要素主義視域下高中物理實(shí)驗(yàn)的大單元教學(xué)研究

高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)正處于轉(zhuǎn)型期。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）要求從技能訓(xùn)練轉(zhuǎn)向思維養(yǎng)成，但當(dāng)前的高中物理教學(xué)實(shí)踐中仍存在核心要素關(guān)聯(lián)弱化、認(rèn)知結(jié)構(gòu)模糊、技術(shù)革新與方法傳承斷裂等問(wèn)題。新課標(biāo)拓展了實(shí)驗(yàn)范疇，因此更需要構(gòu)建統(tǒng)整多元形態(tài)的教學(xué)框架。巴格萊要素主義為重構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系提供了理論支點(diǎn)。該理論強(qiáng)調(diào)對(duì)具有永恒價(jià)值的基礎(chǔ)要素的系統(tǒng)傳承，恰好能解決大單元教學(xué)構(gòu)建中的核心問(wèn)題。橫向維度上，其通過(guò)提取實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理等跨實(shí)驗(yàn)共性要素，可打通力學(xué)、電磁學(xué)等不同模塊的認(rèn)知壁壘；縱向維度上，其依托“基礎(chǔ)驗(yàn)證一綜合應(yīng)用一創(chuàng)新遷移”的要素發(fā)展鏈，能實(shí)現(xiàn)從單一實(shí)驗(yàn)到系列探究的深度拓展。這種要素統(tǒng)整視角，既可保留傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性，又可為新型探究活動(dòng)提供思維腳手架，使大單元教學(xué)既保持學(xué)科邏輯，又有利于培養(yǎng)核心素養(yǎng)。在處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與技術(shù)革新的關(guān)系時(shí)，要素主義主張將新技術(shù)工具轉(zhuǎn)化為要素深化的載體而非目的，這為平衡技術(shù)應(yīng)用與方法傳承提供了可行的路徑。

、要素主義視域下物理實(shí)驗(yàn)的大單元教學(xué)要點(diǎn)分析

（一）知識(shí)要素：大單元應(yīng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化統(tǒng)整功能

巴格萊要素主義將知識(shí)要素定義為具有持久價(jià)值的學(xué)科基礎(chǔ)成分，在物理實(shí)驗(yàn)中體現(xiàn)為三個(gè)方面：原理要素的永恒性（如牛頓運(yùn)動(dòng)定律）、方法要素的穩(wěn)定性（如控制變量法）工具要素的經(jīng)典性（如游標(biāo)卡尺操作規(guī)范）。這些要素具有跨情境遷移價(jià)值，其結(jié)構(gòu)化程度決定了認(rèn)知質(zhì)量，且通過(guò)“概念一方法一應(yīng)用”層級(jí)形成認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)，為破解教學(xué)碎片化問(wèn)題提供了參照。

基于要素主義，大單元教學(xué)需要構(gòu)建三維統(tǒng)整機(jī)制：內(nèi)容上以核心原理串聯(lián)分散實(shí)驗(yàn)（如機(jī)械能守恒統(tǒng)整自由落體等案例）；方法上設(shè)計(jì)顯性發(fā)展線索（如從單一變量控制到多變量調(diào)控）；評(píng)價(jià)上建立要素掌握追蹤機(jī)制。大單元設(shè)計(jì)應(yīng)注重要素關(guān)聯(lián)而非數(shù)量疊加，讓學(xué)生在多樣情境中錘煉核心要素，形成可遷移的科學(xué)思維框架，兼顧學(xué)科邏輯與創(chuàng)新空間。

（二）方法要素：大單元需呈現(xiàn)層級(jí)遞進(jìn)特征

要素主義將方法要素視為連接主體認(rèn)知與客觀規(guī)律的中介系統(tǒng)，其本質(zhì)特征體現(xiàn)在三個(gè)哲學(xué)維度：認(rèn)識(shí)論維度上，方法要素具有先驗(yàn)性與經(jīng)驗(yàn)性的辯證統(tǒng)一，既包含測(cè)量、分類等基礎(chǔ)思維形式，又涵蓋假設(shè)檢驗(yàn)等特定科學(xué)程序；方法論維度上，方法要素呈現(xiàn)從具體到抽象的層級(jí)躍遷，表現(xiàn)為“操作技能 $$ 分析策略 $$ 思維模式”的認(rèn)知深化過(guò)程；價(jià)值論維度上，方法要素承載著科學(xué)精神的傳承功能，其掌握過(guò)程本身就是理性思維方式的建構(gòu)過(guò)程。這種多維特性決定了方法要素教學(xué)必須突破傳統(tǒng)線性訓(xùn)練的模式，構(gòu)建螺旋上升的發(fā)展路徑。

基于要素主義的層級(jí)理論，物理大單元教學(xué)設(shè)計(jì)需要建立三重轉(zhuǎn)化機(jī)制：認(rèn)知維度上，實(shí)現(xiàn)從方法識(shí)記到理解再到創(chuàng)造的認(rèn)知躍升；教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)維度上，構(gòu)建“基礎(chǔ)方法層 $$ 復(fù)合方法層 $$ 創(chuàng)新方法層”的立體課程結(jié)構(gòu)；評(píng)價(jià)維度上，形成“操作性標(biāo)準(zhǔn) $$ 策略性標(biāo)準(zhǔn) $$ 思維性標(biāo)準(zhǔn)”的多元評(píng)價(jià)體系。這種結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)本質(zhì)上是對(duì)科學(xué)方法發(fā)生邏輯的課程化再現(xiàn)，要求教師準(zhǔn)確把握三個(gè)關(guān)鍵：一是指向方法要素的最近發(fā)展區(qū)判定，確保層級(jí)設(shè)置的適切性；二是指向方法遷移的“認(rèn)知沖突”設(shè)計(jì)，促進(jìn)層級(jí)間的質(zhì)變飛躍；三是指向方法創(chuàng)新的“元認(rèn)知”培養(yǎng)，達(dá)成最高層級(jí)的自主建構(gòu)。唯有如此，才能真正實(shí)現(xiàn)從方法訓(xùn)練到思維養(yǎng)成的升華。

（三）思維要素：大單元待強(qiáng)化認(rèn)知建模價(jià)值

要素主義理論將思維要素視為重要組成部分，而科學(xué)思維也是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵要素。從認(rèn)識(shí)論角度看，思維要素強(qiáng)調(diào)三個(gè)基本特性：一是結(jié)構(gòu)性，即物理思維是由概念、規(guī)律、方法等構(gòu)成的有機(jī)整體；二是發(fā)展性，學(xué)生的物理思維能力遵循從具體到抽象、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的遞進(jìn)規(guī)律；三是遷移性，有效的思維訓(xùn)練能幫助學(xué)生將從特定情境中獲得的能力應(yīng)用于新的問(wèn)題情境。這些特性決定了思維要素的培養(yǎng)不能停留在簡(jiǎn)單記憶層面，而應(yīng)當(dāng)注重認(rèn)知模型的構(gòu)建。

基于要素主義的思維要素理論，高中物理實(shí)驗(yàn)大單元教學(xué)應(yīng)著力構(gòu)建系統(tǒng)的認(rèn)知建模體系。具體而言，在目標(biāo)設(shè)定上，明確各單元的思維發(fā)展目標(biāo)，形成遞進(jìn)式培養(yǎng)序列；在內(nèi)容組織上，以核心概念為紐帶，將分散實(shí)驗(yàn)內(nèi)容整合為具有內(nèi)在邏輯關(guān)聯(lián)的單元體系；在實(shí)施策略上，開(kāi)展有利于思維外化的教學(xué)活動(dòng)，如實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理分析、誤差討論等環(huán)節(jié)；在評(píng)價(jià)方式上，突破單一的結(jié)果性評(píng)價(jià)，建立關(guān)注思維過(guò)程的多元評(píng)價(jià)機(jī)制。這種結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，本質(zhì)上是幫助學(xué)生建立清晰的物理認(rèn)知模型，實(shí)現(xiàn)從具體操作到抽象思維的躍遷。

二、要素主義視域下高中物理實(shí)驗(yàn)的大單元教學(xué)實(shí)施路徑

（一）要素提取與單元構(gòu)建

要素提取與單元構(gòu)建作為大單元教學(xué)的基礎(chǔ)性工作，其本質(zhì)是依據(jù)要素主義對(duì)學(xué)科結(jié)構(gòu)的根本主張從物理學(xué)科本體中抽繹具有持久價(jià)值的核心要素，并通過(guò)結(jié)構(gòu)化重組形成教學(xué)單元。該過(guò)程需要貫通三個(gè)認(rèn)知層級(jí)：學(xué)科本體層，從課程標(biāo)準(zhǔn)與學(xué)科本質(zhì)中析取原理性概念（如守恒律）、方法論要素（如誤差分析）及思維范式（如模型建構(gòu)）；認(rèn)知發(fā)展層，遵循思維要素的遞進(jìn)規(guī)律，按照“具體經(jīng)驗(yàn) $$ 抽象概括 $$ 遷移應(yīng)用”序列重組要素；教學(xué)轉(zhuǎn)化層，落實(shí)方法要素的層級(jí)性要求，構(gòu)建“基礎(chǔ)認(rèn)知 $$ 復(fù)合應(yīng)用 $$ 創(chuàng)新遷移”的三階單元框架。具體操作包含四步循環(huán)：縱向梳理教材實(shí)驗(yàn)體系提取基礎(chǔ)要素簇群，篩選具有生長(zhǎng)性的核心要素；橫向建立要素邏輯網(wǎng)絡(luò)，形成“概念發(fā)展鏈”與“方法進(jìn)階鏈”；依據(jù)學(xué)生認(rèn)知閾限規(guī)劃遞進(jìn)式單元群，確保不同單元間存在適度認(rèn)知張力；通過(guò)預(yù)置認(rèn)知沖突任務(wù)驗(yàn)證要素遷移效能，最終實(shí)現(xiàn)三維統(tǒng)整。

以“機(jī)械能守恒”為主題的大單元教學(xué)為例，要素提取中應(yīng)確立三維要素體系：知識(shí)要素聚焦動(dòng)能定理的基礎(chǔ)原理、機(jī)械能守恒的核心概念及能量轉(zhuǎn)化的外延認(rèn)知；方法要素劃分為基礎(chǔ)層的位移測(cè)量操作、復(fù)合層的系統(tǒng)誤差分析策略、創(chuàng)新層的守恒條件論證思維；思維要素整合建模思維（構(gòu)建理想模型）、守恒思維（識(shí)別系統(tǒng)特征）、轉(zhuǎn)化思維（理解能量形態(tài)更替）三大維度。單元構(gòu)建可采用三階遞進(jìn)結(jié)構(gòu)：奠基單元即整合斜面實(shí)驗(yàn)與單擺實(shí)驗(yàn)，通過(guò)觀測(cè)重力勢(shì)能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)化現(xiàn)象建立直觀經(jīng)驗(yàn)；核心單元即設(shè)計(jì)光滑斜面與粗糙斜面對(duì)比實(shí)驗(yàn)組，引導(dǎo)學(xué)生探究機(jī)械能守恒的邊界條件；遷移單元即創(chuàng)設(shè)衛(wèi)星軌道躍遷情境，要求學(xué)生運(yùn)用守恒模型計(jì)算軌道能量變化。以上設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)知識(shí)要素從動(dòng)能定理到宇宙速度的概念鏈整合，方法要素從儀器操作進(jìn)階到多模型協(xié)同分析，思維要素完成從現(xiàn)象觀察到模型遷移的認(rèn)知躍遷，最終形成可遷移的科學(xué)思維框架。

（二）教學(xué)流程的要素滲透

教學(xué)流程的要素滲透是指在單元教學(xué)實(shí)施中，將知識(shí)、方法、思維三類核心要素有機(jī)融人教學(xué)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)化策略，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)結(jié)構(gòu)化教學(xué)活動(dòng)實(shí)現(xiàn)要素的階梯式內(nèi)化。該機(jī)制需要貫徹三重滲透原則：知識(shí)維度上，以核心原理為錨點(diǎn)創(chuàng)設(shè)遞進(jìn)式實(shí)驗(yàn)情境，使知識(shí)要素在相似情境中得到反復(fù)強(qiáng)化；方法維度上，設(shè)計(jì)“基礎(chǔ)操作 $$ 變量分析 $$ 系統(tǒng)優(yōu)化”方法生長(zhǎng)鏈，通過(guò)認(rèn)知沖突任務(wù)實(shí)現(xiàn)方法層級(jí)躍遷；思維維度上，搭建“現(xiàn)象觀察 $$ 模型抽象 $$ 遷移驗(yàn)證”的思維腳手架。具體實(shí)施包含四個(gè)關(guān)鍵操作：一是要素載體的設(shè)計(jì)，將抽象要素轉(zhuǎn)化為可操作的實(shí)驗(yàn)任務(wù)；二是認(rèn)知節(jié)點(diǎn)的控制，在概念形成點(diǎn)（守恒條件）、方法轉(zhuǎn)折點(diǎn)（誤差分析）、思維躍遷點(diǎn)（模型遷移）設(shè)計(jì)要素強(qiáng)化環(huán)節(jié)；三是反饋回路的建立，通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和可視化分析促成要素的自我修正；四是元認(rèn)知的觸發(fā)，在實(shí)驗(yàn)總結(jié)階段引導(dǎo)學(xué)生反思要素應(yīng)用過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)三維要素從顯性傳授到隱性建構(gòu)的轉(zhuǎn)化。

案例教學(xué)實(shí)施主要通過(guò)三個(gè)階段來(lái)滲透核心要素。守恒條件探究階段，開(kāi)展光滑斜面與粗糙斜面對(duì)比實(shí)驗(yàn)。學(xué)生先進(jìn)行打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)量物體位移的基礎(chǔ)操作，繪制速度平方與高度關(guān)系圖像，再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最終論證機(jī)械能守恒的普適條件。知識(shí)要素在動(dòng)能定理向守恒定律的轉(zhuǎn)化中逐步滲透。方法要素通過(guò)從操作訓(xùn)練到策略分析的層級(jí)遞進(jìn)得以強(qiáng)化。誤差分析深化階段，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)重力勢(shì)能測(cè)算值系統(tǒng)性偏大的現(xiàn)象，建立空氣阻力做功的物理模型，并通過(guò)真空管實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該過(guò)程滲透思維要素的建模路徑：從具象現(xiàn)象的觀察到抽象模型的建構(gòu)，再到遷移實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，完整經(jīng)歷科學(xué)建模思維流程。衛(wèi)星變軌遷移階段，整合三維要素實(shí)施融合教學(xué)：知識(shí)要素聚焦軌道躍遷中動(dòng)能與勢(shì)能的轉(zhuǎn)化關(guān)系；方法要素要求學(xué)生同步處理衛(wèi)星速度傳感器與軌道半徑數(shù)據(jù)；思維要素通過(guò)近地點(diǎn)加速導(dǎo)致遠(yuǎn)地點(diǎn)升軌的認(rèn)知沖突任務(wù)，驅(qū)動(dòng)學(xué)生整合圓周運(yùn)動(dòng)向心力模型與機(jī)械能守恒模型。以上每個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)均配備要素反思卡，旨在持續(xù)強(qiáng)化核心要素在認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的內(nèi)化。

（三）評(píng)價(jià)體系的要素對(duì)標(biāo)

評(píng)價(jià)體系的要素對(duì)標(biāo)是依據(jù)知識(shí)、方法、思維三類核心要素的內(nèi)涵特征，建立層級(jí)化觀測(cè)指標(biāo)與評(píng)估工具的過(guò)程，實(shí)質(zhì)上就是將要素發(fā)展目標(biāo)轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的能力圖譜。該機(jī)制需遵循三維對(duì)標(biāo)原則：知識(shí)維度上，確立“原理理解 $$ 概念關(guān)聯(lián) $$ 遷移應(yīng)用”的觀測(cè)鏈；方法維度上，設(shè)計(jì)“操作規(guī)范度 $$ 策略適切度 $$ 思維創(chuàng)新度”的評(píng)價(jià)階梯；思維維度上，搭建從模型構(gòu)建到修正再到遷移的評(píng)估框架。具體的構(gòu)建過(guò)程包含三個(gè)關(guān)鍵步驟：首先，實(shí)施要素解構(gòu)，將抽象要素轉(zhuǎn)化為可觀測(cè)行為；

其次，開(kāi)發(fā)復(fù)合型評(píng)價(jià)工具，整合實(shí)驗(yàn)操作檢核表（工具要素規(guī)范）、過(guò)程性觀察量表（方法要素層級(jí)表現(xiàn)）、認(rèn)知建模分析單（思維要素外化）；最后，建立動(dòng)態(tài)追蹤機(jī)制，通過(guò)預(yù)評(píng)價(jià)（單元初要素基線）形成性評(píng)價(jià)（實(shí)驗(yàn)過(guò)程要素發(fā)展）與總結(jié)性評(píng)價(jià)（單元末要素遷移）實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)控。

以機(jī)械能守恒單元為例，通過(guò)建立三級(jí)評(píng)價(jià)框架，實(shí)現(xiàn)要素發(fā)展追蹤。基礎(chǔ)層主要是評(píng)價(jià)知識(shí)要素結(jié)構(gòu)化的水平，通過(guò)斜面實(shí)驗(yàn)操作檢核表觀測(cè)守恒原理掌握度，通過(guò)設(shè)計(jì)單擺與斜面能量轉(zhuǎn)化類比任務(wù)評(píng)價(jià)概念遷移能力，重點(diǎn)關(guān)注動(dòng)能定理表達(dá)式向守恒公式的轉(zhuǎn)化質(zhì)量；進(jìn)階層主要是評(píng)價(jià)方法要素的遞進(jìn)軌跡，利用過(guò)程性觀察量表記錄學(xué)生從打點(diǎn)計(jì)時(shí)器規(guī)范操作，到誤差分析策略應(yīng)用，再到守恒條件論證創(chuàng)新的層級(jí)發(fā)展，特別設(shè)計(jì)減少空氣阻力影響的優(yōu)化方案，并將其作為策略適切度評(píng)價(jià)載體，以便打造觀測(cè)方法要素的躍遷節(jié)點(diǎn)；創(chuàng)新層主要是評(píng)價(jià)思維要素中的建模能力，在真空管實(shí)驗(yàn)中評(píng)價(jià)理想模型構(gòu)建完整度，在有阻力情境下評(píng)估模型修正能力，通過(guò)衛(wèi)星軌道能量守恒論證任務(wù)檢測(cè)模型遷移水平。評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)表明，多數(shù)學(xué)生能建立理想守恒模型并修正阻力影響表達(dá)式，但在整合圓周運(yùn)動(dòng)模型時(shí)出現(xiàn)了思維瓶頸，而這恰恰為教師后續(xù)改進(jìn)教學(xué)提供了精準(zhǔn)依據(jù)。

綜上所述，要素主義為高中物理實(shí)驗(yàn)大單元教學(xué)提供了有效框架。通過(guò)知識(shí)結(jié)構(gòu)化統(tǒng)整、方法層級(jí)遞進(jìn)、思維建模培養(yǎng)，結(jié)合教學(xué)中對(duì)于要素的提取、滲透與評(píng)價(jià)實(shí)踐，可破解教學(xué)碎片化等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)從技能訓(xùn)練到思維養(yǎng)成的轉(zhuǎn)型，為學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培育提供新路徑。

[本文系2023年度江蘇省基礎(chǔ)教育前瞻性教學(xué)改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“啟智行道：物理實(shí)驗(yàn)育人探索30年”（項(xiàng)目編號(hào)：2023JSQZ0160）研究成果]

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