大概念统领的初中物理概念体系建构探索

收稿日期：2023-08-11

基金项目：昆明市教育科学研究“十四五”规划第一批一般课题“大概念统领的初中物理电学大单元教学研究”（JY2021038）；云南省教育科学规划项目“基于学习进阶的初中物理大单元设计与教学策略研究”（BE22107）。

作者简介：董振邦（１９６８-），男，正高级教师，云南省特级教师，主要从事中学物理教学研究。

摘   要：科学教育需要减负提质，大概念统领的初中物理概念体系建构有助于促进知识结构化，让学生学习“少而精”的知识；可以先按照知识、模型、方法三个层面提取大概念和次级大概念，再厘清概念的层级结构以及相互关联，建立大概念与具体概念间的联系，并尝试以初中物理电学为例探索大概念统领的概念体系建构。

关键词：大概念；概念体系；初中物理

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2024）3-0006-5

２０２３年５月教育部等十八部门联合印发《关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》（以下简称《意见》），系统部署在教育“双减”中做好科学教育加法，支撑服务一体化推进教育、科技、人才高质量发展。《义务教育课程方案（２０２２年版）》在修订原则中提出：进一步精选对学生终身发展有价值的课程内容，减负提质［１］。英国温·哈伦在《以大概念理念进行科学教育》一书中提到：“科学教育不应该传授给孩子支离破碎、脱离生活的抽象理论和事实，而是应当慎重选择一些重要的科学观念，用恰当、生动的方法，帮助孩子们建立一个完整的对世界的理解，初步形成科学态度，掌握科学方法，了解科学精神，构建一个人健康协调发展的基础。”［２］

《意见》的颁布将科学教育提升到了一个新的高度，再次强调了“减负提质”的要求，而新课程方案的修订原则与大概念理念的科学教育，也都强调了应该注重让学生学习“少而精”的知识，要着眼学生未来的发展。“少而精”的知识就需要将知识系统化、结构化。布鲁纳在《教学过程》一书中把“结构的重要性”提到首要位置，而学科的基本结构就是该学科的基本概念、基本原理、基本方法及其他之间的相互联系［３］。掌握结构，就是掌握事物的联系，掌握学科的整体。建构大概念统领的概念体系，有利于形成有层次的知识体系，是使课程内容结构化的有力抓手。

在科学教育领域，可以将一些重要的科学观念视为大概念，建立大概念统领的概念体系可以帮助孩子们从整体的视角理解问题，以系统的观念审视问题，是发现问题、分析问题、探索科学的重要基础，也是便于记忆、应用、举一反三、触类旁通的有力杠杆，不仅可以减轻学生的学习负担，有利于初高中衔接，也有助于学生核心素养的培养和未来的发展。

目前，结合教学实践，通过对调查问卷的数据统计和分析，我们发现学生感到电学较难学习的部分主要有：电路故障、电学概念、电学计算、动态电路。学生在处理稍微复杂问题或一些实际问题时，常常会出现分析方法欠缺、思维能力不足、迁移能力欠缺的情况。通过分析，可以发现学生在概念、规律方面的理解不深入，缺乏对科学本质的理解，没有将概念有机联系起来，所学知识碎片化，缺少系统性。因此，在学习过程中，教师应引导学生不断联系前后知识，在对知识进行建构性理解的基础上形成系统的知识体系，下面以初中物理电学内容为载体，阐述大概念统领的概念体系建构的一般过程。

１    大概念概述及提取

温·哈伦在《科学教育的原则和大概念》一书中将大概念定义为“能够用于解释或预测较大范围自然界现象的概念”，还指出科学大概念（ｂｉｇ ｉｄｅａｓ ｉｎ ｓｃｉｅｎｃｅ）不仅包含用于解释自然现象的那些理论、原理和模型，还应该包括有关获得这些理论、原理和模型的过程的大概念［４］。之后，克里斯提那·查莫斯在ＳＴＥＭ大概念中，将大概念分为内容大概念和过程大概念，内容大概念可以是概念、原理、理论、策略或者模型，过程大概念是与获取和有效使用知识有关的智慧技能，如控制变量、观察、解释等［５］。此外，陈克超等提出物理学科中的大概念不是具体的概念或规律、原理等，是能统摄大量概念的，反映物理本质的少数几个概念或思想和模型，对大量概念起着固定的联结作用，揭示概念间的纵横关系，使概念之间能顺利地进行有效迁移，并能应用于新情境，具有较为广泛的适用性和持久的解释力［６］。可见，大概念可以帮助我们站在更高的视角审视问题，有助于强化思维，连接不同的知识片段，建构知识体系。

以初中物理为例，依据大概念的相关理论对大概念进行提取并分类，如表１所示。结合新课标、教材以及教学实际，从知识、模型、方法三个层面选取五个大概念和部分次级大概念以统领初中物理内容。依据克里斯提那·查莫斯对大概念的分类，知识、模型类属于内容大概念，而方法类属于过程大概念。在知识、模型的获取和应用的过程中，离不开方法，两类大概念密不可分，相辅相成。具体来看，《义务教育物理课程标准（２０２２年版）》提到物理观念包括物质观念、运动和相互作用观念、能量观念等要素，因此可以将“物质”“运动与相互作用”“能量”视为知识类的内容大概念。而克里斯提那·查莫斯将“模型”归为内容大概念，将“控制变量法”归为过程大概念，因此“物理模型”“科学方法”也可视为大概念。需要注意的是，大概念有着丰富的内涵及其对应的概念体系，为了便于表达，我们采用短语“物质”“运动与相互作用”“能量”“物理模型”“科学方法”作为大概念的名称。针对初中物理电学内容，我们还可以确立物质的微观结构、能量的转化、理想物理模型、转换法等次级大概念。

２    初中电学概念层级结构

大概念的形成并不是一蹴而就的，而是通过与其相关的大量的具体概念慢慢建构而成，这些概念是连续且有层级的，因此，确定概念的层级结构以及建立具体概念与大概念的关联，有助于理清具体概念是以怎样的逻辑相互联系，理清哪些方面有助于大概念的理解，是帮助学生深入学习大概念统领的概念体系的基础性工作。

建立初中物理电学概念层级结构，首先可以先梳理电学具体概念，找到概念之间的关联，构成概念序列；再分析概念所存在的本质差异，这些本质差异使概念处于不同的“阶”，最后以图示的形式展现出概念的层级结构，如图１所示。在每个层级中涉及到不同的大概念，分析并确立大概念是如何在具体概念的学习中不断得以深化的。可以以微观和宏观相结合的视角，从基础概念建立到探究物理量之间的定量关系，最后从能量的视角去描述电学的概念，形成电学概念的4个“阶”，如表２所示。从电学的概念学习到生活应用，也是一种进阶，因此“生活用电”可视为第５阶。总的来说，前4阶主要是从科学概念的本体来划分的，而第5阶是从科学概念学习（学生的认知）的角度进行划分的，是学生从概念形成到概念应用的进阶发展。

３    建构大概念统领的电学概念体系

每个概念层级对应着不同的大概念，而大概念也在不同的概念层级结构中得以不断深化。下面针对几个重要大概念来建构电学概念体系。

3.1    “物质的微观结构”和“运动与相互作用”

始于静电现象，基于“物质的微观结构”和“运动与相互作用”两个大概念，让学生理解“电荷”及其相互作用，理解电流形成的微观机制，以及从微观和宏观结合的视角来理解影响电流的因素、理解电功的概念，这样便使学生在知识间建立起了更为紧密的联系，并且学会了运用微观和宏观相结合的学习视角，有利于知识的有效迁移，如图２所示。

具体来说，根据初中生的认知水平，基于物质的微观结构的教学可以让学生更好地理解物体的带电情况。其中，对于金属导体，首先让学生了解在金属导体中自由电子可以自由移动，其定向移动可以形成电流。电流产生原因可以从微观角度增进学生的理解，由于电源正极板带正电荷，负极板带负电荷，当导线将用电器和电源的正负极连接成一个闭合电路时，导线中的自由电子将在电场力作用下（初中阶段可以表述为“自由电子因电荷间的相互作用而受到力的作用”）由负极经导线和用电器向正极运动而形成电流，我们把这种迫使电荷做定向移动的本领称为电压；但自由电子在前进的路径上，要与原子以及正离子发生碰撞，使电子的运动受到阻碍，体现出导体对电流的阻碍作用，因此将此性质描述为电阻［７］；而电流做功的过程在微观上是粒子在力的作用下有规则运动的过程，做功过程产生的热量也是通过粒子间的碰撞实现的。

3.2    能   量

“能量”大概念，涵盖能量的形式、能量守恒、能量的转移或转化。在电路中，可以以“能量的转化”为主线将具体概念串联成知识体系，如图３所示，电流做功的过程伴随着能量的转化，电流做了多少功，就会消耗多少电能，并转化为其他形式的能量（内能、机械能、光能、化学能……），而能量总量保持不变，转化成的内能对外表现为电热，同时在能量转化的过程中往往伴随着效率问题。以能量的转化为主线，厘清电功、电功率、电能、电热、效率等概念，让学生在学习的过程中理清概念的来龙去脉以及概念之间的关联，深化对“能量”大概念的理解，有利于知识的系统性建构与有效迁移。

3.3    物理模型

结合初中物理的学科特点和学生的认知水平，可将物理模型作为一个大概念，其内涵表现为：物理模型是以各自原型为背景抽象出来的，反映特定问题或特定具体事物的结构。在研究问题时，通过建立物理模型帮助人们提出问题、解释问题、进行预测，和他人进行思想交流，并通过与在真实世界里发现的现象进行对比的迭代过程来发展模型［８］。

物理模型可以分为模拟式物理模型和理想物理模型。在电路学习中，电路图（模拟式物理模型）或电路模型（理想物理模型）都可以视为物理模型，我们可以借助电路图或电路模型去分析问题和解释现象。初中物理阶段，大多数情况是使用已有的模型，在这些电路模型中，电路元件通常视为理想元件，如理想电源、理想导线、理想电压表和理想电流表，以此进行电路分析。但当某些实际情况发生变化时，例如，电路中电压表并联部分断路，使电压表直接连入电路，此时电压表不能视为断路，而应该相当于一个较大电阻。因此，在遇到电路故障问题时，需要对电压表理想模型进行修正，进而能够更好地解释和预测现象。此外，也需要根据实际情况建立电路模型。例如，在进行调光灯电路设计过程中，可以将小灯泡建模为纯电阻，将金属外壳建模为理想导线，通过建立满足设计要求的电路模型进行分析，并在实践中进行检验，根据实际情况对模型进行修正。

3.4    科学方法

科学方法可以包括学科方法和思维方法［９］，常常可以作为联结知识的纽带，其中，转换法是常见的一种物理方法。转换法是在遇到不易观察的现象或不易测量的物理量时所采用的一种方法，可以应用在实验和计算中，如图４所示。

例如，在探究“电阻的大小与哪些因素有关” 实验过程中，可以将电阻大小转换成电流表的示数或小灯泡的亮度，这是基于对电阻概念的理解将电阻与电流或小灯泡的亮度联系了起来；而在物理量的测量或计算中，要抓住电流Ｉ、电压Ｕ、电阻Ｒ三个物理量，运用欧姆定律和电路特点建立物理量间的联系，其中欧姆定律是针对同一研究对象的不同物理量（电流、电压和电阻）之间的关系，而电路特点是针对某一物理量（电流、电压或电阻）在系统内各部分之间的关系。此外，物理量电功Ｗ、电功率Ｐ、热量Ｑ，也能和电流Ｉ、电压Ｕ、电阻Ｒ建立起联系。当电流Ｉ、电压Ｕ、电阻Ｒ中某一物理量不易测量或在计算中缺失时，可以通过欧姆定律和电路特点实现物理量的转换，并能运用到电功Ｗ、电功率Ｐ、热量Ｑ的计算中。通过转换法这一大概念［１０］，可以帮助学生建立物理量之间的联系、物理量与实际情境的关系，使学生学会灵活处理相关的实验和计算问题，克服困难，发展学生的思维能力。

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图4  转换法图示