基于大概念的初中物理認知結構教學

［摘要］ 開展指向核心素養的教學，要以完善認知結構為抓手，以大概念為引導，促進學生認知結構的完善。大概念所發揮的作用在于引領，即教師在提煉出本節內容的大概念之后，讓學生圍繞大概念生成更多的小概念，于是大、小概念之間就可以形成有機的聯系，促進學生認知結構的生成與完善。本文以人教版初中物理“分子熱運動”教學為例，從宏觀現象與微觀解釋兩個層面出發，嘗試建立物理現象與物理知識之間的聯系，從而使學生的認知表現出基本的、與初中學生認知特點相匹配的“物理現象—物理知識”結構。

［關鍵詞］ 初中物理；大概念；認知結構；知識建構

過往，由于客觀存在的應試壓力，初中物理教學往往囿于知識講授與運用而難以達到更高階的層次。《義務教育物理課程標準（2022年版）》

（以下簡稱“新課標”）的頒布，使得進入課改深水區的初中物理教學，在物理學科核心素養的引導下駛上了學科教學高質量發展的“快車道”。同時，廣大初中物理教師也應當認識到，物理學科核心素養的發展不能完全脫離知識本身，只有在知識建構的過程中讓學生完善自己的認知結構，物理學科核心素養才能真正落地生根。

一般認為，傳統的初中物理教學重知識的灌輸而輕認知結構的完善。根據新課標，教師開展初中物理教學的起點應當鎖定在認知結構之上。由此可見，初中物理教學的基本任務之一就是讓學生形成物理知識的結構化體系，掌握學習物理的科學方法，提高處理實際問題的能力。要想打破傳統初中物理教學的窠臼，就要有相應的理論作為引導。通過研究發現，大概念可以給初中物理教學帶來新的方向和路徑，讓物理教學在大概念的引導之下，促進學生認知結構的生成與完善，從而促進學生物理學科核心素養的培育。

下面，以人教版初中物理九年級全冊第十三章“內能”第一節“分子熱運動”教學為例，探討基于大概念的初中物理認知結構教學。

一、提取大概念，確定教學目標

以課時為單位的章節教學反映了傳統教學的線性思維，其背后是教材所呈現的物理知識邏輯。學習心理學的相關理論表明，學科知識內在的邏輯體系與學生的認知特點并不是完全對應的，尤其是當學科知識基于自身的結構而呈現出相應的表現順序時，學生的思維是否圍繞這一邏輯而展開，則有待商榷。

以“分子熱運動”為例，通過分析學情發現，大部分學生對分子、原子概念的認識相對不足，有些學生雖然在生活中的某些場合聽說過分子或原子的概念，但這些相對于“分子熱運動”知識建構的要求仍然顯得微不足道。因此，在幫助學生學習這一知識時，教師要從宏觀現象與微觀解釋兩個層面，來幫助學生建立物理現象與物理知識之間的聯系，從而讓學生的認知表現出基本的、與初中階段學生認知特點相匹配的“物理現象—物理知識”結構。基于這一思路，首先需要提取本課的大概念。

研究教材發現，教材依次給出的知識點有“物質的構成”“分子熱運動”“分子間的作用力”等。其中，“物質的構成”主要講的是分子（原子）及其大小，“分子熱運動”主要講的是擴散現象及一切物質的分子都在不停地做無規則的運動（熱運動的定義），“分子間的作用力”主要講的是分子間存在的引力和斥力。這樣的編寫思路，其實已經反映出“分子熱運動”這部分知識的要點，教師對于教學順序的安排也就有了依據。那么，學生在學習“分子熱運動”時，具體的思維過程應該是怎樣的呢？是否一定要按教材的順序逐步建構知識呢？過往大量的教學經驗表明，結果往往是否定的，這也就意味著，初中物理教師要想促進學生認知結構的生成與完善，就要在教材的基礎上，針對學生的認知特點對教學進行優化。此時，運用大概念理論，就可以獲得新的

啟發。

對于大概念引領下的教學，通常認為科學大概念是基于科學事實基礎的，同時又超越科學事實的，將科學方法、科學思想、科學觀念抽象概括并用語言表達出來的觀念性認識。據此，“分子熱運動”中最為明顯的概念是“分子”和“熱運動”，前者初中學生不太熟悉，而后者則更加陌生，所以這一概念并不適合作為大概念。如果將這一概念簡化一下，變成“分子運動”，適當削弱物理專業的意味，而更多地體現生活意味，如此，學生理解起來就更為順利。此時，學生可以憑借大腦中已有的“分子”概念，再疊加前面所學的“運動”知識，幫助自己加深對本節知識的認識。這一認識不一定符合嚴格物理意義上“熱運動”的概念。在學生學完本章知識，形成認知結構之后，可以由“運動”轉換為“熱運動”，這一過程看似“走了彎路”，實際上更加符合初中生的認知發展水平，因而不會影響學生的學習效率及效果。教學實踐也表明，以“分子運動”作為大概念來引導學生學習本章知識，還可以讓學生直接形成一定的想象，即在大腦中通過想象構建與“分子的運動”相關的圖景。這些內容在后續的學習過程中無論是被證實還是被證偽，對學生來說都是一手的、寶貴的學習資源，可以幫助學生從認知的不平衡走向認知的平衡。

二、規劃學習路徑，促進知識建構

大概念統攝下的初中物理教學，是實現有效學習、落實學科核心素養培育的重要途徑。提煉學科大概念可從以下三個維度入手：基于學科視角，聚焦學科本質；基于課程標準，依據學科教材；基于學生發展需求。按照這一要求，可以發現對于“分子熱運動”的教學來說，相應的學習途徑應當是讓學生在分析、概括分子熱運動宏觀現象的基礎上，尋找相應的微觀解釋，并在此過程中嘗試將宏觀現象與微觀解釋對應起來。

這樣的教學思路可以幫助學生形成相應的物理觀念，培養科學思維。而且，在現象分析與原因解釋的過程中，學生具身體驗科學探究的過程，可以讓自身的認知結構更加完善。整個過程中，大概念所發揮的作用是引領，即大概念并非直接告訴學生答案，而是引導學生圍繞大概念去生成更多的小概念。于此，大、小概念之間形成有機的聯系，讓學生逐漸理解相對抽象的物理學知識，最終建立并完善本節內容的認知結構。可以說，概念之間的聯系越緊密，認知結構也就越完善。

通過大概念完善學生的認知結構，主要任務就是借助“分子的運動”，幫助學生初步認識“分子動理論”。初中階段對這一概念并不做特別要求，但要想深入理解“分子熱運動”的內涵，實際上就需要“分子動理論”的內容作為鋪墊。此時，學生已經明確了本節課的學習任務就是理解“分子的運動”，因而在這一大概念的引領下，相應的學習活動就可以圍繞“物質是由大量分子構成的”“一切物質的分子都在不停地做無規則的運動”“分子之間存在引力和斥力”這類小概念來進行。如此，宏觀現象與微觀解釋之間的對應關系也在學生對于小概念的認識與理解中逐漸建立，并成為完善學生認知結構的“助推器”。

三、落實大概念教學各環節活動

明晰了教學思路后，教師要對大概念教學的各個環節及其活動進行梳理。對于“物質是由大量分子構成的”這一認識，主要是從“小”這一角度來切入。教師可以引導學生先復習長度單位，幫助學生進一步認清宏觀世界里“米”“厘米”等單位的大小，然后將之與分子直徑的數量級10-10米進行比較，學生就可以對分子的大小形成初步認識。在此基礎上，教師引導學生借助與宏觀世界的相同比例關系的兩個物體，如地球與乒乓球的比較，從而對分子的大小做出較為準確的判斷，再經過簡單的邏輯推理，可以形成“物質是由大量分子構成的”這一認識，并且明確即使小如生活中的一粒灰塵，也是由大量分子組成的。

對于“一切物質的分子都在不停地做無規則的運動”這一認識，教學中的主要挑戰在于讓學生認識到“分子在運動”“不停地做無規則運動”。從學生思維的角度來看，這兩個認識的形成具有進階特征，教師可以將教學的重點放在前一個層面。具體而言，首先，教師將教材中所展示的擴散實驗演示給學生看，同時讓學生自己去尋找原因。此時，學生可能會做出多種猜想，但最終的指向一定是“分子在運動”。而且，一些實驗題目當中也經常出現“哪種液體或氣體應該放在上面”之類的問題。通過將這些題目與本課所學內容有機結合，學生很容易就能想到，無論是哪種氣體或液體放在上面，只要最終氣體是均勻混合的，就可以說明分子在運動。然后，教師可以聯系物理學發展史，向學生投影物理學史上分子被發現的微視頻，在激發學生學習興趣的同時，讓學生大腦中的認知結構更加符合認知發展邏輯。最后，對于“不停地”和“無規則”運動的概念，可以借助問題來調動學生的思維：物質的擴散是因為我們做實驗才有的嗎？生活中還有其他擴散現象嗎？分子的運動有章可循嗎？問題鏈的提出可以鍛煉學生的多元思維，進一步完善學生的認知結構。

對于“分子之間存在引力和斥力”，教師要認識到這是本節內容教學中的一大教學難點。為此，教師可以借助交互式電子白板等先進技術的加持，演示“鉛柱緊壓后結合起來”實驗，可以讓學生認識到“分子之間存在引力”。當課堂教學推進到中后段，學生已經建立起對本節內容的初步認知后，生活中的一些同類現象又會讓學生對所學內容產生質疑，如“兩只手緊壓在一起怎么沒有結合在一起”之類的問題，這就是我們常說的課堂教學“預設與生成”之間的差異，考驗著教師的解釋能力。同樣，當“分子之間存在斥力”這一結論呈現在學生面前時，學生又會提出“一個人的兩只手是不是永遠無法接觸”之類的問題，需要教師結合分子之間相互作用力的產生條件做出合理的解釋。

四、教學總結與反思

“分子熱運動”這一節內容在整個初中物理知識體系當中相對來說并不是重點，但無論是從學生科學素養培養的角度來說，還是從物理學科核心素養培育的角度來說，都不能忽視其重要性。由于這一節內容涉及的概念和規律相對較多，宏觀現象與微觀解釋之間的對應并不是線性的，因此傳統的教學方式配上相當數量的練習題，往往很難讓學生形成完整的認知結構，最多只是零散的物理知識與相關習題之間的有限關聯。顯然，這樣的教學效果無助于完善學生的認知結構，也無益于培育學生的物理學科核心素養。

綜上，反思“分子熱運動”的教學實踐，認知結構化有助于疑難問題的解決和思維品質的提升。作為初中物理教師，基于核心素養進行教學，要以學生認知結構的完善作為出發點和落腳點，要以大概念作為促進學生認知結構生成與完善的“助推器”。這樣，才能保證知識在學生的學習過程中真正得到建構。基于大概念的初中物理認知結構教學可以幫助學生提升物理學習品質，讓學生認識到物理學科的學習不只在于記住一些概念或規律，還要在自己的大腦中形成概念、規律和實例之間高度關聯的網絡，真正培育物理學科核心素養。

［參考文獻］

［1］馬北河.中學物理知識結構化教學促進學生學習能力提升的教學實踐策略探究[J].中國現代教育裝備，2017（10）：45-47.

［2］李剛，呂立杰.科學教育中的大概念：指向學生科學觀念的獲得[J].自然辯證法研究，2019，35（09）：121-127.

［3］張華.論核心素養的內涵[J].全球教育展望，2016，45（04）：10-24.

［4］楊清.走出“課堂深度學習”的認識誤區[J].中國教育學刊，2020（09）：71-76.

［5］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·教材·教法，2021，41（01）：118-124.

［6］金嵩洲，徐將二.由單題講解向知識結構化轉變——以2022年浙江省選考物理一道題為例[J].物理教師，2022，43（08）：79-82.

［7］胡平.物理實驗教學中“教學碎片”的聯結[J].物理教師，2015，36（08）：5-13.

［8］陳小敏，李海濤.物理學史和物理教學融合的實踐與思考[J].教育與職業，2008（20）：109-111.

［9］賈莉.淺析交互式電子白板在初中物理教學中的作用[J].科學咨詢（教育科研），2019（05）：63.