在實際教學中發現，部分學生對于本單元重點概念的認識是零散的，無法自主構成概念間的聯系。例如，學生能夠記住全反射現象發生的條件是光從光密介質進入光疏介質、入射角大于或等于臨界角，但并不能說清楚為什么光從光疏介質進入光密介質時不會發生全反射現象，臨界角和哪些因素有關，或者根本不知道全反射現象發生的條件，甚至不能分清反射和全反射現象等。歸根結底是學生在學習過程中只是在單純地記憶知識，并沒有實現對知識真正有意義的構建，各種概念雜亂地堆疊在學生的腦海中，未經提煉和組織，使學生不能真正實現物理觀念的形成和發展。

因此，設計課時教學必須遵循學習者的客觀認知規律，在單元教學編排的基礎上，根據課時教學目標，分析學習者已經掌握哪些內容、最近發展區在哪里、挖掘新舊知識之間的聯結……最終把單元教學設計中的目標切實落實到每一節課中，達成教與學的一致性。

基于以上分析，筆者再次使用思維導圖，繪制出細到課時教學設計層次的單元教學設計框架（見圖2）。

在圖2中，上方向右的箭頭表示本單元教學順序;曲線表示每課時主題核心概念下屬的重要概念或教學內容，每節課中，按照圖中從上到下、從左到右的順序組織教學內容。如在“光的折射”一節中，“折射現象”屬于前概念，是學生已有的知識基礎，折射率、光密介質和光疏介質是本節課的新概念，最后利用本節課學習的概念規律來測量材料的折射率。

教材中，“光密介質”和“光疏介質”的概念出現在“全反射”一節中，而筆者認為，這兩個概念體現了“折射率是描述介質折光本領的參數，不同的介質折射率不同，折光本領更強的介質折射率更大”這一知識點。如果將其放在光的折射這一節中進行教學，有助于學生深刻理解折射率的概念，在腦海中構建起介質“折光本領”和“折射率”之間的聯系。同時，在學習“全反射”一節時，這兩個概念是學生明確知道并可以簡單使用的前概念，在此基礎上探究全反射現象發生的條件時，可以通過對其的使用，加強理解，也有助于學生更快地認識全反射的條件—不是簡單地記憶“從玻璃到空氣或從水到空氣”，而是更進一層地形成更加一般的“從折射率大的介質到折射率小的介質”的觀念。

接下來便可根據此教學框架設計每一課時的微觀教學設計。下面以“全反射”一課為例，展示課時微觀教學設計的思維導圖（見圖3）。

本課時的大致教學思路是：通過學生分組實驗觀察發現全反射現象，并進一步經歷猜想、設計和實驗驗證得出全反射的發生條件，最后利用全反射規律解釋常見的生活現象。這樣的過程遵循物理學科研究的“發現現象—深入觀察總結規律—實驗驗證—得到結論—解釋其他現象”的一般步驟，以讓學生親身經歷“觀察、計劃、決策、實踐、總結、應用”等過程為重點，引導學生逐漸將認知抽象、提煉、提升，最終形成內化于心的物理觀念。

物理觀念是發展學生學科素養的關鍵，是理解物理學科的根本。因此在高中物理教學中，抓住了物理觀念，以物理觀念的形成和發展過程作為教學開展的主線，也就抓住了發展學生物理學科核心素養的主線。正如前文所說，物理觀念的形成和發展應特別關注學習的“過程性”和學生對事實經驗的提煉，使學生的認知和事實的特征、規律達成一致。以單元為起點，可以更好地從整體上審視和把握物理規律和概念之間的聯系，規劃發展物理觀念的課堂教學，教學目標才會真正落實到培養學生的關鍵能力、必備品格上去;以物理觀念的發展作為劃分單元的依據，也是最適合的選擇。

本文系北京市西城區普通高中新課程新教材實施國家級示范區建設專項課題“指向深度學習的高中物理單元教學實踐研究”（課題編號SX2021Z036）的階段性研究成果。

（作者單位：北京市第一六一中學）

責任編輯：胡玉敏