法國高中物理教材核心概念研究及啟示

許　靜，廖伯琴

(1.天津師范大學 教師教育學院，天津 300387；2.西南大學 物理科學與技術學院，重慶 400715)

廖伯琴，西南大學物理科學與技術學院教授，博士生導師，博士，主要從事科學教育研究。

一、引言

2009年法國國民教育部公布實施高中教育改革，此次改革的目標可以歸結為“更好定向”“更好輔導”“學好外語”三個方面[1]，目的在于幫助高中學生取得未來成功，使他們獲得“必不可少的共同基礎”。“共同基礎”包含七種能力，即掌握法語、實踐一門外語、數(shù)學基礎能力、科學與技術文化、信息與通訊的常規(guī)技術、社會與公民能力、自主與創(chuàng)新能力[2]，這七種能力與歐盟的八大核心素養(yǎng)①相吻合。我國高中物理課程標準也指出，高中物理教學應進一步促進學生物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展。核心素養(yǎng)的形成本身是學校課程的一個目標，同時也是達成其他目標的手段。[3]世界上眾多國家把核心素養(yǎng)或關鍵能力引入學校課程體系，圍繞核心概念組織和整合學科內容，重視發(fā)揮核心概念的教育價值與功能，保障每一位學習者的知識與人格建構。教材是教師與學生直接面對的物化了的課程，其蘊含著學科固有的基本概念和技能，以及學科特有的認知方式和思維方式，是支撐核心素養(yǎng)得以形成的構件。

2010—2012年法國阿歇特出版集團出版了具有代表性的新課程教材《物理化學》(以下簡稱為法國教材)，此套教材是法國高中科學學科的主流教材之一。本文通過文本梳理分析法國高中物理教材核心概念的選擇特點，并以“動量與能量守恒”概念系統(tǒng)為例，闡明法國高中物理教材在核心概念的選擇、組織和呈現(xiàn)方面的特點，以期為我國高中物理課程設計和圍繞核心概念的物理教學提供參考。

二、法國高中物理教材涵蓋的核心概念

1.核心概念的內涵

核心概念與基本概念、主要概念、核心觀點的意義相近，是位于學科中心的概念性知識，包括對重要概念、原理、理論等的基本理解和解釋，這些內容是學科結構的主干部分。[4]

物理概念具有一定的層次結構，位于概念層次結構最上端的、抽象概括程度更高的上位概念即為核心概念，如物質、能量、運動等，它比下位概念更能綜合地解釋更廣泛的自然事物與現(xiàn)象，能幫助學習者理解大量的信息和形成物理觀念，能用這些觀念描述自然界的圖景，解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題。因此物理核心概念的選擇和確定，一定要體現(xiàn)物理學科的主要觀點和邏輯結構，應具有一定的前沿性，為學生對新知識的探索和持續(xù)不斷的學習打下基礎，對于提升學生的科學素養(yǎng)具有重要價值。

2.法國高中物理教材核心概念的選擇特點

借鑒埃里克(H.Lynn.Erickson)從文本中梳理大概念的方法，筆者整理了法國高中物理教材的核心概念。通過語義單元命題梳理教材每章涉及的具體概念、原理、規(guī)律、定律，這樣的表述易于建立概念間的聯(lián)系。法國教材物理課程內容以主題形式呈現(xiàn)，如高二學段第12章，以“場”為主題的內容包括：標量場、矢量場、電場、磁場、地磁場、勻強場、重力場。本研究將同一領域的概念匯集到一起，總結出法國高中物理教材的核心概念為9個概念系統(tǒng)，結果見表1。已有研究確立的我國人教版高中物理教材為11個核心概念[5]，通過對比可以看出法國高中物理教材核心概念的選擇特點。

表1　中法高中物理教材的核心概念

中法教材在力學、光學、近代物理部分涵蓋的核心概念在較大程度上是一致的，其中法國教材涉及壓強、透鏡成像和三原色的內容。電學和熱學部分的核心概念有一定的差異，法國教材在電磁學部分主要以“穩(wěn)定的電磁場”這一主題組織知識內容，涉及電場強度、磁感應強度、電勢、電勢能等基本物理量，以及電場力做功的特點等，并呈現(xiàn)了電磁波在醫(yī)學、天文學方面的應用。熱學部分，法國教材僅有一章的內容即能量的傳遞，涉及布朗運動、做功和熱傳遞、分子動能和勢能、內能、溫度、平衡態(tài)等知識。法國教材中電磁學內容相對較少，其原因在于法國教科書初中階段電學所占比例達到了50 %，涉及電在生產和生活中的大量應用，包括電磁感應現(xiàn)象的探究和手搖發(fā)電機的原理解釋等。[6]由于兩國國情、物理教育理念以及教材編寫者對物理知識定位的不同，因此在核心概念選擇上會出現(xiàn)差異。

三、法國高中物理教材核心概念的組織和呈現(xiàn)方式

核心概念位于物理概念體系的中心點，可以衍生出若干子概念而構成概念網絡。下面以“動量與能量守恒”概念系統(tǒng)為例，闡明法國教材在核心概念的組織和呈現(xiàn)方面的特點。

1.內容組織

(1)統(tǒng)攝的知識內容

法國教材中的“動量與能量守恒”概念系統(tǒng)共有五部分內容，即能量守恒定律、能源資源、功和能量、能源問題、動量。動量的內容沒有獨立的章節(jié)，出現(xiàn)在“運動學與牛頓力學”一章，從力在時間上累積作用的角度呈現(xiàn)牛頓第二定律及動量守恒。教材將功、動能、重力勢能、機械能守恒、動量守恒納入學習范疇，但沒有動能定理、動量定理的內容。法國教材圍繞能源與社會問題設置了獨立的“能源資源”和“能源問題”章節(jié)，包括了解開發(fā)和使用的能源種類、21世紀人類面臨的能源問題以及解決方案等，讓學生思考能源的開發(fā)與利用等問題，從理解科學、技術、社會和環(huán)境之間關系的角度，凸顯了對科學和技術應有的正確態(tài)度和社會責任感。

(2)概念的發(fā)展主線

法國教材以“能量”為主線，按照“能→功”的邏輯順序編排知識內容，見表2。在學習能量守恒這一概括性較高的上位概念的基礎上，講述自由落體運動的能量轉化、固體在流體中運動的能量損失、熱傳遞中的能量、β衰變中的能量，使每一步學習都能豐富能量守恒這個總概念，這樣可以降低學生理解的難度。在分析重力做功、電場力做功、摩擦力做功、做功與能量變化關系的基礎上，提出保守力做功與非保守力做功，在保守力做功的基礎上引入勢能的概念，并結合能量變化的函數(shù)圖像，講解機械能守恒和機械能不守恒。法國教材以“能量”為核心，涉及不同種類、不同形式的能量，從宏觀運動中的能量到微觀粒子中的能量，將功與能量守恒貫穿于力學、電學、熱學、原子物理等各部分中，揭示了能量守恒定律在自然界的普遍性。

法國教材將同一類型的知識編排在一起，形成知識鏈條或知識串序列，打破各個重要概念間的孤立情況；注重相關知識的整合，以組織化和系統(tǒng)化的形式編排學習內容，讓學生能夠較為全面地認識物理學知識間的內在聯(lián)系。這樣的內容編排體現(xiàn)了當代基礎教育科學課程改革的核心理念，即整合與發(fā)展?！罢稀笔侵赣煤诵母拍罱M織課程內容[7]，具體是指以主題和事實作為理解核心概念的鋪墊，以此幫助學生發(fā)展深層次的概念理解。

表2　“能量守恒”的內容組織

2.呈現(xiàn)方式

法國教材各章內容主要由三部分組成——活動、課程知識、習題。核心概念的呈現(xiàn)強調學生在自主學習的基礎上獲得必不可少的共同基礎，具體體現(xiàn)在以下四個方面：

(1)創(chuàng)設真實問題情境學習核心概念

法國教材的章首圖色彩鮮艷，為教學提供了豐富的資源。章首圖的設計注重從生活和生產實際情景中提出問題，如冰川融化、風力發(fā)電、城市中的能耗問題等。圖片下方采用問題的方式指明本章學習的核心內容，并羅列本章的學習目標，體現(xiàn)了學習目標的明確性和指向性。各章章首圖的編排內容見表3?；顒硬糠滞瑯油ㄟ^創(chuàng)設真實的問題情境引入。法國教材圍繞基本問題進行課程設計，把知識與現(xiàn)實意義聯(lián)系起來，以問題為驅動力拓展學生思考的空間。

表3　法國教材章首圖的呈現(xiàn)方式

(續(xù)表)

(2)通過“活動”學習核心概念

法國教材活動與課程知識的講解是分開的。課程知識具體呈現(xiàn)本章的知識內容、公式、定律，與活動內容保持一致，逐條羅列，簡潔明確?！盎顒印辈糠职▽嶒炋骄?、背景資料、科學史資料，如研究球在空氣和液體中下落、中微子的發(fā)現(xiàn)與能量守恒、研究單擺中擺球的能量變化、以伽利略對比薩大教堂吊燈擺動的研究說明時間的測量、介紹人類對時間的研究歷程，以及用原子鐘精確測量時間的原理、閱讀資料思考“減少能源消耗的方法和途徑”等?！盎顒印辈糠滞怀鲋R在各種背景下的表現(xiàn)方式和問題解決的方法，這樣的課程設計體現(xiàn)了國際科學教育理念，在理解和參與科學的同時，注重科學精神、科學思想和方法、科學過程，也給學生提供了較大的自主學習空間。

(3)運用核心概念解決不同形式和層次的應用問題

法國教材為了實現(xiàn)對知識的應用與綜合貫通，設置了自我評估、例題、即時練習和章末習題四個部分，其中章末習題包括選擇題、簡述題、簡單計算題、綜合計算題、特色習題(改錯題、自選題和英語題)。法國教材的習題不僅類型多樣，而且遵循由易到難的順序編寫。

自我評估以表格的形式呈現(xiàn)選擇題，考查學生對概念、公式的記憶，題中標明頁數(shù)，便于學生到教材中查找相關信息，進行自主學習。例題由“能力要求”“建議”“解決方案”三部分構成，明確指出解決該問題的思路和要達到的能力水平，呈現(xiàn)規(guī)范的解答過程，突出邏輯推理。即時練習與例題難度相當，是在例題基礎上的拓展和延伸。章末習題中的簡述題以社會熱點問題及物理學史資料為題設背景，取材廣泛，注重考查學生的閱讀能力、信息提取能力、分析能力。改錯題不僅讓學生熟悉解題思路，而且能發(fā)現(xiàn)平時容易出錯的地方，注重細節(jié)。自選題設置了難易兩種水平的問題，給學生解決問題搭設了臺階。英語題即物理計算題用全英文編寫，體現(xiàn)了法國教材對外語的重視。

習題的目的在于鞏固所學知識， 并解決實際物理問題。法國教材的習題設計多配以插圖，如情境圖、實驗裝置圖、工作原理圖、漫畫、圖表等，并指明應達到的能力要求，習題選擇與生活、社會、科技發(fā)展密切相關的實際問題，與章節(jié)的課程內容一一對應，對相應的知識點精選難易程度不同的習題。這樣的習題設置，能使學生在解決真實問題的過程中，增強對物理學習的親切感，避免枯燥和單一，還能起到舉一反三的效果，既可減少學生的課業(yè)負擔，同時又可增強學生的自主學習能力。

(4)運用信息技術豐富學習核心概念的形式

信息技術的運用是法國共同基礎的七種能力之一，信息技術的重要性在法國教材的各章中都有體現(xiàn)，高三教材還獨立設置了兩章相關內容，分別是數(shù)字化信息、信息的傳輸和存儲。

數(shù)字化信息系統(tǒng)實驗是由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實驗軟件包+計算機”構成的新型實驗系統(tǒng)，它使得傳統(tǒng)物理實驗在現(xiàn)代教育技術的帶動下變得既真實又準確，為學生探究物理規(guī)律創(chuàng)設了更便利、更形象的學習環(huán)境，促進了教學手段和教學方式的現(xiàn)代化。如使用溫度傳感器測量熱傳遞中的能量變化、使用傳感器采集數(shù)據(jù)，記錄擺角隨時間的變化規(guī)律，研究單擺中擺球的能量轉化。再如，球在空中的下落實驗，教材中有3頁內容專門講述如何拍攝球的下落運動、如何利用計算機處理數(shù)據(jù)和繪制圖像。信息技術的運用達到了簡化計算、方便作圖、提高準確性、提高學習效率的目的，能使學生更直觀地發(fā)現(xiàn)某種規(guī)律，豐富了其學習核心概念的視角，使學生有更多時間和精力去探索更廣泛、更本質的物理問題。

四、結論與啟示

1.結論

不同國家的課程與教學政策、教材編寫者的價值取向、教師使用教材的理念和方法均存在一定的差異。法國教材核心概念的選擇、組織和呈現(xiàn)方面的特點如下：

(1)法國教材的核心概念為9個概念系統(tǒng)。法國教材以力學、光學、近代物理三部分內容為主，關注近代物理知識的學習，突出了物理學在實驗和理論方面的發(fā)展與成就，體現(xiàn)了教學內容的現(xiàn)代化。

(2)法國教材在“動量與能量守恒”概念系統(tǒng)中，建立了以“能量”為核心的輻射狀的知識結構體系，注重知識間的橫向聯(lián)系，體現(xiàn)出核心概念內容豐富和表現(xiàn)形式多樣的特點。

(3)法國教材核心概念采取問題引導、設置活動等方式呈現(xiàn)，強調學生的自主探索和知識建構。數(shù)字化實驗以及計算機的運用，改變了學生的學習方式，也體現(xiàn)了教學方式的現(xiàn)代化。不同層次的習題類型豐富，并注重運用核心概念解決復雜的真實性問題。

2.啟示

圍繞核心概念進行“少而精”的課程設計，關注對抽象概念、原理的精心組織和展開，有助于解決學時的有限性與科學知識快速增長之間的矛盾，這也是優(yōu)質課堂的主要特征之一。從促進學生物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展課程目標的角度出發(fā)，法國高中物理教材在核心概念的選擇、組織和呈現(xiàn)方面的特點，對我國圍繞核心概念的物理教學具有一定的啟示作用。

(1)呈現(xiàn)結構化的學習內容

我國物理教材的知識結構傾向于直線型[8]， 法國物理教材的知識結構傾向于網絡型，網狀的知識結構更利于學生對知識的理解、 保存和提取。教學中可以考慮從優(yōu)化教材知識結構入手，對教材進行重構，即二次開發(fā)，為學生呈現(xiàn)豐富的、深刻結構化的學習材料。首先，綜合考慮學生的心理認知規(guī)律與學科知識邏輯之間的關系，從理解概念間的聯(lián)系、構成高度概括與抽象的知識網絡的角度出發(fā)，為學生搭建有邏輯體系、合理的物理知識結構。其次，從物理學概念和思想發(fā)展、變革過程的角度出發(fā)，利用物理學史資料充實和深化學習內容，幫助學生加深對物理概念和規(guī)律的深層理解，體會其中蘊含的復雜而豐富的思想和情感內容，形成對物理圖景的認識，建立完整的物理觀念。

(2)體現(xiàn)素養(yǎng)本位的教學設計

核心概念是一個擁有“核”的概念群，其能有效組織大量的事實和其他概念，上位的核心概念可拆分為具體的子概念，若干子概念又可組成相互關聯(lián)的知識體系。以核心概念為中心的“概念圖”，可以體現(xiàn)概念的縱向發(fā)展主線和橫向聯(lián)系節(jié)點，在相關概念的聯(lián)結處常蘊含著豐富的物理學思想和方法。核心概念內容豐富，聯(lián)系廣泛，表現(xiàn)形式多樣，不同的關注點和處理方式體現(xiàn)在教師對教學內容及教學過程的精心設計上，圍繞核心概念的教學設計應由“知識本位”走向“素養(yǎng)本位”。教師可采用文本、圖片、演示實驗、探究活動、物理學史資料等，整合基本的物理觀念、物理學的具體科學方法、科學探究技能進行結構化的教學設計。通過一個一個的問題組織學習活動，為學生搭建思維的階梯，創(chuàng)設以問題為驅動力的深度學習的課堂環(huán)境，提升和發(fā)展學生的科學思維能力。

(3)注重多元的學習方式

核心概念是在事實基礎上產生的深層次的、可遷移的觀念，具有高度概括與抽象的特征。它們要通過問題探究活動才能使得學生的思維超越具體的事實和活動，實現(xiàn)知識建構與學習遷移。從使學生“學會學習”的角度出發(fā)，應將自主探索、實驗與探究、閱讀與思考等物理學習方式落在實處，通過運用科技手段和不同方法收集、處理信息，描述和解釋探究結果，提升學生的信息素養(yǎng)。為了發(fā)展學生對概念的深層理解和運用，教師應關注情境化的統(tǒng)整性評價任務，側重于考查概念之間的關聯(lián)，以及新情境下對概念的應用，將學生置身于原始的、真實的、復雜的情境，在解決真實問題的過程中，應用物理觀念分析實際問題，進行預測、解釋、推論等實踐活動，發(fā)展學生的物理學科能力。

注釋：

①八大核心素養(yǎng)由“學科素養(yǎng)”和“跨學科素養(yǎng)”兩部分構成：“母語交際、外語交際、數(shù)學素養(yǎng)和基礎科技素養(yǎng)”屬于學科素養(yǎng)，“數(shù)字素養(yǎng)、學會學習、社會與公民素養(yǎng)、首創(chuàng)精神和創(chuàng)業(yè)意識、文化意識和表達”屬于跨學科素養(yǎng)。

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