關亞琴

（西南大學科學教育研究中心教師教育學院，重慶 400715）

我國2018年正式頒布的課程方案和各科普通高中課程標準（2017年版）的前言中明確提出“凝煉學科核心素養(yǎng)，重視以學科大概念為核心，使課程內(nèi)容結構化，促進學科核心素養(yǎng)的落實”.［1］這一要求旨為解決教學低層次、知識碎片化、學習淺表化等現(xiàn)象.以物理學科大概念構建符合學生認知發(fā)展的教學結構，可為物理學科核心素養(yǎng)的落實提供新的解決方案.

本文基于舊版CNKI文獻高級搜索功能，主題輸入“大概念”并含“物理”，共搜集了108篇文獻，剔除無效文獻，共篩選出80篇與中學物理相關的大概念研究，研究趨勢如圖1所示.由圖可見基于大概念的物理教學研究自2017年以后幾乎呈指數(shù)式上升趨勢，而發(fā)表的刊物除《課程·教材·教法》有兩篇涉及大概念以外，其他都發(fā)表于基礎教育——物理相關刊物中，如《物理教師》《物理教學》《物理教學探討》《中學物理教學參考》等.因而，本研究使用文本閱讀的方法梳理了大概念與物理學科結合的相關主題及具體研究內(nèi)容；在國內(nèi)外對大概念界定及特征分析的基礎上，梳理了有關物理學科大概念的概念界定、特征分析、篩選標準；列舉了具體的實施策略，并在此基礎上做了些前瞻.

圖1 大概念研究趨勢

1 大概念與物理學科相結合的研究主題及研究內(nèi)容

我國與中學物理教學相關的大概念研究始于國內(nèi)外對科學大概念研究的關注.2013年，《中國教師》雜志對郭玉英教授做了一次專訪“關注物理大概念，發(fā)展學生的科學整體觀”及范增在《我國高中核心概念及其學習進階研究》中提到“大概念”引起物理課程與教學論研究者們的關注.郭玉英教授講到：“如果教師有大概念的教學意識，他就會有意識地在組織探究活動時、在設計實驗時，自覺地圍繞著大概念展開，使得學生獲得初中物理的整體觀”.［2］之后，自2016—2021年，有關中學物理大概念的論文開始逐年遞增，其具體文獻主題、篇數(shù)及所涉內(nèi)容如表1所示.

表1 中學物理大概念的研究主題、篇數(shù)及所涉內(nèi)容

續(xù)表

從表1可以看出，基于大概念的中學物理教學研究主要以單元教學設計所占篇幅最多.這可能與近幾年國家課程建設中提出整合課程內(nèi)容，使課程內(nèi)容結構化的指導思想有關；其次為與學習進階的相關研究，主要以碩士和博士論文中的概念界定為主，其研究內(nèi)容主要涉及大概念的概念界定、大概念與學科觀念、核心概念、重要概念的區(qū)分為主，其中大概念為上位概念，包含核心概念和共通概念，重要概念為核心概念的下位概念.再次，大概念促進“物理學科核心素養(yǎng)”形成的相關研究也較多，除主題當中明確大概念促進學生物理觀念形成的研究外，在深度學習研究主題中也貫穿大概念促進學生深度學習的研究，這可能與深度學習是最近幾年比較熱門的話題有關.

因而，與中學物理相關的大概念研究相對較集中，主要以單元教學設計、物理學科核心素養(yǎng)的落實、物理觀念的形成、學習進階的逐級進展等研究較多，但在該研究領域缺乏實證檢驗，研究方法較為狹窄，幾乎所有研究都為邏輯思辨，沒有實驗研究，所以在有關這方面研究可以多用實證研究的方法，在理論基礎上，結合實踐檢驗，將有助于研究可信度的增加.

2 物理學科大概念的內(nèi)涵及特點

2.1 物理學科大概念的內(nèi)涵

“大概念”或“大觀念”（BigideasorBigconcepts）最早起源于美國教育心理學家杰羅姆·布魯納（JeromeBruner）.他認為“不論我們選擇教什么學科，務必使學生理解各門學科的基本結構.這是在運用知識方面的最低要求，它有助于解決學生在課堂外所遇到的問題和實踐，或者在今后訓練中解決課堂上所遇到的問題”.［19］他倡導的學科結構運動認為理解學科知識間相互聯(lián)系的前提是讓學生掌握學科知識的基本結構.［20］并認為“經(jīng)典的遷移問題的中心，與其說是單純地掌握事實和技巧，不如說是教授和學習結構”.［19］他所謂的知識結構也就是某一學術領域的基本觀念，不僅包括掌握一般原理，而且還包括學習的態(tài)度和方法.比如物理學科中的落體運動、實驗探究.

自布魯納以后，奧蘇貝爾（AusubelD.P.）提出“新近產(chǎn)生的知識急劇膨脹，要求我們精心選擇‘大概念’”，［21］這里的大概念也即奧蘇貝爾認為的上位概念.從教育心理學視角可見，大概念是一種有助于知識遷移的學習結構，是統(tǒng)整事實和概念的腳手架，除包含基本知識以外，還包含方法和態(tài)度.奧爾森（Olsen）從認知發(fā)展的角度指出，大概念是學生在離開校門，忘記具體經(jīng)驗和事實后還能長久保持的中心概念.［22］威金斯和懷特利（Whiteley）強調大概念為“理解的建筑材料”，通過建構大概念群將零散的知識點聯(lián)結起來，從而簡化學生的認知模式.［23］腦科學認為“腦處理的不是分散的信息而是概念，這些概念處在認知機制的中心”.［24］2005年，美國科學促進會（AAAS）把“大概念”界定為“能將眾多的科學知識聯(lián)為一個整體的科學學習的核心”.

在中學物理教學研究中，大多研究者都沿用哈倫對科學大概念的定義，認為科學上的大概念指“在構思科學教育的目標時，在知識方面不是用一堆事實和理論，而是用趨向于核心概念的一個進展過程.這些核心概念及進展過程可以幫助學生理解與他們在校以及離開學校以后的生活有關的一些事件與現(xiàn)象”.［25］權廣仁在此基礎上編寫了《高中物理大概念主題教學》著作，認為“物理大概念屬于科學大概念的范疇，是研究同一類物理問題與物理現(xiàn)象本質特征的概括，是一定認知結構、物理觀念、物理方法、科學態(tài)度和精神及價值觀所建構的知識體系，具有統(tǒng)攝一般物理概念性與物理知識以及物理學事實性知識的作用”.［26］李悶心在“基于大概念設置物理復習單元——以‘質量與密度’為例談中考物理單元復習”中認為“物理大概念是物理領域中有結構、有聯(lián)系的物理核心概念、規(guī)律和模型，它聯(lián)結了學科內(nèi)的相關概念，融通了學科內(nèi)知識”.［27］陳克超等人認為“物理學科中的大概念不是具體的概念或規(guī)律、原理等，是能統(tǒng)攝大量概念的，反映物理本質的少數(shù)幾個概念或思想和模型，對大量概念起著固定的聯(lián)結作用，揭示概念間的縱橫關系，使概念之間能順利地進行有效遷移，并能應用于新情境，具有較為廣泛的適用性和持久的解釋力”.［17］

大體上，中學物理教學研究中對于大概念的界定都是基于科學大概念的界定，結合物理課程標準，把大概念抽象成一種不僅包含學科知識，還包含方法和態(tài)度的居于學科中心位置，且能夠向下輻射的可遷移的動態(tài)概念.但對于中學物理學科大概念沒有詞源學、哲學、心理學及教育學理論的支撐，僅僅為研究者主觀上的一種界定，缺乏學理性.因而，有關物理學科大概念的界定可在往后的研究中繼續(xù)深入.

2.2 物理學科大概念的特征

學科不同，涉及到的大概念界定不同，其特征也不同.從以上對大概念的界定可以看出，大概念像蜘蛛網(wǎng)一樣，具有網(wǎng)狀“中心輻射性”，而且中心具有高聚合性.越往外，越稀疏，輻射面越廣，比如物理教育中的“能量觀”，以“能量”聚合，往外輻射為電功、電磁能、核能、熱能等，再往外輻射面更廣，如動能、勢能、電勢能、原子能等.李剛在“科學大概念的課程轉化”中總結出科學大概念具有中心性、可持久性、網(wǎng)狀型及可遷移性4個特征，并認為大概念不是基礎概念，而是聚合概念；不是暫時保存的記憶，是經(jīng)驗和事實消失之后還存留的核心概念；大概念并不是無序游離在學科結構中，而是呈現(xiàn)出網(wǎng)絡狀結構；不僅僅只是另一個事實或者一個模糊的抽象概念，而是一種概念性工具，用于強化思維，連接不同的知識片段，使學生具備應用和遷移的能力.［28］我國中學物理研究界根據(jù)大概念的內(nèi)涵提出大概念的特征如表2所示.

表2 中學物理學科大概念的特征

表中所列出的有關中學物理學科的大概念與科學大概念的特征具有共性，也有不同，兩個大概念都具有中心性、持久性及可遷移性等特點，不同點在于科學大概念包含的大概念更多、更廣，跨學科性質更明顯，而物理學科大概念更聚合于物理學科本質.這與“核心概念”具有相似性，研究者對大概念及核心概念的界定有所不同，有學者認為兩者相同，具有相同的命名，都是本學科的中心概念，［32］也有學者認為兩者有本質區(qū)別，并認為大概念、核心概念、物理觀念3者之間存在一定的差別，也沒有絕對的從屬關系，彼此之間有一定相通性和對等性.［17］

2.3 物理學科大概念的選擇標準

溫·哈倫在《科學教育的原則和大概念》一書中提到科學大概念的選擇標準，即① 能夠用于解釋眾多的物體、事件和現(xiàn)象，而它們是學生在他們學校學習和畢業(yè)以后的生活中會遇到的；② 提供一個基礎以幫助理解遇到的問題并作出決策，而這些決策將會關系到學生自己和他人的健康與幸福，以及環(huán)境和能源的使用；③ 當人們提出有關自身和自然環(huán)境的問題時，他們?yōu)槟軌蚧卮鸹蚰軌驅で蟮酱鸢付械接淇旌蜐M意；④ 具有文化上的意義，例如對人類自身有關的觀念——反映科學史上的成就，來自研究自然的靈感和人類活動對環(huán)境的影響.［25］哈倫提出的科學大概念的選擇標準強調了學習的過程和運用知識的過程，不僅僅考慮大概念所起的作用，還考慮大概念是否有助于科學活動的本質及科學活動的發(fā)現(xiàn)，但因包含內(nèi)容過于寬泛，學科特色不突出，操作性不強.

在具體的物理學科大概念方面，曹寶龍認為確定高中物理大概念的依據(jù)是課程標準，并認為物質、運動及相互作用、功及能量是高中物理的3個大概念.［5］周瑩從學科視角認識人類物質觀的形成和發(fā)展，結合課標要求，對基礎教育階段相關內(nèi)容梳理，篩選出了“物質大概念”，包括物質的“存在”“分類”“相互作用”“守恒”.［33］任虎虎提出大概念的獲取路徑包括“以課程標準為基準，以基本問題為引導，以高階思維為架構”.其中高階思維能力指問題解決能力、批判反思能力、創(chuàng)造性思維能力和溝通協(xié)作能力.［34］鄧靖武認為提煉和構建學科大概念可以從“基于學科視角、聚焦學科本質提煉學科大概念”“基于課程標準、依據(jù)學科教材確定學科大概念”“基于學生的發(fā)展需求構建次級大概念統(tǒng)攝下的單元知識層級結構”，并認為中學階段物理學科不同層次的大概念可以從以下3個方面把握：一是基于物理學科研究對象與基本問題來提煉；二是基于物理學科的研究方法來提煉；三是根據(jù)學科的課程目標與價值來提煉.［31］

綜上可知，對于大概念的提取及篩選，更多研究者都立足于物理課程標準及物理學科本質，再具體到不同物理觀念下的大概念的提煉，具有一定的理論深度，但在研究過程中，缺乏實證檢驗，即該篩選標準篩選出的物理大概念是否符合學生的認知發(fā)展，能否促進學生物理核心素養(yǎng)的發(fā)展，篩選標準的可操作性如何，標準構建是否經(jīng)過信、效度檢驗，這些問題還有待研究者更加深入的思考.

3 大概念與物理學科結合的實施策略

關于大概念與物理學科結合的實施策略大部分研究都貫穿于不同主題的教學設計，如單節(jié)課教學設計、逆向教學設計、單元教學設計等，部分研究與教材、實踐作業(yè)、學習進階及物理觀念相關，因而就有不同研究者基于物理學科大概念的落實提出了具體的實施路徑及教學策略.張玉峰認為大概念組織教學需要“第一，大量具體概念、規(guī)律、原理等具體內(nèi)容是在大概念統(tǒng)領下的，是相互關聯(lián)的內(nèi)容，這是組織結構化教學素材的基礎；第二，這些內(nèi)容是按照一定的邏輯線索組織起來的，是有意義的組織，而不是機械的組織；第三，組織起來的內(nèi)容在認知水平上具有由淺入深、由簡單到復雜的特點，具有一定的認知層級；第四，不管是在不同認知層級之間還是在某一個認知層級內(nèi)，教學素材是結構化的，而不是散亂地堆砌在一起.”［35］

任虎虎提出指向大概念的高中物理教學設計策略包括：① 基于逆向教學的單元整體設計，即強調“以終為始”，先確定單元預期的“大概念”，再確定合適的評估證據(jù)，最后才設計學習活動；② 基于基本問題的“1+X”問題群設計.基本問題是指那些突出學科“大概念”的，能夠鼓勵、啟發(fā)甚至是要求學生超越知識本身，幫助學生對所學知識達到更系統(tǒng)、更深入的理解的可遷移的問題；③ 基于核心任務的探究整合設計.核心任務是指在學科學習中最重要的行為表現(xiàn).真實的、挑戰(zhàn)性的核心任務能促進對大概念的理解和遷移.［29］

冉潔、陳克超、李家全在理論構建及教學實踐基礎上提出大概念視角下的中觀教學實施路徑：聚焦主題內(nèi)容體系→提煉主題學習目標→構建整體性學習流程→實施于評價.［36］曹寶龍用大概念促進高中物理觀念的形成與發(fā)展中提到，大概念的教學策略有：① 加強概念聯(lián)系，把概念“做大”；② 將新概念的學習融合于已有的概念體系；③ 要盡可能將概念拓展到一般性使用范圍；④ 用大概念視角解釋和解決問題；⑤ 注重概念與實際情境或實際問題的聯(lián)系；⑥ 合理設計課堂教學的物理觀念目標.［5］在指向深度學習的高中物理大概念教學策略中，任虎虎以“牛頓第一定律”教學為例，提出“從整體到局部，明確核心目標”“基于探究整合，促進概念轉變”“注重科學論證，達成意義理解”“設置挑戰(zhàn)任務，實現(xiàn)遷移應用”四個實施路徑實現(xiàn)高中物理大概念的教學.［3］

大多研究者提供的中學物理大概念教學策略都是基于經(jīng)驗的總結，缺少理論的支撐，比如“指向深度學習的高中物理大概念教學策略”，多數(shù)僅是通過案例，缺少學理性分析及實驗檢驗，研究不夠深入，所以在有關中學物理大概念的教學策略方面可以結合教育學基本原理、心理學、測量學等理論經(jīng)過更加深入的論證，并在實踐中檢驗將更有利于提升學生的物理觀念等相關素養(yǎng).

4 中學物理大概念研究反思及展望

通過對大概念與中學物理相結合的文獻梳理發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)研究聚焦于大概念在單元教學設計中的應用，而大概念具有高度的抽象性、中心性及可遷移性，可使知識凝煉、結構化，因而比較適合于單元教學設計中使用；梳理過程中，還發(fā)現(xiàn)大概念在促進學生物理觀念的形成中也起到比較重要的作用；同時與深度學習結合，不僅在教學深度上有所體現(xiàn)，在教學廣度上也有擴充，但是在研究過程中也存在以下問題.

（1）中學物理大概念實證研究較少.研究多為研究者的經(jīng)驗總結，并未經(jīng)過嚴格的邏輯思辨和實證檢驗，因而，可信度有待于進一步提高.

（2）有關中學物理大概念研究的廣度不夠.文獻大多集中于單元教學設計、物理觀念的形成，與深度學習結合的相關研究，其研究大多也局限于物理觀念形成，但關于物理觀念如何形成，如何測量物理觀念是否形成，至今是空白.

（3）中學物理大概念實施過程的評價研究欠缺.在文獻檢索過程中關于中學物理大概念教學實施過程如何評價呈缺失狀態(tài)，因而，就無從知道中學物理大概念研究的實施現(xiàn)狀及教學效果到底怎么樣？

通過上述反思，中學物理大概念研究應該進一步推向深入，比如在概念界定上，通過學理性分析，從詞源學、哲學、心理學及教育學等多角度界定物理學科大概念；結合物理學史、物理學科本質、物理核心素養(yǎng)、課程標準制定中學物理學科大概念的提煉標準，并通過實證研究驗證標準的信、效度.在研究方法上多采用實證研究，減少經(jīng)驗總結或理論指導下的思考與分析.在研究策略上，可以將研究視角從“教學策略”轉為“學習策略”；在教學評價方面，增加中學物理大概念教學的評價研究，結合結果評價、增值評價及綜合評價，構建多元的中學物理大概念教學評價體系；可以嘗試將深度學習理念作為縱軸，將大概念理念作為橫軸建構單元教學設計模型，拓寬中學物理大概念的研究范圍.