基于大概念的初中物理认知结构教学

［摘要］ 开展指向核心素养的教学，要以完善认知结构为抓手，以大概念为引导，促进学生认知结构的完善。大概念所发挥的作用在于引领，即教师在提炼出本节内容的大概念之后，让学生围绕大概念生成更多的小概念，于是大、小概念之间就可以形成有机的联系，促进学生认知结构的生成与完善。本文以人教版初中物理“分子热运动”教学为例，从宏观现象与微观解释两个层面出发，尝试建立物理现象与物理知识之间的联系，从而使学生的认知表现出基本的、与初中学生认知特点相匹配的“物理现象—物理知识”结构。

［关键词］ 初中物理；大概念；认知结构；知识建构

过往，由于客观存在的应试压力，初中物理教学往往囿于知识讲授与运用而难以达到更高阶的层次。《义务教育物理课程标准（2022年版）》

（以下简称“新课标”）的颁布，使得进入课改深水区的初中物理教学，在物理学科核心素养的引导下驶上了学科教学高质量发展的“快车道”。同时，广大初中物理教师也应当认识到，物理学科核心素养的发展不能完全脱离知识本身，只有在知识建构的过程中让学生完善自己的认知结构，物理学科核心素养才能真正落地生根。

一般认为，传统的初中物理教学重知识的灌输而轻认知结构的完善。根据新课标，教师开展初中物理教学的起点应当锁定在认知结构之上。由此可见，初中物理教学的基本任务之一就是让学生形成物理知识的结构化体系，掌握学习物理的科学方法，提高处理实际问题的能力。要想打破传统初中物理教学的窠臼，就要有相应的理论作为引导。通过研究发现，大概念可以给初中物理教学带来新的方向和路径，让物理教学在大概念的引导之下，促进学生认知结构的生成与完善，从而促进学生物理学科核心素养的培育。

下面，以人教版初中物理九年级全册第十三章“内能”第一节“分子热运动”教学为例，探讨基于大概念的初中物理认知结构教学。

一、提取大概念，确定教学目标

以课时为单位的章节教学反映了传统教学的线性思维，其背后是教材所呈现的物理知识逻辑。学习心理学的相关理论表明，学科知识内在的逻辑体系与学生的认知特点并不是完全对应的，尤其是当学科知识基于自身的结构而呈现出相应的表现顺序时，学生的思维是否围绕这一逻辑而展开，则有待商榷。

以“分子热运动”为例，通过分析学情发现，大部分学生对分子、原子概念的认识相对不足，有些学生虽然在生活中的某些场合听说过分子或原子的概念，但这些相对于“分子热运动”知识建构的要求仍然显得微不足道。因此，在帮助学生学习这一知识时，教师要从宏观现象与微观解释两个层面，来帮助学生建立物理现象与物理知识之间的联系，从而让学生的认知表现出基本的、与初中阶段学生认知特点相匹配的“物理现象—物理知识”结构。基于这一思路，首先需要提取本课的大概念。

研究教材发现，教材依次给出的知识点有“物质的构成”“分子热运动”“分子间的作用力”等。其中，“物质的构成”主要讲的是分子（原子）及其大小，“分子热运动”主要讲的是扩散现象及一切物质的分子都在不停地做无规则的运动（热运动的定义），“分子间的作用力”主要讲的是分子间存在的引力和斥力。这样的编写思路，其实已经反映出“分子热运动”这部分知识的要点，教师对于教学顺序的安排也就有了依据。那么，学生在学习“分子热运动”时，具体的思维过程应该是怎样的呢？是否一定要按教材的顺序逐步建构知识呢？过往大量的教学经验表明，结果往往是否定的，这也就意味着，初中物理教师要想促进学生认知结构的生成与完善，就要在教材的基础上，针对学生的认知特点对教学进行优化。此时，运用大概念理论，就可以获得新的

启发。

对于大概念引领下的教学，通常认为科学大概念是基于科学事实基础的，同时又超越科学事实的，将科学方法、科学思想、科学观念抽象概括并用语言表达出来的观念性认识。据此，“分子热运动”中最为明显的概念是“分子”和“热运动”，前者初中学生不太熟悉，而后者则更加陌生，所以这一概念并不适合作为大概念。如果将这一概念简化一下，变成“分子运动”，适当削弱物理专业的意味，而更多地体现生活意味，如此，学生理解起来就更为顺利。此时，学生可以凭借大脑中已有的“分子”概念，再叠加前面所学的“运动”知识，帮助自己加深对本节知识的认识。这一认识不一定符合严格物理意义上“热运动”的概念。在学生学完本章知识，形成认知结构之后，可以由“运动”转换为“热运动”，这一过程看似“走了弯路”，实际上更加符合初中生的认知发展水平，因而不会影响学生的学习效率及效果。教学实践也表明，以“分子运动”作为大概念来引导学生学习本章知识，还可以让学生直接形成一定的想象，即在大脑中通过想象构建与“分子的运动”相关的图景。这些内容在后续的学习过程中无论是被证实还是被证伪，对学生来说都是一手的、宝贵的学习资源，可以帮助学生从认知的不平衡走向认知的平衡。

二、规划学习路径，促进知识建构

大概念统摄下的初中物理教学，是实现有效学习、落实学科核心素养培育的重要途径。提炼学科大概念可从以下三个维度入手：基于学科视角，聚焦学科本质；基于课程标准，依据学科教材；基于学生发展需求。按照这一要求，可以发现对于“分子热运动”的教学来说，相应的学习途径应当是让学生在分析、概括分子热运动宏观现象的基础上，寻找相应的微观解释，并在此过程中尝试将宏观现象与微观解释对应起来。

这样的教学思路可以帮助学生形成相应的物理观念，培养科学思维。而且，在现象分析与原因解释的过程中，学生具身体验科学探究的过程，可以让自身的认知结构更加完善。整个过程中，大概念所发挥的作用是引领，即大概念并非直接告诉学生答案，而是引导学生围绕大概念去生成更多的小概念。于此，大、小概念之间形成有机的联系，让学生逐渐理解相对抽象的物理学知识，最终建立并完善本节内容的认知结构。可以说，概念之间的联系越紧密，认知结构也就越完善。

通过大概念完善学生的认知结构，主要任务就是借助“分子的运动”，帮助学生初步认识“分子动理论”。初中阶段对这一概念并不做特别要求，但要想深入理解“分子热运动”的内涵，实际上就需要“分子动理论”的内容作为铺垫。此时，学生已经明确了本节课的学习任务就是理解“分子的运动”，因而在这一大概念的引领下，相应的学习活动就可以围绕“物质是由大量分子构成的”“一切物质的分子都在不停地做无规则的运动”“分子之间存在引力和斥力”这类小概念来进行。如此，宏观现象与微观解释之间的对应关系也在学生对于小概念的认识与理解中逐渐建立，并成为完善学生认知结构的“助推器”。

三、落实大概念教学各环节活动

明晰了教学思路后，教师要对大概念教学的各个环节及其活动进行梳理。对于“物质是由大量分子构成的”这一认识，主要是从“小”这一角度来切入。教师可以引导学生先复习长度单位，帮助学生进一步认清宏观世界里“米”“厘米”等单位的大小，然后将之与分子直径的数量级10-10米进行比较，学生就可以对分子的大小形成初步认识。在此基础上，教师引导学生借助与宏观世界的相同比例关系的两个物体，如地球与乒乓球的比较，从而对分子的大小做出较为准确的判断，再经过简单的逻辑推理，可以形成“物质是由大量分子构成的”这一认识，并且明确即使小如生活中的一粒灰尘，也是由大量分子组成的。

对于“一切物质的分子都在不停地做无规则的运动”这一认识，教学中的主要挑战在于让学生认识到“分子在运动”“不停地做无规则运动”。从学生思维的角度来看，这两个认识的形成具有进阶特征，教师可以将教学的重点放在前一个层面。具体而言，首先，教师将教材中所展示的扩散实验演示给学生看，同时让学生自己去寻找原因。此时，学生可能会做出多种猜想，但最终的指向一定是“分子在运动”。而且，一些实验题目当中也经常出现“哪种液体或气体应该放在上面”之类的问题。通过将这些题目与本课所学内容有机结合，学生很容易就能想到，无论是哪种气体或液体放在上面，只要最终气体是均匀混合的，就可以说明分子在运动。然后，教师可以联系物理学发展史，向学生投影物理学史上分子被发现的微视频，在激发学生学习兴趣的同时，让学生大脑中的认知结构更加符合认知发展逻辑。最后，对于“不停地”和“无规则”运动的概念，可以借助问题来调动学生的思维：物质的扩散是因为我们做实验才有的吗？生活中还有其他扩散现象吗？分子的运动有章可循吗？问题链的提出可以锻炼学生的多元思维，进一步完善学生的认知结构。

对于“分子之间存在引力和斥力”，教师要认识到这是本节内容教学中的一大教学难点。为此，教师可以借助交互式电子白板等先进技术的加持，演示“铅柱紧压后结合起来”实验，可以让学生认识到“分子之间存在引力”。当课堂教学推进到中后段，学生已经建立起对本节内容的初步认知后，生活中的一些同类现象又会让学生对所学内容产生质疑，如“两只手紧压在一起怎么没有结合在一起”之类的问题，这就是我们常说的课堂教学“预设与生成”之间的差异，考验着教师的解释能力。同样，当“分子之间存在斥力”这一结论呈现在学生面前时，学生又会提出“一个人的两只手是不是永远无法接触”之类的问题，需要教师结合分子之间相互作用力的产生条件做出合理的解释。

四、教学总结与反思

“分子热运动”这一节内容在整个初中物理知识体系当中相对来说并不是重点，但无论是从学生科学素养培养的角度来说，还是从物理学科核心素养培育的角度来说，都不能忽视其重要性。由于这一节内容涉及的概念和规律相对较多，宏观现象与微观解释之间的对应并不是线性的，因此传统的教学方式配上相当数量的练习题，往往很难让学生形成完整的认知结构，最多只是零散的物理知识与相关习题之间的有限关联。显然，这样的教学效果无助于完善学生的认知结构，也无益于培育学生的物理学科核心素养。

综上，反思“分子热运动”的教学实践，认知结构化有助于疑难问题的解决和思维品质的提升。作为初中物理教师，基于核心素养进行教学，要以学生认知结构的完善作为出发点和落脚点，要以大概念作为促进学生认知结构生成与完善的“助推器”。这样，才能保证知识在学生的学习过程中真正得到建构。基于大概念的初中物理认知结构教学可以帮助学生提升物理学习品质，让学生认识到物理学科的学习不只在于记住一些概念或规律，还要在自己的大脑中形成概念、规律和实例之间高度关联的网络，真正培育物理学科核心素养。

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