周棟梁

摘 要：在高中物理教學(xué)中，圍繞某一課時(shí)的教學(xué)設(shè)計(jì)會(huì)造成學(xué)生在知識(shí)理解上只見“樹木”，不見“森林”，而基于主題核心概念的教學(xué)設(shè)計(jì)能有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)核心概念的整體理解.

關(guān)鍵詞：主題核心概念；學(xué)習(xí)進(jìn)階；教材重構(gòu)

教師在實(shí)施課程的過程中往往要進(jìn)行教材的重構(gòu)，在實(shí)踐中，對(duì)教材的重構(gòu)大多基于微觀層面，即教師基于教材某一課時(shí)的理解和領(lǐng)悟進(jìn)行個(gè)性化的演繹，而很少基于中觀層面進(jìn)行，其原因在于缺乏合適的架構(gòu)組織來統(tǒng)領(lǐng)若干具體概念的建構(gòu)過程，從而造成學(xué)生在知識(shí)理解上只見“樹木”，不見“森林”.

一、核心概念的層次模型及其學(xué)習(xí)進(jìn)階

近年來，有關(guān)核心概念及其學(xué)習(xí)進(jìn)階逐漸成為全球科學(xué)教育領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

關(guān)于核心概念及其學(xué)習(xí)進(jìn)階，雖然我國科學(xué)教育界已從介紹國外研究成果逐漸轉(zhuǎn)向本土化研究，但在科學(xué)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(gòu)建的層次模型[3]4進(jìn)行實(shí)踐研究.為直觀起見，我們用圖1表示其層次模型及其對(duì)應(yīng)的組織架構(gòu)關(guān)系.

關(guān)于學(xué)習(xí)進(jìn)階，主要有兩個(gè)研究取向：一是基于課程論視角，認(rèn)為學(xué)習(xí)進(jìn)階是符合學(xué)生發(fā)展規(guī)律的概念序列，其研究取向是對(duì)核心概念的學(xué)習(xí)序列進(jìn)行宏觀規(guī)劃；二是基于教學(xué)論視角，認(rèn)為學(xué)習(xí)進(jìn)階是描述學(xué)生的學(xué)習(xí)路徑，是“學(xué)習(xí)者認(rèn)知發(fā)展過程中用以‘踏腳的具體的‘腳踏點(diǎn)”，其研究取向是對(duì)具體“腳踏點(diǎn)”進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).顯然，二者雖然研究取向不同，卻相輔相成，因?yàn)椤皟H有路徑還不足以提供學(xué)習(xí)者認(rèn)知發(fā)展的支撐，需要尋找學(xué)習(xí)者每一次進(jìn)步的‘腳踏點(diǎn)，以此幫助學(xué)習(xí)者發(fā)展和完善原有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)，順利構(gòu)建有意義的認(rèn)知”[4].

二、圍繞核心概念進(jìn)行教材重構(gòu)的理性思考

綜觀圖1所示的核心概念組織架構(gòu)關(guān)系，在教學(xué)內(nèi)容規(guī)劃時(shí)有三種取向：一是圍繞學(xué)科核心概念的課程層面上教材內(nèi)容規(guī)劃，它一般屬于課程專家的研究范疇；二是圍繞某個(gè)重要概念、基礎(chǔ)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(nèi)容規(guī)劃.由于主題核心概念是聯(lián)系學(xué)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(gòu)，向上可以契合學(xué)科核心概念的學(xué)習(xí)序列，向下可聯(lián)系起學(xué)生思維過程.因此，基于主題核心概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的教材重構(gòu)，是中觀教學(xué)設(shè)計(jì)中非常合適的切入方式.

基于主題核心概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的教材重構(gòu)，首先涉及主題核心概念“顆粒度”大小的選取，因?yàn)槿绻邦w粒度”太小，將不利于學(xué)生對(duì)核心概念的整體理解和領(lǐng)悟；而“顆粒度”太大以至跨越多個(gè)學(xué)段，則很難構(gòu)建起學(xué)生有所感悟的進(jìn)階路徑，同樣不能有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)核心概念的整體理解和領(lǐng)悟.例如，對(duì)于“運(yùn)動(dòng)與相互作用”的解構(gòu)，一般按圖2方式進(jìn)行，其主題核心概念分別為“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”“相互作用”“牛頓運(yùn)動(dòng)定律”[3]6.顯然，在圖2所示的組織架構(gòu)關(guān)系中，主題核心概念的“顆粒度”大小不一，其中“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”的“顆粒度”太大，即使將其進(jìn)一步解構(gòu)成“運(yùn)動(dòng)描述”“直線運(yùn)動(dòng)”“曲線運(yùn)動(dòng)”，其“顆粒度”仍遠(yuǎn)大于“牛頓第一定律”等重要概念.另外，對(duì)于“相互作用”的理解也僅局限于狹義上的力的相互作用，實(shí)際上，廣義的相互作用還包括系統(tǒng)內(nèi)的動(dòng)量交換.因此，基于圖2的主題核心概念架構(gòu)關(guān)系很難構(gòu)建最佳的進(jìn)階路徑.

基于上述思考，建議在對(duì)學(xué)科核心概念解構(gòu)時(shí)，將主題核心概念進(jìn)行分級(jí)，力求進(jìn)入教學(xué)設(shè)計(jì)視野的主題核心概念“顆粒度”大小適中.現(xiàn)仍以“運(yùn)動(dòng)與相互作用”的解構(gòu)為例，先將其解構(gòu)為圖3虛線框Ⅰ中“機(jī)械運(yùn)動(dòng)”“運(yùn)動(dòng)與力”和“動(dòng)量及其守恒定律”三個(gè)一級(jí)主題核心概念，再對(duì)一級(jí)主題核心概念解構(gòu)為虛線框Ⅱ中諸如“運(yùn)動(dòng)描述”“直線運(yùn)動(dòng)”等“顆粒度”基本相當(dāng)?shù)亩?jí)主題核心概念.事實(shí)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(jìn)階路徑不是單個(gè)重要概念進(jìn)階路徑的簡單疊加，因?yàn)橹匾拍铋g的關(guān)聯(lián)方式既是知識(shí)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，也是促進(jìn)知識(shí)結(jié)構(gòu)化的重要途徑.因此，只有將它們間的關(guān)聯(lián)方式放在系統(tǒng)的高度去統(tǒng)籌規(guī)劃，才能圍繞進(jìn)階層級(jí)設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的進(jìn)階路徑.

關(guān)于重要概念間的關(guān)聯(lián)方式，一般有內(nèi)外之分，其中有關(guān)重要概念間的層次關(guān)系、概念屬性以及建立過程間的邏輯關(guān)系屬于內(nèi)在關(guān)聯(lián)方式，而蘊(yùn)含重要概念的建立、應(yīng)用的結(jié)構(gòu)化主題則屬于一種外在的關(guān)聯(lián)方式.基于主題核心概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的教材重構(gòu)，不僅需要對(duì)內(nèi)在關(guān)聯(lián)方式進(jìn)行優(yōu)化重組，同樣需要重視結(jié)構(gòu)化主題情境這種外在關(guān)聯(lián)方式的構(gòu)建，以便學(xué)生基于情境獲得知識(shí)、應(yīng)用知識(shí)，從而豐富其認(rèn)知結(jié)構(gòu).

綜上所述，基于主題核心概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的教材重構(gòu)，追求的不是每個(gè)重要概念的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而是基于中觀層面構(gòu)建重要概念間的最佳關(guān)聯(lián)方式，達(dá)到統(tǒng)籌規(guī)劃教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程，以便構(gòu)建最佳的進(jìn)階路徑.

三、圍繞主題核心概念教材內(nèi)容重構(gòu)的實(shí)踐

基于主題核心概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的教材重構(gòu)，其主題核心概念既可以是一級(jí)主題核心概念，也可以是二級(jí)主題核心概念.在本文中，以主題核心概念“勻變速直線運(yùn)動(dòng)”為例進(jìn)行中觀層面上的教材重構(gòu)，期望能拋磚引玉.

（一）“勻變速直線運(yùn)動(dòng)”的組織架構(gòu)關(guān)系

對(duì)于主題核心概念“勻變速直線運(yùn)動(dòng)”，其組織架構(gòu)關(guān)系如圖4所示.綜觀五個(gè)重要概念，勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間關(guān)系的建構(gòu)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(yùn)動(dòng)”學(xué)習(xí)進(jìn)階構(gòu)建，高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出：“經(jīng)歷勻變速直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究過程，體會(huì)實(shí)驗(yàn)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(nèi)容體系，正是按此架構(gòu)關(guān)系進(jìn)行內(nèi)容組織，并通過實(shí)驗(yàn)探究小車的速度隨時(shí)間變化，較好地體現(xiàn)了課程標(biāo)準(zhǔn)的要求.需要指出的是，教材對(duì)于勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間關(guān)系的內(nèi)容組織，雖然是從數(shù)、形兩個(gè)角度進(jìn)行，但它們并非對(duì)應(yīng)同一問題的雙重表征，因而不能有效實(shí)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(gè)小三角形面積之和不應(yīng)為0”的轉(zhuǎn)變，而這恰恰是學(xué)生體驗(yàn)微元思想的關(guān)鍵.為此，需要教師重構(gòu)體驗(yàn)的“腳踏點(diǎn)”.

關(guān)于自由落體運(yùn)動(dòng)的安排上，教材秉承了其一貫風(fēng)格，即視其為勻變速直線運(yùn)動(dòng)的特例，但新增加了“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”一節(jié)內(nèi)容，充分關(guān)注到課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于自由落體運(yùn)動(dòng)研究的重視.但必須指出的是，由于教材將自由落體運(yùn)動(dòng)定位在規(guī)律的應(yīng)用上，學(xué)生沒有經(jīng)歷自由落體運(yùn)動(dòng)的探究過程，因而造成了學(xué)生對(duì)伽利略研究思想體會(huì)上流于形式.

（三）教材重構(gòu)建議

基于上述分析，為構(gòu)建最佳的進(jìn)階路徑，建議對(duì)教材內(nèi)容按下述方式重構(gòu)：一是對(duì)教材內(nèi)容的順序進(jìn)行調(diào)整，具體方式是把“自由落體運(yùn)動(dòng)”及其“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”調(diào)整至章首；二是對(duì)“自由落體運(yùn)動(dòng)”的內(nèi)容組織及其呈現(xiàn)方式進(jìn)行重構(gòu)，讓學(xué)生真正經(jīng)歷自由落體運(yùn)動(dòng)的探究過程，促進(jìn)學(xué)生對(duì)伽利略研究思想體會(huì)，構(gòu)建起勻變速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)階的“腳踏點(diǎn)”；三是對(duì)“勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間的關(guān)系”中的有關(guān)微元思想內(nèi)容進(jìn)行置換，構(gòu)建切實(shí)有效的思想體驗(yàn)“腳踏點(diǎn)”.出于篇幅考慮，本文著重探討“自由落體運(yùn)動(dòng)”和“勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間關(guān)系”的重構(gòu)方式.

1.關(guān)于“自由落體運(yùn)動(dòng)”的重構(gòu)建議

基于上面分析，在對(duì)此節(jié)內(nèi)容進(jìn)行重構(gòu)時(shí)，首先將研究課題重構(gòu)為“實(shí)驗(yàn)：探究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律”，具體內(nèi)容如下.

【活動(dòng)1】自由落體運(yùn)動(dòng)模型的建立

請(qǐng)同學(xué)們按以下要求進(jìn)行小實(shí)驗(yàn)，并就其中問題進(jìn)行討論.

實(shí)驗(yàn)1：將一張紙、一個(gè)粉筆頭兩個(gè)物體，由同一高度同時(shí)釋放，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

實(shí)驗(yàn)2：將上面的紙揉成紙團(tuán)，并與粉筆頭由同一高度同時(shí)釋放，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

總結(jié)影響重物下落的主要因素，猜測(cè)在沒有空氣阻力情況下，不同重物自由下落時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況？說明你猜測(cè)的依據(jù).

【活動(dòng)2】實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)及其測(cè)量

設(shè)計(jì)探究重物自由下落速度、位移與時(shí)間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)，并將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄在表格中（表格略）.

方案設(shè)計(jì)要點(diǎn)：如何選取重物，使其下落過程中可近似認(rèn)為僅受重力作用？

實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)：如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，使重物下落的初速為0？

【活動(dòng)3】實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的探究

運(yùn)用Excel處理v-t、x-t實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探究自由落體運(yùn)動(dòng)速度、位移與時(shí)間的關(guān)系.

點(diǎn)評(píng)：在上述內(nèi)容重構(gòu)中，其內(nèi)容組織對(duì)應(yīng)于“伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究”思路呈現(xiàn)方式上沒有給出具體結(jié)論，因而學(xué)生真正經(jīng)歷了自由落體運(yùn)動(dòng)的探究過程，既體現(xiàn)了課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于實(shí)驗(yàn)探究方面的要求，又有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)于伽利略的研究思想的體會(huì).

【活動(dòng)4】自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用及規(guī)律的再探究

例題 物體做自由落體運(yùn)動(dòng)，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(nèi)和第2秒內(nèi)的位移為多少？③計(jì)算圖像與軸所圍的“面積”，你能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？

點(diǎn)評(píng)：本活動(dòng)的設(shè)計(jì)，不僅僅體現(xiàn)在自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的應(yīng)用上，更重要的是引導(dǎo)學(xué)生“發(fā)現(xiàn)”規(guī)律——“所圍面積等于重物的位移”，實(shí)現(xiàn)從“數(shù)”“形”兩個(gè)層面表征自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，從而在為學(xué)生體會(huì)伽利略的研究思想構(gòu)建思維臺(tái)階的同時(shí)，也為探究“勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間的關(guān)系”構(gòu)建了堅(jiān)實(shí)的“腳踏點(diǎn)”.

2.關(guān)于“勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間的關(guān)系”的重構(gòu)建議

關(guān)于“勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間的關(guān)系”，一直是教學(xué)設(shè)計(jì)和教材編寫的難點(diǎn)，體現(xiàn)在教材對(duì)其內(nèi)容呈現(xiàn)方式的多次變更.在教學(xué)實(shí)踐中，我們按下述方式重構(gòu)，取得了較好的教學(xué)效果.

【活動(dòng)1】實(shí)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(biāo)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(yīng)，使汽車以a=2m/s2的加速度加速，試判斷汽車是否會(huì)闖紅燈？

點(diǎn)評(píng)：借助實(shí)際問題，有效激發(fā)了學(xué)生探究的熱情，體現(xiàn)“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的課程理念.同時(shí)，適當(dāng)變換其條件，又可作為“勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與速度關(guān)系”的實(shí)際問題情境，從而用結(jié)構(gòu)化的學(xué)習(xí)主題把兩個(gè)重要概念有機(jī)地聯(lián)系起來.

【活動(dòng)2】勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間關(guān)系的猜測(cè)

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

點(diǎn)評(píng)：上述重構(gòu)方式中，借助樣例學(xué)習(xí)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用類比方法進(jìn)行猜測(cè)，并用自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的圖像表征初步檢驗(yàn)，有效降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的思維臺(tái)階.

【活動(dòng)3】微元思想的數(shù)形體驗(yàn)

在對(duì)勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間關(guān)系進(jìn)行猜測(cè)后，可構(gòu)建如下的問題鏈，讓學(xué)生進(jìn)一步體會(huì)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(diǎn)作EF、CD的垂線交于A1、E1點(diǎn)（見圖5），試計(jì)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(jì)算其面積之和S2與S之比.

點(diǎn)評(píng)：在上述內(nèi)容重構(gòu)中，把教材中分立的數(shù)形體驗(yàn)極限思想重構(gòu)為對(duì)同一問題的數(shù)形結(jié)合體驗(yàn)，特別是引入的估算（注：此種情況下n≈100），使得學(xué)生的體驗(yàn)更為深刻，從而有效化解了一直困擾教材、教師的難題.

【活動(dòng)4】勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間關(guān)系及其應(yīng)用

由圖像意義推導(dǎo)出勻變速直線運(yùn)動(dòng)位移與時(shí)間關(guān)系的解析式，然后探討實(shí)際問題的解決方法，實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用，具體過程略.

綜上分析，主題核心概念學(xué)習(xí)進(jìn)階視野下“勻變速直線運(yùn)動(dòng)”的重構(gòu)，是基于系統(tǒng)論視角重新審視教材的內(nèi)容體系，并通過自由落體運(yùn)動(dòng)教學(xué)順序的調(diào)整來調(diào)適系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，重構(gòu)重要概念間的關(guān)聯(lián)方式；通過對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)、勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移與時(shí)間關(guān)系內(nèi)容組織及其呈現(xiàn)方式的重構(gòu)，調(diào)適其教學(xué)功能，實(shí)現(xiàn)各重要概念的建立過程有機(jī)聯(lián)系，構(gòu)建了主題核心概念的最佳進(jìn)階路徑.

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