基于物理學科大概念的教學設計研究

戴毅新　柳璐

美國教育心理學家布魯納強調，無論教師教授哪類學科，一定要使學生理解該學科的基本結構，幫助和引導學生解決課堂內外所遇到的各類問題。掌握事物的基本結構，就是以允許許多別的東西與它有意義地聯系起來的方式去理解它，學習這種基本結構就是學習事物之間是怎樣相互關聯起來的。教師掌握學科的基本概念架構，有助于學生對學科知識的記憶保留，并促進學習的遷移。

大概念可以是抽象的概括，學生對其深入的理解可以遷移到具體事物、現象中。大概念理念下的教學，學生要經歷大概念形成的過程，并深入理解學科大概念，將對大概念的理解遷移到其他知識的學習中，從而達到終身學習的目的。

一、明確大概念，形成知識框架

大概念的形成不是一蹴而就的，而是一個循序漸進的過程。大概念不是具體的事實也不是具體的現象，而是在大量事實、實驗、現象上抽象出來并具有客觀性的規律或者公理。對于初中學生來說，抽象思維還在形成階段，所以學生很難直接提取和理解學科中包含的大概念。所以，在教學過程中，教師要從學生所熟悉的客觀事實出發，引導學生形成一些好概括、便于理解的小概念。在此基礎上，教師引導學生抽象出具有抽象性、概括性的大概念。這樣的過程符合學生的認知特點。大概念形成后，學生需要進行深入理解，需要利用大概念去解釋支撐大概念的現象、事物，同時還要從大概念出發，解釋其他相關聯的事物或者現象。

在進行教學之前，教師需要分析教學內容。教材內容的編排反映了學科課程的教學思路。教材單元的安排體現了教學重點與教學內容之間的聯系。教學內容以單元為載體，為教學提供了知識連接的大框架，教師可以按照單元之間的聯系引導學生構建學科的大概念。大概念明確后，教師可以大概念為知識框架核心，將教學內容有序地進行關聯，形成網狀的知識框架。

以“牛頓第一定律”的教學為例，本節課的重點是讓學生理解“力不是維持物體運動的原因，而是改變物體運動的原因”。牛頓第一定律解釋了物體不受力時的狀態，而力與物體狀態之間的關系更能全面、客觀地闡述物體狀態改變的實質。所以，筆者認為，“牛頓第一定律”的大概念應是“力是改變物體運動狀態的原因”（如圖1）。

二、依托大概念，細化相關小概念

學生對大概念的理解是建立在對具體的事實和知識點理解基礎上的。所以，在教學設計中教師需要引導學生從學科本質角度去理解客觀的事實、現象等，這樣能夠促使學生從具體的事實、現象中去概括，形成能夠反映學科本質的大概念。其中具體的事實、現象可以看成是支撐大概念的小概念。

小概念可以是具體的實驗、實例或者物理概念等。小概念既包括教學內容中涉及的，又包括輔助學生理解大概念的客觀事實。學生對于小概念的認知和掌握是抽象出大概念和理解大概念的重要前提。力是改變物體運動狀態的原因，學生對于這個抽象內容的理解是有一定難度的。所以，教師要從實驗和大量的物理現象出發，讓學生先有直觀的感受。小概念不可能將學科所有信息全部呈現出來，所以，教師需要選擇與大概念有著緊密聯系的內容。教學情境的創設要隱含新知的基本要素，還要與學生的經驗產生關聯。布魯納指出，“讓學習者和知識產生聯系的方法是讓個人的想法同客體、經驗或其他學習者的先有概念進行直接對質。”引導學生產生新知的情境也是輔助學生形成大概念的有效方法。筆者認為，情境的設計要有針對性、整體性，這樣有利于教師的引導，也有利于學生更容易地發現新知。在設計的情境不能避免內容的繁瑣時，教師還需要引導學生將情境中的內容進行概括。

牛頓第一定律中的小概念由兩部分組成，分別是力學部分概念和運動描述涉及的概念。其中，力學基礎概念有：力是物體間的相互作用、物體間粗糙程度對阻力大小的影響。運動描述涉及的基礎概念有：機械運動，用速度、方向描述物理的運動狀態；涉及的進階概念有：平衡態（如圖2）。

在明確大概念和教學過程中涉及的小概念后，教師要有意識地引導學生自主構建大概念。在教學過程中，學生首先需要對小概念進行學習。教師需要對學情進行分析，設計出符合學生認知特點的教學過程，讓學生對每個小概念都能充分理解，也就是對每個具體知識進行掌握。當然，教師要有意識地滲透大概念的形成方法，需要有序引導學生思考，幫助學生理解每個具體知識之間的關系。在學生掌握、理解具體的知識點后，教師要引導學生分析其中的共同點，進而引導學生自主從眾多小概念中提煉出大概念（如圖3）。

三、實踐大概念，實施教學設計

【教材分析】牛頓第一定律是教材八年級下冊第八章“運動和力”的第一節內容。本章將力和運動的內容聯系起來，為學生以后深入認識運動狀態相關問題提供理論基礎。本章的大概念是力與運動的關系，也就是力是改變物體運動狀態的原因。

初中階段，學生接觸到的只是牛頓第一定律，到了高中，學生就會系統學習牛頓第二定律。牛頓第二定律的內容為：物體的加速度跟物體所受的合力外力F成正比，跟物體的質量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同，即F=ma。從牛頓第二定律的內容上看，是在描述非平衡態時的力與運動。當物體的速度大小、方向改變時，一定是非平衡力的。所以，讓學生充分理解力與運動的關系有利于其以后的學習。不難看出，大概念的構建有利于學生的后續學習。

【學情分析】學生通過之前的學習已掌握了機械運動的定義、速度的相關知識、勻速直線運動的模型以及力是物理間的相互作用等知識。物體間的相互作用和機械運動是兩個相對獨立的模塊，本節課就是通過分析處于不同運動狀態下物體的受力去探究力與運動的關系。

【學習目標】

1.通過實驗，理解阻力對物體運動的影響。

2.經歷牛頓第一定律的建立過程，理解牛頓第一定律的內容。

3.通過分析生活中常見的現象、受力情況和相應的運動狀態，更好地理解力與運動的關系。

【教學設計】

1.物體運動狀態的描述

師：我們怎樣去描述物體的運動呢？

師：圖4中，蘇炳添和其他運動員的運動狀態一樣嗎？請說出你的原因。

生：不一樣，因為蘇炳添跑得快。

師：運動的快慢我們用什么物理量來描述呢？

生：速度的大小。

師：神舟飛船繞著地球轉動（如圖5），飛船的運動軌跡可以近似看成一個速度大小不變的圓周運動。請同學們思考，飛船的運動狀態是否發生改變？

生：我覺得它的速度沒變，所以它的運動狀態就沒變。

師：請同學們思考，飛船的運動和蘇炳添的運動除了速度大小不同，還有什么不同呢？

生：蘇炳添是沿直線運動的，飛船的運動不是直線而是曲線。

師：那飛船的運動狀態是否發生改變？

生：發生了，因為它的速度方向一直在改變。

師：請同學們歸納一下，當我們研究物體的運動狀態時，需要考慮哪些方面呢？

生：物體的速度大小還有方向。

師：同學們總結得非常好。請繼續思考，什么情況下我們就說運動狀態發生了改變呢？

生：物體的速度大小發生改變或者速度方向發生改變，再或者兩者同時發生改變。

【設計目的】從學生熟悉的短跑和飛船的運動狀態入手，分析不同物體運動狀態之間的區別，逐步分析出物體運動狀態描述的是速度大小和速度方向兩個方面，為后面分析運動狀態是否改變打下基礎。

2.平衡態的描述

師：請同學們思考，如果物體的運動狀態不發生改變，物體會處于什么狀態呢？

生：如果物體的速度大小不變，速度方向不變，物體會沿著直線以一個速度運動。

師：物體以相同的速度沿一個方向運動，我們把這樣的運動叫做勻速直線運動。除了勻速直線運動，物體還會處于什么狀態呢？

生：靜止。因為物體的速度還可能為0。

師：我們把運動狀態不發生改變的狀態稱為平衡態，即勻速直線運動狀態和靜止狀態。

【設計目的】平衡態就是運動狀態不發生改變。學生通過前面的學習，已經知道物體的運動狀態需要從速度的大小和速度方向兩方面考慮。教師引導學生思考當物體同時滿足速度大小和速度方向都不改變時運動狀態會是怎樣的，這樣可以加深學生對運動狀態改變或者不改變的理解，有利于學生對本節課大概念的理解。設計符合學生學情的一系列學習活動可以幫助學生達成學習目標。設計問題的連貫性需要符合學生的思維特點，在物理教學過程中，物理實驗是必不可少的，物理實驗是學生經歷概念形成的重要因素，使物理過程具體化。所以，問題的設計以及實驗的設計是教學設計的重點。

3.演示與觀察：不同阻力對相同物體運動狀態的影響

師：怎樣能夠保證物體在圖6的三次實驗中到斜面底部時有相同的運動狀態？

生：讓同一個小車，從同一斜面、同一高度，由靜止自由下滑。

師：怎樣設計實驗可以讓物體所受阻力不同？

生：在水平面上放上粗糙程度不同的平面。

師：阻力對物體運動狀態的影響體現在哪？小車運動狀態的改變相同嗎？為什么？

生：阻力都會讓小車停下來。小車運動狀態的改變是相同的，因為在斜面底端有相同的運動狀態，最后都靜止了，所以運動狀態的改變是相同的。

師：實驗中需要觀察什么來體現阻力對物體運動狀態的影響？

生：小車走多長距離才能讓它停下來。

【設計目的】學生需要觀察實驗并進行科學推理。一系列的預設問題能幫助學生分析實驗中的細節。在設計問題時，教師要有意識地強調不同阻力以及物體運動狀態的描述，這樣有助于學生對小概念的理解，為后面建立“力與運動”的大概念做好實驗現象和思維邏輯的雙重準備。

4.歸納總結實驗現象

師：隨著阻力的減小，你們看到了哪些現象？說明阻力對物體運動的影響是怎樣變化的？

生：隨著阻力的減小，物體運動的距離越來越遠，對物體運動狀態的影響越來越小。

師：請同學們進一步思考，如果阻力減小到零，物體的運動狀態還會受到影響嗎？

生：不會。

師：如果沒有阻力，這個小車的運動狀態會是怎樣的呢？

生：因為沒有阻力，所以對小車的運動狀態不會有影響，那么小車會一直做勻速直線運動。

【設計目的】明確不受力，物體運動狀態不會發生改變。通過實驗，學生可以明確力不是維持物體運動的原因，為引出牛頓第一定律提供客觀認知。那么，力與運動究竟有怎樣的關系呢？這里會引起學生對于大概念的思考。

5.總結牛頓第一定律

師：請同學們思考，一個物體的運動需不需要力的維持呢？為什么？

生：不需要，因為物體不受力可以保持勻速直線運動狀態。

師：物體不受力，除了能保持勻速直線運動，還會有其他狀態么？

生：靜止。

師：請同學們總結一下，物體不受力會有怎樣的狀態？

生：物體不受力，v=0時，物體靜止；v≠0時，物體勻速直線運動。

師：同學們，以上分析的內容就是著名的牛頓第一定律的核心內容。一切物體在沒有受到力的作用時，總保持靜止狀態或勻速直線運動狀態。

師：圖7中的蘋果在下落過程中速度會越來越大，圖8中的物體在做圓周運動，通過前面的分析，它們的運動狀態都在發生改變，為什么會改變呢？

生：蘋果因為受重力所以下落得快，圖8中的物體因為受繩子的拉力所以改變了方向。

師：請同學們總結一下，如果物體的運動狀態發生改變，需要什么因素呢？

生：需要力。

師：力與運動又有怎樣的關系呢？

生：物體的運動不需要力的維持。

生：當物體的運動狀態需要改變時，需要力。

生：力不是維持物體運動的原因，而是改變物體運動的原因。

【設計目的】在教學過程中，教師要有意識地強調力與運動的關系，沒有力作用時，物體的運動狀態不發生改變。這樣，學生對牛頓第一定律的內容會很容易接受，也為“力是改變物體運動狀態的原因”這個大概念的理解打下基礎。

6.總結慣性概念

師：根據牛頓第一定律，如果物體保持了靜止或者勻速運動狀態，能夠說明這個物體受力會是怎樣的情況呢？

生：可能不受力。

師：物體不受力，所以它沒有外界的因素，物體沒有外界的因素還能保持原來的運動狀態不變，就說明物體本身具有保持運動狀態不變的性質，我們叫做慣性。所以牛頓第一定律又叫慣性定律。

師：哪些物體具有慣性呢？

生：一切物體都具有慣性，因為它是物體本身的屬性。

師：慣性是物體本身具有的屬性，所以它只跟物體本身的質量有關。

師：生活中，我們會遇上汽車突然開動時身體后仰的情況，請你用慣性的知識進行解釋。

生：公交車突然開動時，乘客下身會隨著車一起走，上身具有慣性會保持原來的靜止狀態，所以身體向后仰。

生：公交車突然剎車時，乘客下半身會隨著車靜止，上半身會保持原來的向前的運動狀態，所以身體會向前傾。

【設計目的】利用慣性的知識解釋汽車啟動或者急剎車時人受慣性影響的情況，并解釋慣性在生活中的現象。在解釋過程中，教師要輔助學生明確受力情況。牛頓第一定律說明了物體不受力時其運動狀態不會改變；物體運動狀態改變了一定是受了力。所以，教師在解釋現象時，要明確受力情況，讓學生自己去得出“力是改變物體運動的原因”這個大概念，為以后具體學習牛頓第二定律或者解釋生活中的現象提供思維基礎和理論基礎。

在大概念教學中，學生能夠掌握事物的基本結構，為終身學習提供了學科基本體系。大概念教學強調的是對事實、現象的深入理解，在學習具體知識后，讓學生能夠理解學科的基本框架，這樣也有助于他們自主學習相關的課程。

（責任編輯：楊強）