大概念視角下的高中物理新教材“必修一模塊”深度剖析

摘 要：大概念是統領各知識的持久觀念，具備意義性、核心性、相對性、多樣性、持續性、遷移性六個基本特征，是解決當前教學“散”“淺”“固”問題的有效措施.高中物理教材“必修一模塊”，以大概念為核心，以主題為引領，重視知識體系的構建，做到“模塊主題化，主題單元化，單元課時化，課時細微化”.大概念在主題單元變化、課時劃分變化、課時細節變化三處均有體現，教師應該用正確的方式引導學生構建大概念.

關鍵詞：大概念;物理觀念;高中物理新教材;必修一模塊

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）23-0023-06

物理觀念是核心素養的重要組成部分，主要包括“物質觀”“運動與相互作用觀”“能量觀”，是對大量事實、經驗、概念、規律、定理的提煉與抽象，在學習者的腦海中形成自覺意識和思維活動，支配學習行為乃至生活行為.用物理觀念統一課程知識與教育界的熱點研究問題——大概念，不謀而合.

《普通高中物理課程標準（2017年版）》中指出：“進一步精選了學科內容，重視以學科大概念為核心，使課程內容結構化，以主題為引領，使課程內容情境化，促進學科核心素養的落實[1].”短短數語蘊含了新時代高中物理課程的三大要素，即大概念、主題、情境，最終目的在于讓核心素養的培育落到實處.

在課程標準的引領下，普通高中物理教科書2019年版應運而生，并從2021年開始在江西省全面使用.相比2004年版普通高中物理教科書的課程結構和知識編排有哪些變化？這些變化如何體現大概念？如何構建大概念？我們有必要剖析這些問題，探尋教學新思路.

1 大概念概述

1.1 何為大概念

國內外不同學者基于研究提出了自己對大概念的理解.美國科學促進學會把大概念界定為“能將眾多的科學知識聯結為一個整體的科學學習的核心[2]”.克拉克等人認為，大概念本身就是有組織、有結構的知識和模型，而且還能為學習者提供一個認知框架和結構[3].東北師范大學李剛、呂立杰等提出大概念指向的是具體知識背后的核心內容[4].

結合各文獻與自身思考，筆者認為大概念是統領各知識的持久觀念，發揮著“提綱挈領”的功能.大概念具備意義性、核心性、相對性、多樣性、持續性、遷移性六個基本特征，彼此聯系為一個整體.

意義性：大概念是一種內涵豐富的意義模式，其意義在于它將認識論、方法論、價值論三者有機融合.在大概念的學習過程中，學習者能夠觸及學科的核心概念和背后的本質，使認識更加深入;通過搭建認知框架聯系相關概念、事實，形成整體性知識，這是科學高效的學習方法;這種認識和方法不僅對學科內知識的統領具有重要價值，而且蘊含著學習者的學習觀、價值觀與人生觀.

核心性：大概念處于知識的中心位置，縱向統攝學科內知識，讓大量的事實、經驗、概念、規律合理“歸檔”，形成有序連貫的知識網絡;橫向聯系不同學科知識，模糊學科邊界，打破學科壁壘.

相對性：大概念是相對瑣碎知識而言的，只要是具備關聯性的知識均可以尋找到統領它們的大概念，即便是相同的知識，從不同角度出發可以獲得不同的大概念，從這些大概念中可能尋找到更大的概念.因此，大概念究竟多“大”？這取決于學習者的學習程度和教學實際，而不是一個具體的“大小”.每一課時，每一單元，每一主題，每一門學科，不同學科之間均存在相應的大概念，其層級關系呈現階梯式特點（如圖1）.

多樣性：大概念的呈現形式多種多樣，促進知識整合與建構的學習行為均可作為大概念的載體，可以整合具體概念（如功能關系、勻變速運動、相互作用），也可以舉行主題活動（如近代物理學發展歷史、能源與可持續發展研究報告），也可以開展問題討論（例如，說法合理嗎？測量電阻有哪些方案？）.

持續性：大概念不是短暫的記憶，而是循序漸進的持續推進過程，不僅發生在學校教育階段，而且會繼續在未來的生活中去體會、去應用、去完善.當學生離開學校后，學生不記得，也沒必要記得所有的課堂知識，畢竟在互聯網如此發達的時代，獲取知識不是一件難事.但當具體事實和概念均淡忘后，還是會留下某些本能意識，不知不覺地在生活中發揮作用，留下的就是大概念.如在“戶外漂流活動”中，雖然參與者不記得“牛頓第三定律”“力改變運動狀態”等專業術語和具體內容，但依然能夠根據水流方向不斷調整劃槳的角度和力量，使自己達到目的地.其原因是在情境中激活了“運動與相互作用”觀念，解決了實際問題.

遷移性：大概念具備極大的遷移價值.學習是一個由淺入深的過程，前面的學習往往是后面學習的基礎.大概念可以統領相關知識，新知識只不過是大概念下的一個特例，只需要從舊知識進行遷移即可，降低了學習難度.學習者也可以主動將大概念應用于學科內情境、跨學科情境甚至學科外情境，促進遷移能力的提升.

1.2 大概念可以解決哪些問題

當前在高中物理教學實踐中普遍存在三個典型問題.

（1）散：學生被動地接受大量零散、碎片化知識，不同概念和規律之間彼此割裂，無法形成體系化的知識結構網絡，只見樹木不見森林.

（2）淺：當前常見的教學模式是傳授知識—應用舉例—學生模仿—鞏固訓練，這種教學的本質是不斷地重復淺層教學行為，學生學習到大量的形式化知識，對知識的理解停留在表面，很少能夠認識概念的形成過程、邏輯規律、思想方法與價值意義，一旦遇到深入本質的問題情境就容易困惑.

（3）固：課堂教學的實踐探索情境固化，習題訓練中問題情境單一，同一情境反復使用不更新，無法應對時代發展的需要.這種行為固然能在設定好的熟悉情境中完成教學內容，但長期處在舒適區的教學必然遮蔽學生的視野，固化思維模式，弱化遷移能力，削弱創新意識，對學生核心素養的培育和終身發展起到負面效果.

大概念可以從整體上認識和理解概念，促進學生形成結構化知識體系，做到“見林見木”，有效解決“散”的問題;大概念不是無關事實的堆積，而是對大量存在內在邏輯聯系事實的抽象概括.在建構大概念的過程中，需要調動學生的信息提取能力、邏輯推理能力、歸納總結能力，必然需要透過現象看本質，掌握概念背后的思想和價值觀念，做到深度學習，有效解決“淺”的問題;大概念強調學科與生活實踐的聯系，跨學科知識整合，有助于實現不同情境的遷移，對創新思維的提升大有裨益，有效解決“固”的問題.可見，大概念教學是解決“散”“淺”“固”問題的有效措施.

2 從教材變化剖析大概念

2.1 內容框架的變化

以往的教材習慣把物理知識劃分為力學、電磁學、熱學、光學、原子物理等不同版塊.這種以知識邏輯體系編排的方式使整個內容顯得分散、零碎[5]，容易讓學生產生每塊內容相互獨立的錯覺.事實上各版塊之間有密切的關聯，如在力學版塊中，機械能守恒定律揭示了重力勢能和動能之間可以相互轉化;在電磁學版塊中，楞次定律揭示了其他形式的能量轉化為電能;焦耳定律揭示了電能轉化為內能;原子物理版塊中，光電效應方程Ek=hν-W0揭示了光子能量轉化為電子的動能.這告訴我們，“能量”將不同版塊聯系起來，“能量”正是大概念.

2019年版教材打破了知識邏輯體系，改為按照大概念劃分不同模塊，并采用主題的形式進行學習，每個主題進一步細分為單元，做到“模塊主題化、主題單元化、單元課時化、課時細微化”，這樣的設計有助于宏觀把握課程內容，微觀把握知識本質.必修一模塊圍繞大概念“運動與相互作用”展開，2019年版和2004年版必修一模塊框架對比見表1.

2.2 從主題單元剖析大概念

2019年版教材依舊劃分為四個主題，第一個主題“認識描述運動的物理量”;第二個主題是“研究特殊的運動：勻變速直線運動”，通過這兩個主題的學習，學生能夠初步形成“運動觀念”;第三個主題是“平衡力”，讓學生初步形成“相互作用觀念”;第四個主題是“牛頓運動定律”，重在建立運動和力的聯系.與2004年版教材有所不同的是，第三個主題由“相互作用”改為“相互作用——力”，第四個主題由“牛頓運動定律”改為“運動和力的關系”，使主題名更貼合必修一模塊的大概念，即“運動和相互作用”.

2.3 從課時劃分剖析大概念

第一個主題內，坐標系從第1課時移出，移入到第2課時（課時名稱未體現）.原因是坐標系是定量描述物體空間位置的工具，而位移反映位置的變化，將兩者放在一課時體現了大概念——“空間觀念”.第3課時名稱改為“位置變化快慢的描述——速度”，與第4課時構成一個整體，共同體現出“變化率”這一大概念.值得注意的是，用打點計時器測速度在2004年版教材中作為1課時單獨出現，但2019年版教材則拆為兩部分放入第2課時和第3課時.第2課時內容為“認識打點計時器并測量位移和時間”，強調打點計時器的核心功能，與課時大概念“時空觀念”融為一個整體，而測量速度則歸入第3課時，與課時大概念“位置變化率”融為一個整體.

第二個主題內，“速度與位移的關系”不再作為單獨課時，歸入第3課時“位移與時間的關系”，進一步體現大概念——“時空觀念”，“伽利略對自由落體運動的研究”則作為第4課時中“科學漫步”內容呈現，原因在于研究自由落體運動經歷了對大量現象的觀察總結，運用了實驗和邏輯推理的結合，是培養科學思維和科學探究素養的良好素材，將其融入“自由落體運動”整體呈現，讓學生經歷一次科學之旅.

第三個主題內，“基本相互作用”移除，考慮到學生經過初中階段的學習，對重力和彈性形變有了初步認識，故將兩者作為一個課時呈現，精簡了課程內容.在2004年版教材中，“牛頓第三定律”和“共點力的平衡”放在第四個主題，作為牛頓定律的內容和一個特殊應用呈現，但是理解第三個主題中靜摩擦力時又需要用到力的平衡，這樣就讓“平衡力”這一大概念被割裂到兩個不同單元，學生無法形成完整的知識體系.2019年版教材進行了改進，將兩者全部移入第三個主題，有效解決了這一問題.另外，“力的合成”與“力的分解”合并為一個課時，強調了合成分解的“工具性”，突出“等效替代思想”.

第四個主題整體變化不大，“牛頓第三定律”移出，“超重失重”作為一個課時單獨呈現，結構更加清晰.

2.4 從課時細節剖析大概念

課時內知識點也做了適當調整，重新排列組合.如“時間 位移”課時中，2004年版教材介紹了“時刻和時間間隔”“路程和位移”“矢量和標量”共3個知識點.2019年版教材介紹了“時刻和時間間隔”“路程和位移”“坐標系”“用坐標差表示位移”“位移—時間圖像”“打點計時器測位移和時間”共6個知識點，知識容量明顯增加.但這些知識具備共同的大概念，即“時空觀念”.運動就是研究物體空間位置與時間的變化規律，正確認識“時空觀念”是形成“運動觀念”的基礎.

教材對“力的合成與分解”內容也進行了精簡和調整.在以往的教學中，很多教師喜歡用“按效果分解”的邏輯來求解某個力的大小.比如重物放在斜面上，重力產生了下滑效果和壓斜面的效果，故重力分解為沿斜面向下的分力和垂直斜面向下的分力，而垂直分力在數值上等于壓力.這種教學不可取，因為它很容易給學生造成一種錯覺：“力的分解可以直接求力”，導致的現象是學生按照自己“想象的效果”隨意分解力，使思維混亂.規范思路如圖2所示.

黃恕伯指出：“實際上，力的合成和分解不是用來直接求解物體受力的，它僅僅是本章用共點力平衡條件解決問題的一個計算步驟，只是運用等效替換的思想，用一個假想的力替換掉問題中的兩個實際的力（力的合成），或者用兩個假想的力替換問題中的一個實際的力（力的分解），以達到便于計算的目的[6].”

教材的變化告訴我們不能過度拔高教學要求，“力的合成與分解”只是一個求解受力的工具，要重視滲透“等效替代”的思維，這正是本課時的大概念.

基于大概念的相對性，“必修一模塊”的大概念層級如圖3所示.

3 建構大概念

教師經歷多年的學習與教學，已經形成較為完整的學科知識體系，可以通過課程標準中的高頻詞匯和深入挖掘教材來探尋大概念的蹤跡.但學生作為初學者難以具備主動建立大概念的能力和意識.因此教師需要合理引導學生幫助其構建大概念.

3.1 始于情境，抽離情境，回歸情境

概念是對大量事實“共同屬性”的抽象，大概念在概念體系中又起著“提綱挈領”的作用，因此大概念的建構要經歷情境感知—思維加工—用于實踐的過程，先從情境出發，再抽象出情境進行加工，最后回歸情境應用于實踐.

以大概念“變化率”的構建為例，首先呈現生活情境.情境一：汽車1小時運動了40km，高鐵1小時運動了300km，誰運動得快？情境二：2021年東京奧運會100m項目中，尼日利亞選手阿德格科成績為10.00s，中國選手蘇炳添成績為9.83s，誰運動得快？學生根據生活經驗很容易得出答案，隨即再引入情境三：老虎奔跑30s運動了600m，獅子奔跑20s運動了500m，這時候時間和空間位置的變化均不同，如何比較運動的快慢呢？通過情境抽象出速度的本質，即空間位置隨時間的變化率v=Δx/Δt.

描述物體的運動只靠速度足夠嗎？再次呈現情境，汽車速度在10s內從0加到10km/h，火車速度在200s內從0加到70km/h，哪個運動快？哪個啟動快？火車雖然運動得快，但單位時間內速度的變化卻比汽車小，火車的啟動反而更慢.通過情境發現，單位時間內速度的變化具有一定的物理意義，從而抽象出速度隨時間的變化率，即加速度a=Δv/Δt.為了深刻理解“變化率”概念，再次創設生活情境“小明同學的父親第1天給小明20元零花錢，第2天給16元零花錢，第3天給10元零花錢，第4天給8元零花錢，小明的零花錢總額逐漸增加，但增加得越來越慢了.”用該情境類比速度和加速度，深度理解“加速度反映的不是速度變化的多少，而是速度變化的快慢”，是“加速——度”而非“加——速度”.

最后，讓“變化率”回歸情境：我國的人口生育量呈現減緩趨勢;長江水位隨四季不斷變化;樹木成長過程中高度和直徑隨時間不斷變化.讓學生充分體會到“變化率”的普適性.隨著學習的深入，學生意識到不僅存在“時間變化率”，而且存在“空間變化率”，如重力勢能隨高度的變化率，電勢隨電場線位移的變化率，這樣大概念“變化率”就逐漸構建起來了.必修一“變化率”大概念如圖4所示.

3.2 挖掘錯誤，追根溯源

物理中經常存在一些看似正確的直覺，卻把人帶進“錯誤陷阱”，錯誤的背后是大概念體系的缺失.如果能善用典型的錯誤資源，刨根問底，有利于構建大概念.

如圖5所示，A、B、C均靜止在地面上，畫出C木塊的受力示意圖.容易產生的錯覺是，A和B均作用于C，所以C受到兩個壓力.事實上，壓力屬于彈力的范疇，必須接觸才能產生，學生對“接觸力”認識模糊.同樣，在分析摩擦力時，很容易遺漏B對C 的摩擦力，其根源也在于不熟悉“接觸力”，沒有形成“圍繞物體一周分析”的規范思路.

如圖6所示，物體緊靠粗糙墻壁靜止釋放（不計空氣阻力），則物體下落過程中受幾個力？很多學生誤認為受到重力和摩擦力，其根源在于只關注了相對運動，忽略了“彈力是產生摩擦力的先決條件”，沒有厘清兩個接觸力之間的因果關系.

通過對迷思問題的追根溯源，可以構建出“力”的大概念體系，如圖7所示.

3.3 合縱連橫，思路化一

大概念不一定是具體概念，可能是方法、思想甚至價值觀.大概念的形成并非一蹴而就，是一個滲透的過程，這就需要教師抓住教材的“暗線”，將知識縱向整合，橫向聯結，幫助學生構建大概念，隨后用大概念解決實際問題，做到思路化一.

“圖像”是不同學科領域中的重要工具，教材逐漸“滲透”該方法.第一章第2節首次引入“x-t圖像”，反映物體空間位置隨時間的變化，第3節引入“v-t圖像”，反映速度隨時間的變化，第4節再次提出“通過v-t圖像理解加速度”，引入“斜率”的意義;第二章對“v-t圖像”進一步分析，通過微元法的思想，告訴學生“面積”的意義;第三章借助“F-x圖像”探究彈簧彈力與形變量的關系，其斜率表示勁度系數，再次滲透“斜率”;第四章連續借助“a-m圖像”“a-1m圖像”“a-F圖像”探究“加速度與力和質量的關系”，在“超重失重”一節中，利用人在傳感器上下蹲站起的“F-t圖像”分析超重失重現象.

在學習過程中，學生逐步認識到圖像的橫軸、縱軸可以表示不同的物理量，圖線的形狀各有差異，斜率和面積也可能具有對應的物理意義，從而建構“圖像”大概念，如圖8所示.

大概念構建的目的在于幫助學生用統一的思想解決問題，如果學生還是沉浸于瑣碎知識和混亂思路，那就喪失了構建的意義.

案例 如圖9所示，傳送帶的傾角θ=37°，從A到B長度為14m，傳送帶以8m/s的速度逆時針轉動.在傳送帶上端無初速度地放一個質量為m=0.2kg的黑色煤塊，它與傳送帶之間的動摩擦因數為μ=0.25.煤塊在傳送帶上經過會留下黑色劃痕，取g=10m/s2，不計空氣阻力，求煤塊從A到B的過程中傳送帶上留下劃痕的長度.

該題中，物體經歷了兩次運動，先做勻加速直線運動，再以更小的加速度做勻加速直線運動.很多教師的教法是：第1段過程中，物體相對皮帶向上運動，皮帶位移減去物體位移是第1次相對位移;第2段過程中，物體相對皮帶向下運動，把物體位移減去皮帶位移是第2次相對位移，由于第1次相對位移覆蓋了第2次相對位移，所以劃痕長度即第一次相對位移.

該教法的弊端在于，先計算出物體相對地面的位移，再辨析相對關系，顯得晦澀難懂，而且很容易計算失誤.只要作出皮帶和物體運動的v-t圖像，如圖10所示，兩圖像圍成的面積即表示相對位移，不僅形象，而且便于操作.這種思路對各種傳送帶問題、木板滑塊問題，甚至任何涉及到兩個物體間相對運動的問題，均有化繁為簡的作用.

4 結束語

大概念已經滲透到新教材的單元結構、課時規劃、知識分布等各方面，以大概念理念進行教學既是時代的發展要求，也是培育核心素養的推進器.教師應該積極采用各種手段幫助學生構建大概念，形成體系化的知識結構，以便于學生更好地解決實際問題.

參考文獻：

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[5]陳克超，冉潔，戴浩.基于課程標準之高中物理大概念解讀與建構[J].物理教師，2020，41（09）：11-14.

[6]黃恕伯.人教版《第三章 相互作用——力》編寫說明[J].中學物理，2019，37（17）：2-6.

（收稿日期：2021-09-21）

基金項目：江西省中小學教育教學課題“基于生活情景的試題命制研究”（項目編號：JJWL2019-242）.

作者簡介：呂俊君（1991-），男，江西贛州人，本科，中學一級教師，研究方向：中學物理教學策略.