學習進階視域下中學物理概念教學：框架、案例與反思

摘要：首先介紹學習進階相關內容，包括學習進階定義、要素、層級。接著根據學習進階層級，建構中學物理概念教學框架：依據對應經驗層級；意義、方法、內涵、外延對應映射層級；關聯對應關聯層級；應用對應系統層級；創新對應整合層級。隨后根據此教學框架，展示具體課堂教學案例：粵教版物理選擇性必修第二冊“互感和自感”。最后對學習進階視域下中學物理概念教學進行反思：創設情境是中學物理概念教學基礎；突出主體是中學物理概念教學關鍵；滲透思政是中學物理概念教學亮點；聯系生活是中學物理概念教學核心；提升素養是中學物理概念教學目標。

關鍵詞：概念教學；學習進階；核心素養

中圖分類號："G642.4"文獻標識碼：A"文章編號：1005-4634（2024）04-0045-07

0引言

物理概念是客觀事物在人們頭腦中的反映，是觀察、實驗、思維相結合的產物"[1]。物理概念教學具有方法性、科學性、思想性、價值性，凝結著物理思想精華。在物理概念教學中，幫助學生分析自然現象、解決現實問題，是培育學生物理學科核心素養的重要途徑。學習進階融合了最近發展區理論、有意義學習理論、螺旋式課程設計理論、教學最優化理論，被譽為提升學生學習效率的靈丹妙藥"[2]。學習進階視域下的中學物理概念教學，不僅可以強化物理教師的專業能力，提高物理教師的課堂教學效率，也可以深化學生對物理概念的理解、發展學生的物理學科核心素養。

1學習進階的概念及內涵

學習進階是學生在學習時所遵循連貫、深入思維路徑的描述，也是學生在學習時所遵循連貫、典型學習路徑的描述，它由進階起點、進階水平、進階終點、進階變量、測評工具5個要素構成"[3]。進階起點是指學生實際情況，包括學生已有知識、思維結構、迷思概念等；進階水平是指學生預期學習表現，是進階起點通向進階終點的臺階；進階終點是指教學目標，即發展學生物理學科核心素養；進階變量是指核心概念、關鍵能力；測評工具是指評價試卷。進階起點、進階水平、進階終點，構成學習進階視域下中學物理概念教學主線，并通過進階變量引領、測評工具修正，把零散的知識個體整合為關聯的知識結構，從而通過每一節物理教學，既發展學生關鍵能力，又發展學生核心素養（如圖1所示）。

根據學生認知發展規律，進階水平劃分為5個發展層級"[4]：經驗（experience），指學生具有尚未關聯的零散事實；映射（mapping），指學生建立事實與術語之間關系；關聯（relation），指學生建立術語與多個事實關系；系統（system），指學生從系統角度協調變量關系；整合（integration），指學生有學科觀念與跨學科概念。從以上5個層級可以看出，學生的認知發展水平是從零散到系統、從具體到抽象、從簡單到復雜的過程。為了便于教師理解及應用，借助SOLO分類理論，可以把發展層級轉化為層級圖示（如圖2所示）：經驗對應兩個零散點；映射對應一個零散點，連接一個零散點；關聯對應一個零散點，連接多個零散點；系統對應一個平面；整合對應一個立體。

2學習進階視域下中學物理概念教學框架

物理概念教學是指在教師引導下，調動學生認知結構中已有感性經驗，去感知真實素材，經過思維加工，產生認知飛躍，從而形成完整概念的互動過程"[5]。由建構主義學習理論可得，物理概念教學過程包含8個要素（如圖3所示）：“依據”是指與新概念關聯的具體事例；“意義”是指引入新概念的必要性；“方法”是指運用比較、分析、綜合、想象、歸納、概括等方法；“內涵”是指新概念的本質屬性，主要包括概念的定義、公式、單位、方向等；“外延”是指新概念表述的對象和概念適應的范圍；“關聯”是指新概念與其他概念的相關與聯系；“應用”是指把新概念應用到生產生活中去；“創新”是指以新概念為基礎，在學科內或多學科之間進行優化整合、發明創造。

“依據”找到了新概念的生活基礎，體現尚未關聯的零散事實，對應經驗層級?！耙饬x”體現了新概念的必要性、“方法”說明了概念研究的規范性、“內涵”反映了新概念的學科基礎、“外延”指出了新概念的適用范圍，這些都體現事實與術語之間關系，對應映射層級?！瓣P聯”建構了新概念的知識結構，體現術語與多個事實關系，對應關聯層級?！皯谩憋@示了新概念的生活價值，體現從系統角度協調變量關系，對應系統層級。“創新”突破了新概念的認知邊界，體現學科觀念或跨學科概念，對應整合層級。通過以上分析，找到了物理概念教學與學習進階之間的對應關系，從而建構出學習進階視域下中學物理概念教學框架（如圖4所示）。根據此框架實施的物理概念教學，既符合學生認知規律，也符合知識呈現規律，還符合學科教學規律，有利于實現課堂深度教學，發展學生核心素養。

3學習進階視域下中學物理概念教學案例

中學物理教學過程，旨在落實立德樹人根本任務，提升學生物理學科核心素養。學習進階視域下中學物理概念教學過程，就是以物理概念為主線、以發展層級為方式、以物理學科核心素養為目標進行課堂教學。本研究以粵教版物理選擇性必修第二冊“互感和自感”為案例"[6]，展示學習進階視域下中學物理概念教學過程，其教學流程如圖5所示。

根據以上教學流程，設計學習進階視域下中學物理概念教學過程，并從師生活動、設計意圖兩個方面進行重點說明。

3.1經驗層級——設計實驗，引出概念

物理概念源于生活，教師應該創設真實生活情境引出物理概念，既體現物理概念的現實價值，也激發學生的學習興趣。

師生活動：首先教師引導學生回顧，如圖6所示，給螺線管加上電流，螺線管周圍就產生磁場；若螺線管中的電流發生變化，則螺線管周圍磁場也發生變化。然后教師引導學生推測：（1）若在螺線管外部磁場某處放入一個閉合線圈，由法拉第電磁感應定律，推測得到這個線圈就會產生感應電動勢；（2）因為螺線管內部磁場也發生變化，由法拉第電磁感應定律，推測得到這個螺線管自身也會產生感應電動勢。

為了證明以上推測，教師設計3個實驗進行驗證，引導學生觀察、分析與歸納。

實驗一：如圖7所示，把一根普通導線繞30圈以上，連接在小燈泡兩端，讓線圈與小燈泡組成閉合回路。在電磁爐上放一個裝有部分水的鐵碗，接通電磁爐電源，電磁爐穩定運行。把閉合回路移到電磁爐上空，發現小燈泡發光。小燈泡之所以發光，就是因為線圈上產生了感應電勢，從而驗證了推測1。

實驗二：如圖8所示，小燈泡A1與滑動變阻器R相連，小燈泡A2與線圈L相連，閉合開關S瞬間，發現與滑動變阻器R相連的小燈泡A1立刻正常發光，而與線圈L相連的小燈泡A2卻逐漸變亮。小燈泡A2之所以逐漸變亮，就是因為線圈上產生了感應電動勢，阻礙燈泡電流立即變大，從而驗證了推測2。

實驗三：如圖9所示，小燈泡A與線圈L并聯，先閉合開關S，待小燈泡A正常發光后，再斷開開關S，發現小燈泡A不是立即熄滅，而是逐漸熄滅。小燈泡A之所以逐漸熄滅，就是因為線圈上產生了感應電動勢，阻礙小燈泡電流立即變小，從而也驗證了推測2。

教師鼓勵學生用自己的語言歸納實驗現象：當一個線圈中的電流變化時，會在另一線圈中產生感應電動勢，這種現象稱為互感現象，這種感應電動勢稱為互感電動勢；當一個線圈中的電流變化時，會在自身線圈中產生感應電動勢，這種現象稱為自感現象，這種感應電動勢稱為自感電動勢。

設計意圖：楊振寧教授說，“現象是物理學的根源?！蔽锢砀拍罱虒W中，教師需要創設實驗，從生活中找到物理概念事實依據，體現物理概念“從生活中來”，由此可以培養學生物質觀念核心素養。學生通過觀察實驗現象，用自己的語言進行分析、歸納、交流，有利于培養學生科學探究核心素養。

3.2映射層級——建立模型，分析概念

真實情境比較復雜，為了突出主要因素而忽略次要因素，物理研究常用模型建構方法。教師引導學生把演示實驗轉化為物理模型，分析互感現象和自感現象。

師生活動：針對圖7實驗，電磁爐相當于螺線管X，導線與小燈泡連接相當于閉合回路Y，當電磁爐接通交流電源，即相當于通過螺線管X的電流IX發生變化，在螺線管X周圍產生變化的磁場BX，變化的磁場BX讓閉合回路Y的磁通量ΦY發生變化，從而在閉合回路Y中產生感應電動勢EY，因此在閉合回路Y中形成感應電流IY，故小燈泡發光。這個現象是當X線圈中的電流變化時，會在Y線圈中產生感應電動勢，故為互感現象。根據以上分析，教師引導學生得出互感規律：互感電動勢大小為E=nΔΦΔt；互感電流的方向滿足楞次定律。

針對圖8實驗，線圈L相當于螺線管X，閉合開關S瞬間相當于通過螺線管X中的電流IX變大，即螺線管X中的磁場BX變大，從而螺線管X的磁通量ΦX變大，根據法拉第電磁感應定律，在螺線管X中會產生感應電動勢EX，再根據楞次定律，得到感應電動勢EX要阻礙原電流IX增大，因此與線圈L串聯的小燈泡A2的電流IX逐漸增大，故小燈泡A2逐漸變亮。這個現象是當X線圈中的電流變化時，會在X線圈中產生感應電動勢，故為自感現象。

針對圖9實驗，線圈L相當于螺線管X，斷開開關S瞬間相當于螺線管X中的電流IX變小，即螺線管X中的磁場BX變小，從而螺線管X的磁通量ΦX變小，根據法拉第電磁感應定律，在螺線管X中會產生感應電動勢EX，此時螺線管X與小燈泡A形成閉合回路，再根據楞次定律，感應電動勢EX要阻礙原電流IX減小，即線圈L中的電流逐漸變小，故小燈泡A是逐漸熄滅的。這個現象也是當X線圈中的電流變化時，會在X線圈中產生感應電動勢，故為自感現象。

根據以上分析，教師引導學生結合相關理論，得出自感規律：自感電動勢大小為E=LΔΦΔt，其中L表示自感系數，它與線圈的形狀、長短、匝數、是否有鐵芯相關，其單位是亨利，簡稱亨，符號為H（同時補充說明：物理學家亨利，1831年發現自感現象，1835年解釋自感現象，他沒有申請專利，而是把他的研究成果及其發明創造無償獻給社會，其高風亮節、無私奉獻精神受到后人敬仰，因此把自感系數單位確定為亨利）；自感電流的方向滿足楞次定律，即自感電流“阻礙原電流變化”，若原電流增大，自感電流方向與原電流方向相反，若原電流減小，自感電流方向與原電流方向相同。

設計意圖：教師引導學生，先把演示實驗轉化為物理模型，再用物理學科知識進行分析，培養學生模型建構、科學推理等科學思維。為了感謝物理學家亨利把自己的研究成果及其發明創造無償獻給社會，物理學界把自感系數單位命名為亨利，這既體現了物理學家的無私奉獻精神，也反映了物理學界對亨利品行的認同與褒揚。教師在教學中自然地滲透這些思政元素，從而培養學生的科學態度、社會責任等物理學科核心素養。

3.3關聯層級——形成網絡，建構概念

任何物理概念都不是孤立存在的，每個物理概念都與其他概念相互聯系，形成縱橫交錯、上下層級結構。

師生活動：教師引導學生分析物理概念形成過程，找出各個物理概念之間的邏輯關系，建構物理概念結構。如圖10所示，螺線管X中的電流IX發生變化，會引起螺線管X的磁感應強度BX發生變化，若在螺線管X外部某處放入一個閉合線圈Y，則這個線圈Y的磁通量ΦY發生變化。根據法拉第電磁感應定律，線圈Y上就會產生感應電動勢EY，從而產生互感現象；螺線管X中的電流IX發生變化，會引起螺線管X的磁感應強度BX發生變化，則螺線管X自身的磁通量ΦX也發生變化，根據法拉第電磁感應定律，螺線管X自身上就會產生感應電動勢EX，從而產生自感現象；互感現象和自感現象，本質上都是電磁感應現象，都滿足法拉第電磁感應定律和楞次定律。

設計意圖：教師引導學生回顧教學過程，根據物理概念之間的邏輯聯系，讓每個學生在自己心中建構物理概念圖式，有利于學生形成知識網絡，增強學生應用知識能力。通過物理概念圖式，可以清晰看出互感現象、自感現象的本質都是電磁感應現象，有利于學生理解物理概念本質，形成物理觀念。

3.4系統層級——聯系生活，應用概念

互感現象與自感現象廣泛存在于生活之中。有些互感現象、自感現象對生活有利，要加以利用；有些互感現象、自感現象對生活有害，要加以防止。

師生活動：教師精選生活中利用互感現象、自感現象的實例，引導學生進行定性分析：如圖11所示，變壓器利用互感現象，可以把低壓升為高壓進行遠距輸送，也可以把高壓降為低壓進行日常照明；如圖12所示，日光燈利用自感現象，在電源開關接通時，由于啟輝器通電后很快斷電，在鎮流器上產生瞬時高壓，使燈管內的氣體電離發出紫外線，激發管壁上的熒光粉發出可見光，從而讓日光燈正常工作。

教師精選生活中防止互感現象、自感現象的實例，引導學生進行定性分析：如圖13所示，電源連接器是為了避免產生互感現象，即通過連接器內部特殊結構，可以減少電源接通時因為互感現象而對用電設備造成的損傷；如圖14所示，安全開關是為了避免產生自感現象，即通過安全開關的特殊處理，當高壓線在接通和斷開瞬間，可以減少自感現象對線路設備造成損傷。

設計意圖：物理知識來源于生活，又服務于生活。用互感現象、自感現象解釋生活實例，有利于學生理解概念，增強學生用物理知識分析實際問題、解決實際問題能力，培養學生物理觀念。針對互感現象、自感現象，列舉利用與防止實例，體現一分為二的辯證思維，培養學生科學態度。

3.5整合層級——學生體驗，深化概念

體驗是一種心智活動，是真正有效的學習方式。學生用自己的身體去體驗物理知識，對物理知識的產生進行深刻領悟。顧明遠教授說，“學生成長在活動中”，活動的本質就是體驗，體驗是學習真實發生的前提條件。

師生活動：教師設置學生體驗環節：圖15為觸電體驗儀（俗稱千人震），裝有一節電動勢為1.5V的干電池。教師引導學生積極猜測：兩個同學各一只手握住其中一個小球，另一只手與其他同學手拉手圍成一個閉合回路，當接通開關時，同學們會不會有觸電感覺？當斷開開關時，同學們會不會有觸電感覺？學生發表各種猜測后，教師再接通開關和斷開開關讓學生進行體驗：接通開關時同學們沒有觸電感覺，而斷開開關時同學們有明顯觸電感覺。教師先把觸電體驗儀轉化為物理模型——閉合電路（如圖16所示），再請學生分析：同學們手拉手連接在導線1和導線2兩端，等效與整流器并聯，接通開關時，由于電動勢為1.5 V，在同學們身上產生的電流太小，同學們沒有觸電感覺；當斷開開關時，鎮流器中的電流突然減小，由于自感現象，會在鎮流器中產生瞬時高壓，而鎮流器與同學們組成閉合回路，則會在這個閉合回路中產生瞬時強電流，因此同學們有明顯的觸電感覺。

設計意圖：“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行。”物理知識學習完后，盡量創設實驗讓學生體驗。體驗既可以加深學生對知識的理解，激發知識創新，培養物理觀念，也可以使學生感受知識的魅力，激發學習興趣，培養科學態度。

4學習進階視域下中學物理概念教學反思

教學反思是指教師從分析教學活動中獲取教學經驗的認知過程，它既包括教師回顧總結的過程，也包括教師經驗升華的過程。通過教學反思，提煉教學理論，形成教學策略，可以對教學實踐進行主動監控、調節與修正。

4.1創設情境是中學物理概念教學的基礎

情境是指一定時間內各種情況與境地。教學引入遵循“由實及虛”原則，即能夠演示就不用視頻、能夠視頻就不用圖片、能夠圖片就不用語言。根據美國霍爾頓教授提出的“物理學三維結構模型”和蘇聯費多琴柯提出的“經典力學平面結構模型”，首都師大邢紅軍教授提出以科學方法為中心的“物理學知識—能力結構”"[7]（如圖17所示），可以作為物理教學理論。從圖17可以看出，事實是知識的來源，也是認知的起點，這為“創設情境”引入概念找到了理論依據。在該理論指導下，并結合經驗層級，創設情境——3個演示實驗，可以作為概念引入教學基礎。"

4.2突出主體是中學物理概念教學的關鍵

主體是指學生主體，是指在教學活動中，學生具有自主性、主動性、創造性?！读x務教育課程方案（2022年版）》在“課程實施”中明確指出：“創設以學習者為中心的學習環境，凸顯學生的學習主體地位?！逼渲?，“教學建議”要求“要有教師的合理指導，確?；顒友驖u進”，突出教師的學習主導作用?？v觀本節教學過程，教師一直處于主導作用，讓學生自己去推測實驗現象、歸納實驗規律，讓學生自己去分析互感自感現象、建立互感自感概念結構圖式，讓學生自己去解釋利用與防止，并鼓勵學生參與自感體驗。

協同學理論表明，學生是教學的主體，教師是教學的主導，但教師是主導并不表示只起非決定性作用，學生是主體也不表示都起決定性作用。教師和學生在不同的教學階段，分別起決定性作用（表1）"[8]：教師在被組織階段起決定性作用（如講例題階段），學生在自組織階段起決定性作用（如做練習階段）。在物理概念課堂教學過程中，教師的講述是必要的，以學生為主體的課堂并不排斥教師的講述。若沒有教師的講述，概念的理解就無法深入，若沒有教師的講述，概念的探究就失去方向。

4.3滲透思政是中學物理概念教學的亮點

思政是指物理課程思政，是指以物理知識為載體，融入思想政治教育內容，有意識地培養學生思想政治素質的教學理念。2016年12月7日，習近平總書記在全國高校思想政治工作會議上指出：“好的思想政治工作應該像鹽，但不能光吃鹽，最好的方式是將鹽溶解到各種食物中自然而然吸收?！蔽锢砀拍罱虒W過程采用“精選素材”，對學生潛移默化地實施物理課程思政。例如，介紹物理學家亨利滲透品德修養、介紹特高壓線路變壓器滲透家國情懷等，會起到“隨風潛入夜，潤物細無聲”的良好效果，可以成為概念教學亮點。

4.4聯系生活是中學物理概念教學的核心

認知心理學表明，讓學生真正理解知識的最有效方式就是把知識應用于生活"[9]。建構主義教學觀指出，知識不能脫離真實生活而抽象存在；課堂教學應該與真實生活聯系起來。在物理概念教學過程中，教師要把物理概念引向生活，聯系生活是概念教學核心。互感自感在生活中經常出現，教師通過精心挑選生活素材，把自感互感融于生活素材中，讓學生把生活素材轉換為物理模型，運用法拉第電磁感應定律解決生活問題，增強學生解決問題能力，體現物理學科應用價值。如，選用高壓輸電變壓器、高壓線安全開關等，把物理與生活聯系起來，讓學生體會到生活即物理、物理即生活。

4.5提升素養是中學物理概念教學的目標

素養是指物理學科核心素養，主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任4個方面"[10]。中學物理概念教學的目標不是概念本身，而是通過物理概念學習，提升學生物理學科核心素養。在課堂教學過程中，如何培育學生物理學科核心素養？可以簡化為如下關系：物理知識+真實情境+實踐活動=物理學科核心素養。在備課過程中，采用“三序合一”設計教學過程（圖5），以有效落實物理學科核心素養教學目標。三序是指知識序、進階序、素養序。知識序為物理學科知識呈現順序，進階序為學習進階發展層級順序，素養序為物理學科核心素養順序?！叭蚝弦弧本褪侵冈诮虒W設計過程中，把物理學科知識內容按照某種邏輯關系進行排序，讓中學物理概念教學過程既符合學習進階發展層級順序，又培育學生物理學科核心素養。

5結束語

學習進階是目前全球教育教學研究的熱點，對中學各個學科都有較強的指導作用。筆者把學習進階應用于中學物理教學各個方面，先后進行了學習進階視域下中學物理規律教學、中學物理習題教學、中學物理復習教學、高考物理試題分析，都取得了良好效果。實踐證明，運用學習進階指導教學實踐，不僅可以優化教學設計、活躍課堂氛圍，而且可以提高學習興趣、發展學生思維，提升應用能力。學習進階符合學生認知規律，物理概念屬于物理課程重要內容，用學習進階視域下中學物理概念教學框架進行課堂教學，有助于學生理解物理概念、應用物理概念，從而使學生實現深度學習、訓練高階思維，最終提升創新能力與核心素養。

參考文獻

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Teaching physics concepts in middle school from the perspective of advanced learning：framework，cases，and reflection

DONG You-jun

（East Branch of Guangzhou Education Research Institute，Guangzhou，Guangdong510700，China）

Abstract

Firstly，introduce the relevant content of learning advancement，including the definition，elements，and hierarchy of learning advancement.Then，based on the hierarchical level of learning，construct a teaching framework for middle school physics concepts：based on corresponding experience levels;The mapping hierarchy corresponding to meaning，method，connotation，and extension;The corresponding level of association;Application corresponding system level;Innovation corresponds to the integration level.Subsequently，based on this teaching framework，specific classroom teaching cases will be presented：Guangdong Education Press Physics Selective Compulsory Volume 2 “Mutual Inductance and Self Inductance”.Finally，a reflection on middle school physics teaching from the perspective of advanced learning：creating contexts is the foundation of middle school physics concept teaching;Highlighting the subject is the key to teaching physics concepts in middle schools;Infiltration of ideological and political education is a highlight of middle school physics concept teaching;Connecting with life is the core of middle school physics concept teaching;Improving literacy is the goal of middle school physics concept teaching.

Keywords

concept teaching;advanced learning;core competencies

[責"任編輯馬曉寧]

收稿日期：2022-12-30

基金項目：廣州市教育科學規劃2024年度重點課題（202315835）

作者簡介：*董友軍（1976—），男，湖南衡陽人。中學高級教師，主要研究方向為中學物理教學。