基于主題核心概念學習進階的高中物理教材重構

周棟梁

摘 要：在高中物理教學中，圍繞某一課時的教學設計會造成學生在知識理解上只見“樹木”，不見“森林”，而基于主題核心概念的教學設計能有效促進學生對核心概念的整體理解.

關鍵詞：主題核心概念；學習進階；教材重構

教師在實施課程的過程中往往要進行教材的重構，在實踐中，對教材的重構大多基于微觀層面，即教師基于教材某一課時的理解和領悟進行個性化的演繹，而很少基于中觀層面進行，其原因在于缺乏合適的架構組織來統(tǒng)領若干具體概念的建構過程，從而造成學生在知識理解上只見“樹木”，不見“森林”.

一、核心概念的層次模型及其學習進階

近年來，有關核心概念及其學習進階逐漸成為全球科學教育領域的研究熱點.

關于核心概念及其學習進階，雖然我國科學教育界已從介紹國外研究成果逐漸轉向本土化研究，但在科學概念層次模型這一最基本問題上卻不盡相同[1][2].在本文中，基于張玉峰先生構建的層次模型[3]4進行實踐研究.為直觀起見，我們用圖1表示其層次模型及其對應的組織架構關系.

關于學習進階，主要有兩個研究取向：一是基于課程論視角，認為學習進階是符合學生發(fā)展規(guī)律的概念序列，其研究取向是對核心概念的學習序列進行宏觀規(guī)劃；二是基于教學論視角，認為學習進階是描述學生的學習路徑，是“學習者認知發(fā)展過程中用以‘踏腳的具體的‘腳踏點”，其研究取向是對具體“腳踏點”進行優(yōu)化設計.顯然，二者雖然研究取向不同，卻相輔相成，因為“僅有路徑還不足以提供學習者認知發(fā)展的支撐，需要尋找學習者每一次進步的‘腳踏點，以此幫助學習者發(fā)展和完善原有的認知結構，順利構建有意義的認知”[4].

二、圍繞核心概念進行教材重構的理性思考

綜觀圖1所示的核心概念組織架構關系，在教學內容規(guī)劃時有三種取向：一是圍繞學科核心概念的課程層面上教材內容規(guī)劃，它一般屬于課程專家的研究范疇；二是圍繞某個重要概念、基礎概念的微觀處理；三是介于二者之間的主題核心概念這一中觀層面上的內容規(guī)劃.由于主題核心概念是聯(lián)系學科核心概念與重要概念的橋梁，這樣，圍繞主題核心概念的教材重構，向上可以契合學科核心概念的學習序列，向下可聯(lián)系起學生思維過程.因此，基于主題核心概念學習進階的教材重構，是中觀教學設計中非常合適的切入方式.

基于主題核心概念學習進階的教材重構，首先涉及主題核心概念“顆粒度”大小的選取，因為如果“顆粒度”太小，將不利于學生對核心概念的整體理解和領悟；而“顆粒度”太大以至跨越多個學段，則很難構建起學生有所感悟的進階路徑，同樣不能有效促進學生對核心概念的整體理解和領悟.例如，對于“運動與相互作用”的解構，一般按圖2方式進行，其主題核心概念分別為“機械運動”“相互作用”“牛頓運動定律”[3]6.顯然，在圖2所示的組織架構關系中，主題核心概念的“顆粒度”大小不一，其中“機械運動”的“顆粒度”太大，即使將其進一步解構成“運動描述”“直線運動”“曲線運動”，其“顆粒度”仍遠大于“牛頓第一定律”等重要概念.另外，對于“相互作用”的理解也僅局限于狹義上的力的相互作用，實際上，廣義的相互作用還包括系統(tǒng)內的動量交換.因此，基于圖2的主題核心概念架構關系很難構建最佳的進階路徑.

基于上述思考，建議在對學科核心概念解構時，將主題核心概念進行分級，力求進入教學設計視野的主題核心概念“顆粒度”大小適中.現(xiàn)仍以“運動與相互作用”的解構為例，先將其解構為圖3虛線框Ⅰ中“機械運動”“運動與力”和“動量及其守恒定律”三個一級主題核心概念，再對一級主題核心概念解構為虛線框Ⅱ中諸如“運動描述”“直線運動”等“顆粒度”基本相當?shù)亩壷黝}核心概念.事實上，教材編寫已經(jīng)從某種意義上考慮主題核心概念的“顆粒度”大小問題.

主題核心概念的進階路徑不是單個重要概念進階路徑的簡單疊加，因為重要概念間的關聯(lián)方式既是知識結構的重要組成部分，也是促進知識結構化的重要途徑.因此，只有將它們間的關聯(lián)方式放在系統(tǒng)的高度去統(tǒng)籌規(guī)劃，才能圍繞進階層級設計出最優(yōu)化的進階路徑.

關于重要概念間的關聯(lián)方式，一般有內外之分，其中有關重要概念間的層次關系、概念屬性以及建立過程間的邏輯關系屬于內在關聯(lián)方式，而蘊含重要概念的建立、應用的結構化主題則屬于一種外在的關聯(lián)方式.基于主題核心概念學習進階的教材重構，不僅需要對內在關聯(lián)方式進行優(yōu)化重組，同樣需要重視結構化主題情境這種外在關聯(lián)方式的構建，以便學生基于情境獲得知識、應用知識，從而豐富其認知結構.

綜上所述，基于主題核心概念學習進階的教材重構，追求的不是每個重要概念的優(yōu)化設計，而是基于中觀層面構建重要概念間的最佳關聯(lián)方式，達到統(tǒng)籌規(guī)劃教學目標、教學內容、教學過程，以便構建最佳的進階路徑.

三、圍繞主題核心概念教材內容重構的實踐

基于主題核心概念學習進階的教材重構，其主題核心概念既可以是一級主題核心概念，也可以是二級主題核心概念.在本文中，以主題核心概念“勻變速直線運動”為例進行中觀層面上的教材重構，期望能拋磚引玉.

（一）“勻變速直線運動”的組織架構關系

對于主題核心概念“勻變速直線運動”，其組織架構關系如圖4所示.綜觀五個重要概念，勻變速直線運動位移與時間關系的建構毫無疑問居于其核心地位，至于主題核心概念“勻變速直線運動”學習進階構建，高中物理課程標準明確提出：“經(jīng)歷勻變速直線運動的實驗研究過程，體會實驗在發(fā)現(xiàn)自然規(guī)律中的作用.”

（二）教材分析

綜觀人教版教材內容體系，正是按此架構關系進行內容組織，并通過實驗探究小車的速度隨時間變化，較好地體現(xiàn)了課程標準的要求.需要指出的是，教材對于勻變速直線運動位移與時間關系的內容組織，雖然是從數(shù)、形兩個角度進行，但它們并非對應同一問題的雙重表征，因而不能有效實現(xiàn)迷思概念“圖像被分割成矩形數(shù)目越多，其小三角形也越多，因而無數(shù)多個小三角形面積之和不應為0”的轉變，而這恰恰是學生體驗微元思想的關鍵.為此，需要教師重構體驗的“腳踏點”.

關于自由落體運動的安排上，教材秉承了其一貫風格，即視其為勻變速直線運動的特例，但新增加了“伽利略對自由落體運動的研究”一節(jié)內容，充分關注到課程標準對于自由落體運動研究的重視.但必須指出的是，由于教材將自由落體運動定位在規(guī)律的應用上，學生沒有經(jīng)歷自由落體運動的探究過程，因而造成了學生對伽利略研究思想體會上流于形式.

（三）教材重構建議

基于上述分析，為構建最佳的進階路徑，建議對教材內容按下述方式重構：一是對教材內容的順序進行調整，具體方式是把“自由落體運動”及其“伽利略對自由落體運動的研究”調整至章首；二是對“自由落體運動”的內容組織及其呈現(xiàn)方式進行重構，讓學生真正經(jīng)歷自由落體運動的探究過程，促進學生對伽利略研究思想體會，構建起勻變速直線運動規(guī)律進階的“腳踏點”；三是對“勻變速直線運動位移與時間的關系”中的有關微元思想內容進行置換，構建切實有效的思想體驗“腳踏點”.出于篇幅考慮，本文著重探討“自由落體運動”和“勻變速直線運動位移與時間關系”的重構方式.

1.關于“自由落體運動”的重構建議

基于上面分析，在對此節(jié)內容進行重構時，首先將研究課題重構為“實驗：探究自由落體運動規(guī)律”，具體內容如下.

【活動1】自由落體運動模型的建立

請同學們按以下要求進行小實驗，并就其中問題進行討論.

實驗1：將一張紙、一個粉筆頭兩個物體，由同一高度同時釋放，觀察實驗現(xiàn)象.

實驗2：將上面的紙揉成紙團，并與粉筆頭由同一高度同時釋放，觀察實驗現(xiàn)象.

總結影響重物下落的主要因素，猜測在沒有空氣阻力情況下，不同重物自由下落時的運動情況？說明你猜測的依據(jù).

【活動2】實驗方案設計及其測量

設計探究重物自由下落速度、位移與時間關系的實驗，并將測量數(shù)據(jù)記錄在表格中（表格略）.

方案設計要點：如何選取重物，使其下落過程中可近似認為僅受重力作用？

實驗操作要點：如何進行實驗操作，使重物下落的初速為0？

【活動3】實驗數(shù)據(jù)處理及自由落體運動規(guī)律的探究

運用Excel處理v-t、x-t實驗數(shù)據(jù)，探究自由落體運動速度、位移與時間的關系.

點評：在上述內容重構中，其內容組織對應于“伽利略對自由落體運動的研究”思路呈現(xiàn)方式上沒有給出具體結論，因而學生真正經(jīng)歷了自由落體運動的探究過程，既體現(xiàn)了課程標準對于實驗探究方面的要求，又有效促進學生對于伽利略的研究思想的體會.

【活動4】自由落體運動規(guī)律的應用及規(guī)律的再探究

例題 物體做自由落體運動，重力加速度g=10m/s2，則①求第1秒、第2秒末物體的速度，并在方格紙上畫出物體的v-t圖像.②物體自下落起第1秒內和第2秒內的位移為多少？③計算圖像與軸所圍的“面積”，你能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？

點評：本活動的設計，不僅僅體現(xiàn)在自由落體運動規(guī)律的應用上，更重要的是引導學生“發(fā)現(xiàn)”規(guī)律——“所圍面積等于重物的位移”，實現(xiàn)從“數(shù)”“形”兩個層面表征自由落體運動規(guī)律，從而在為學生體會伽利略的研究思想構建思維臺階的同時，也為探究“勻變速直線運動位移與時間的關系”構建了堅實的“腳踏點”.

2.關于“勻變速直線運動位移與時間的關系”的重構建議

關于“勻變速直線運動的位移與時間的關系”，一直是教學設計和教材編寫的難點，體現(xiàn)在教材對其內容呈現(xiàn)方式的多次變更.在教學實踐中，我們按下述方式重構，取得了較好的教學效果.

【活動1】實際問題

汽車在平直公路上以v0=10m/s的速度行駛，駕駛員在離紅綠燈標志線23m處發(fā)現(xiàn)還有2s綠燈將變?yōu)榧t燈，于是他作出反應，使汽車以a=2m/s2的加速度加速，試判斷汽車是否會闖紅燈？

點評：借助實際問題，有效激發(fā)了學生探究的熱情，體現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念.同時，適當變換其條件，又可作為“勻變速直線運動位移與速度關系”的實際問題情境，從而用結構化的學習主題把兩個重要概念有機地聯(lián)系起來.

【活動2】勻變速直線運動位移與時間關系的猜測

觀察下表，你能作出何種猜測？能否依據(jù)自由落體運動規(guī)律的兩種表征方式說明你猜測的依據(jù)？

點評：上述重構方式中，借助樣例學習，引導學生運用類比方法進行猜測，并用自由落體運動規(guī)律的圖像表征初步檢驗，有效降低了學生學習的思維臺階.

【活動3】微元思想的數(shù)形體驗

在對勻變速直線運動位移與時間關系進行猜測后，可構建如下的問題鏈，讓學生進一步體會微元思想.

問題1：在直角梯形ABCD中，AB=a，CD=2a，BC=d作中位線EF，過A、E點作EF、CD的垂線交于A1、E1點（見圖5），試計算矩形AA1FB、EE1CF面積之和S1與梯形ABCD面積S之比.

問題2：如圖6所示，作梯形AEFB、EDCF的中位線GH、LI，并按上述方法作矩形AA1HB、GG1FH、EE1IF、LL1CI，試計算其面積之和S2與S之比.

點評：在上述內容重構中，把教材中分立的數(shù)形體驗極限思想重構為對同一問題的數(shù)形結合體驗，特別是引入的估算（注：此種情況下n≈100），使得學生的體驗更為深刻，從而有效化解了一直困擾教材、教師的難題.

【活動4】勻變速直線運動位移與時間關系及其應用

由圖像意義推導出勻變速直線運動位移與時間關系的解析式，然后探討實際問題的解決方法，實現(xiàn)學以致用，具體過程略.

綜上分析，主題核心概念學習進階視野下“勻變速直線運動”的重構，是基于系統(tǒng)論視角重新審視教材的內容體系，并通過自由落體運動教學順序的調整來調適系統(tǒng)結構，重構重要概念間的關聯(lián)方式；通過對自由落體運動、勻變速直線運動的位移與時間關系內容組織及其呈現(xiàn)方式的重構，調適其教學功能，實現(xiàn)各重要概念的建立過程有機聯(lián)系，構建了主題核心概念的最佳進階路徑.

參考文獻：

[1]林雪敏.核心概念的確立原則及教學策略初探[J].中學物理教學參考，2015（11）：7.

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