摘 要：物理觀念不僅是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分，還承載著聯(lián)系核心素養(yǎng)其他要素的功能.“教學(xué)單元”中重要概念、基礎(chǔ)概念之間的關(guān)聯(lián)方式上達(dá)物理觀念的理解，下承學(xué)習(xí)路徑設(shè)計(jì).不同類型“教學(xué)單元”的關(guān)聯(lián)方式研究，是中觀教學(xué)設(shè)計(jì)的核心.

關(guān)鍵詞：物理觀念；中觀教學(xué)設(shè)計(jì)；關(guān)聯(lián)方式

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)修訂稿》中，對(duì)物理觀念界定如下：“物理觀念是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分，是從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)；是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉和升華；是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ).”在上述界定中，“物質(zhì)”“運(yùn)動(dòng)與相互作用”“能量”等是物理學(xué)的核心概念，因此，物理觀念實(shí)質(zhì)是對(duì)核心概念的總觀性認(rèn)識(shí)，而總觀性認(rèn)識(shí)的形成和發(fā)展不是知識(shí)與技能的累積，而是知識(shí)與技能、物理思維、物理方法在綜合應(yīng)用中由淺入深、由表及里地逐級(jí)凝煉和升華，從這個(gè)意義講，物理觀念不僅是物理核心素養(yǎng)的重要組成部分，還承載著聯(lián)系核心素養(yǎng)其他要素的功能.這樣，基于物理觀念的形成和發(fā)展的教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)踐，便成為高中物理教學(xué)研究的重要課題.

一、基于物理觀念形成和發(fā)展的中觀教學(xué)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵和策略

（一）中觀教學(xué)設(shè)計(jì)的內(nèi)涵

關(guān)于教學(xué)設(shè)計(jì)，一般有三種類型：一是指向課時(shí)的微觀教學(xué)設(shè)計(jì)，二是指向課程的宏觀教學(xué)設(shè)計(jì)，三是介于二者之間而指向“教學(xué)單元”的中觀教學(xué)設(shè)計(jì)，其中“教學(xué)單元”既可以是教材單元、專題，也可以是跨單元、跨學(xué)段的學(xué)習(xí)主題.中觀教學(xué)設(shè)計(jì)的價(jià)值取向不是追求每個(gè)課時(shí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而是從中觀視角統(tǒng)籌規(guī)劃“教學(xué)單元”的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)過程.但在物理教學(xué)中，中觀教學(xué)設(shè)計(jì)更多體現(xiàn)的是一種理念，而很少應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，原因是缺乏中觀層面上重要概念、基礎(chǔ)概念關(guān)聯(lián)方式構(gòu)建方面的研究.

（二）基于物理觀念形成和發(fā)展的中觀教學(xué)設(shè)計(jì)

基于物理觀念形成和發(fā)展的中觀教學(xué)設(shè)計(jì)，是指以“教學(xué)單元”蘊(yùn)含的物理觀念及其學(xué)習(xí)進(jìn)階作為組織架構(gòu)模型，系統(tǒng)構(gòu)建其中重要概念、基礎(chǔ)概念的關(guān)聯(lián)方式，統(tǒng)籌規(guī)劃“教學(xué)單元”學(xué)習(xí)路徑和學(xué)習(xí)方式的一種教學(xué)實(shí)踐.在中觀教學(xué)設(shè)計(jì)中，“教學(xué)單元”中重要概念、基礎(chǔ)概念的關(guān)聯(lián)方式的構(gòu)建居于核心地位，它上達(dá)物理觀念的理解，下承學(xué)習(xí)路徑設(shè)計(jì).為此，我們對(duì)幾種常見類型“教學(xué)單元”中重要概念、基礎(chǔ)概念的關(guān)聯(lián)方式進(jìn)行研究，期望探討出中觀層面上的學(xué)習(xí)路徑、學(xué)習(xí)方式的設(shè)計(jì)策略.

1.基于建模思想的中觀教學(xué)設(shè)計(jì)

吉爾伯特認(rèn)為：科學(xué)本身是建模的過程，而學(xué)習(xí)科學(xué)是學(xué)生學(xué)習(xí)建模的過程.[1]建模教學(xué)的核心是通過創(chuàng)建模型或修正模型來描述自然現(xiàn)象，并最終理解自然現(xiàn)象.[2]建模歷程是個(gè)循環(huán)往復(fù)、不斷修正模型的過程[3]，因此，建模教學(xué)設(shè)計(jì)最好基于中觀層面系統(tǒng)規(guī)劃“教學(xué)單元”的建?；顒?dòng)，把物理觀念的形成和發(fā)展統(tǒng)整到模型建立、模型應(yīng)用這條主線上，相應(yīng)關(guān)聯(lián)方式的設(shè)計(jì)可從兩個(gè)方面展開：一是整個(gè)單元教學(xué)活動(dòng)圍繞某個(gè)模型的建立、應(yīng)用而展開；二是基于建模思想的橫向關(guān)聯(lián)，即整個(gè)單元聚焦于幾個(gè)模型的建構(gòu)與應(yīng)用.

2.基于問題解決的中觀教學(xué)設(shè)計(jì)

物理觀念是物理思維的產(chǎn)物，其形成和發(fā)展與問題解決緊密聯(lián)系.正因如此，新的課程標(biāo)準(zhǔn)明確提出通過問題解決促進(jìn)物理核心素養(yǎng)的達(dá)成.

問題解決類“教學(xué)單元”的關(guān)聯(lián)方式設(shè)計(jì)，一般基于外在和內(nèi)在關(guān)聯(lián)方式兩個(gè)層面：在外在關(guān)聯(lián)方式設(shè)計(jì)上，力求以真實(shí)性的問題作為學(xué)習(xí)主題，具體課時(shí)則對(duì)應(yīng)于問題解決的不同層面；在內(nèi)在關(guān)聯(lián)方式設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)規(guī)劃物理概念、物理規(guī)律建立方式、理解路徑，構(gòu)建一個(gè)連貫性、整體性的學(xué)習(xí)過程.例如，對(duì)于“運(yùn)動(dòng)的描述”單元，對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)觀的核心內(nèi)容是：“物體速度是位移的一階導(dǎo)數(shù)，加速度是位移的二階導(dǎo)數(shù).” [4] 在中學(xué)物理中，其基本理解為速度是位置對(duì)時(shí)間的變化率，加速度是速度對(duì)時(shí)間的變化率.基本觀念的形成和發(fā)展途徑既可單純從“數(shù)”的角度建立，也可以基于“數(shù)形”結(jié)合來建立.在人教版教材中，總體編寫思想是基于問題解決建立基本觀念，具體方式是從“數(shù)”的角度研究小鳥、人、汽車、地球等物體的運(yùn)動(dòng)情況，同時(shí)，單純從“數(shù)”的角度構(gòu)建基本觀念的形成和發(fā)展通道.基于問題解決的中觀教學(xué)設(shè)計(jì)思考，我們?cè)谕庠陉P(guān)聯(lián)方式上，將教材原來零散研究對(duì)象重構(gòu)為汽車運(yùn)動(dòng)這一真實(shí)性的學(xué)習(xí)主題，而具體課時(shí)則對(duì)應(yīng)于汽車運(yùn)動(dòng)的描述、汽車運(yùn)動(dòng)位置的變化、位置變化快慢和汽車啟動(dòng)、剎車快慢不同層面上的物理量建立；在內(nèi)在關(guān)聯(lián)方式上，從兩個(gè)層面上設(shè)計(jì)進(jìn)階路徑：一是以位移矢量性為進(jìn)階起點(diǎn)，系統(tǒng)規(guī)劃速度、加速度的矢量性學(xué)習(xí)路徑；二是以勻速直線運(yùn)動(dòng)速度建立為進(jìn)階起點(diǎn)，基于數(shù)形結(jié)合方式系統(tǒng)規(guī)劃平均速度、瞬時(shí)速度以及加速度建立方式和學(xué)習(xí)路徑，具體方式見文獻(xiàn).[5]

3.基于“先行組織者”的中觀教學(xué)設(shè)計(jì)

“先行組織者”是指先于學(xué)習(xí)任務(wù)本身呈現(xiàn)的一種引導(dǎo)性材料，它比學(xué)習(xí)任務(wù)本身有更高的抽象、概括和綜合水平，并且能清晰地與認(rèn)知結(jié)構(gòu)中原有的觀念和新的學(xué)習(xí)任務(wù)關(guān)聯(lián).設(shè)計(jì)“先行組織者”的目的是為新的學(xué)習(xí)任務(wù)提供觀念上的固定點(diǎn)，增加新舊知識(shí)之間的可辨別性，以促進(jìn)類屬性的學(xué)習(xí).[6]顯然，基于“先行組織者”的中觀教學(xué)設(shè)計(jì)能有效促進(jìn)物理觀念的形成和發(fā)展.

例如，在人教版“機(jī)械能及其守恒定律”單元，其章首內(nèi)容“追尋守恒量 能量”明確了單元知識(shí)、方法和能量觀念之間的聯(lián)系，是典型的“先行組織者”.對(duì)此，應(yīng)充分發(fā)揮章首內(nèi)容對(duì)于其他課時(shí)教學(xué)設(shè)計(jì)的先行組織功能，具體方式是基于章首內(nèi)容中的伽利略理想實(shí)驗(yàn)及其拓展模型為學(xué)習(xí)主題，探討重力勢(shì)能變化為何對(duì)應(yīng)于重力做功？動(dòng)能變化為何對(duì)應(yīng)于合力做功？機(jī)械能守恒為何對(duì)應(yīng)于只有重力做功等問題，從而構(gòu)建起綜述性學(xué)習(xí)內(nèi)容與具體課時(shí)之間的聯(lián)系通道和整體化的學(xué)習(xí)路徑，促進(jìn)和發(fā)展能量觀念，具體內(nèi)容參見文獻(xiàn).[7]

4.基于科學(xué)探究一致性的中觀教學(xué)設(shè)計(jì)

科學(xué)探究是核心素養(yǎng)的重要組成部分.本體論意義上的科學(xué)探究是指由科學(xué)思維和科學(xué)方法統(tǒng)整的探索性活動(dòng)，教學(xué)論上的科學(xué)探究則是指學(xué)生在科學(xué)知識(shí)與科學(xué)過程和科學(xué)方法的相互作用過程中，發(fā)展思維、體會(huì)方法、形成和發(fā)展科學(xué)觀念、提高科學(xué)素養(yǎng).從這個(gè)意義上講，科學(xué)探究不僅是核心素養(yǎng)的重要組成部分，還是提升物理核心素養(yǎng)的重要途徑.

基于科學(xué)探究的教學(xué)設(shè)計(jì)，倡導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)探究的方法、用探究的方法學(xué)習(xí).為此，需要教師關(guān)注如何構(gòu)建物理科學(xué)方法、物理思維與物理知識(shí)一致性整體化的內(nèi)容體系，關(guān)注體會(huì)科學(xué)方法、提升物理思維與形成和發(fā)展物理觀念一致性的學(xué)習(xí)路徑、學(xué)習(xí)方式，我們姑且稱之為基于科學(xué)探究一致性的中觀教學(xué)設(shè)計(jì).例如，在人教版教材中，電場(chǎng)強(qiáng)度概念的建立是基于隱性的理想實(shí)驗(yàn)方法，而諸如磁感應(yīng)強(qiáng)度、電容、電動(dòng)勢(shì)等眾多比值類概念均可運(yùn)用類似的理想實(shí)驗(yàn)方法建立.這樣，在學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃上，可以在顯化電場(chǎng)強(qiáng)度建立中的理想實(shí)驗(yàn)方法基礎(chǔ)上，將其遷移至其他概念建立方式上，從而構(gòu)建起科學(xué)方法、科學(xué)知識(shí)一致性的內(nèi)容體系和學(xué)習(xí)路徑，具體方式參見文獻(xiàn).[8]

當(dāng)然，由于教材單元的聯(lián)系方式往往兼具多種特征，造成設(shè)計(jì)者的聯(lián)系視角取向不同，其設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)路徑也有所不同.事實(shí)上，正因如此，才使得中觀教學(xué)設(shè)計(jì)研究更豐富多彩.

二、中觀教學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)踐——以建模教學(xué)的中觀教學(xué)設(shè)計(jì)為例

在“萬有引力與航天”單元中，關(guān)于天體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)觀、作用觀形成和發(fā)展，實(shí)質(zhì)上對(duì)應(yīng)于天體運(yùn)動(dòng)模型、作用模型的“選擇、建構(gòu)、驗(yàn)證、分析和應(yīng)用”過程，由于篇幅所限，本文僅就行星運(yùn)動(dòng)模型、作用模型的建立進(jìn)行探討.

（一） “行星的運(yùn)動(dòng)”的學(xué)習(xí)路徑設(shè)計(jì)

1.觀念與地心說、日心說模型的建立

在科學(xué)史上，行星運(yùn)動(dòng)模型先后經(jīng)歷了地心說模型、哥白尼的日心說模型以及開普勒行星運(yùn)動(dòng)模型三個(gè)歷史階段.

作為世界上第一個(gè)行星運(yùn)動(dòng)模型的地心說模型，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的演變、發(fā)展歷程，體現(xiàn)出了典型的“模型選擇、模型建構(gòu)、模型驗(yàn)證、模型分析、模型應(yīng)用”的建模特征，其中蘊(yùn)含的科學(xué)研究思想深刻影響著哥白尼的日心說模型、開普勒行星運(yùn)動(dòng)模型的建立.事實(shí)上，開普勒行星運(yùn)動(dòng)模型正是在地心說模型、哥白尼的日心說模型不斷修正、拒絕的建模循環(huán)中建立起來的.因此，基于建模教學(xué)理論規(guī)劃“行星的運(yùn)動(dòng)”學(xué)習(xí)路徑時(shí)，應(yīng)把地心說、日心說模型與開普勒行星運(yùn)動(dòng)模型的建立有機(jī)聯(lián)系起來.為此，建議按建模教學(xué)環(huán)節(jié)重組教材“科學(xué)足跡”欄目的內(nèi)容體系，構(gòu)建供學(xué)生課前自主學(xué)習(xí)的素材，引導(dǎo)學(xué)生體會(huì)觀念在地心說模型、日心說模型建立、修正、拒絕和重構(gòu)過程中的作用.

2.開普勒行星運(yùn)動(dòng)軌道模型的建立

（1）開普勒的第一次宇宙奧秘探索

【觀念與模型選擇】畢達(dá)哥拉斯的宇宙和諧觀，構(gòu)建宇宙的五個(gè)正多面體與地球的疊代模型.此模型雖然是錯(cuò)誤的，但其創(chuàng)造性的想象力卻引起了第谷的注意，并邀請(qǐng)開普勒一起工作，于是，科學(xué)史上最完美的組合誕生了.

（2）開普勒的第二次宇宙奧秘探索

【模型拒絕與修正】開普勒認(rèn)為，行星軌道是真實(shí)的，而真實(shí)軌道描述不應(yīng)該用圓周的組合，為此，開普勒拒絕了“本輪—均輪”模型，嘗試用一個(gè)偏心輪和一個(gè)等距輪的組合描述火星運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過七十余次試驗(yàn)，仍然沒有解決日心說模型存在的問題，第二次宇宙探索失敗.

（3）圓周軌道模型的拒絕與橢圓軌道模型的建立

【模型建構(gòu)】開普勒?qǐng)?jiān)信第谷測(cè)量的準(zhǔn)確性，并把以往模型失敗的根源歸結(jié)為“正圓”觀念，于是，他拋棄“正圓”觀念，轉(zhuǎn)而用第谷的觀測(cè)數(shù)據(jù)去確定行星的運(yùn)動(dòng)軌道，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的探索，最終用橢圓軌道替代圓周軌道.

3.開普勒第二定律的建立

【事實(shí)】開普勒發(fā)現(xiàn)，火星在近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)的矢徑在相等時(shí)間里掃過的面積相等.

【觀念與模型選擇】基于畢達(dá)哥拉斯的宇宙和諧觀、托勒密倡導(dǎo)的“簡(jiǎn)單性原則”的認(rèn)識(shí)觀.開普勒認(rèn)為如此簡(jiǎn)單、美妙的關(guān)系應(yīng)該適用于火星軌道上的任一部分，也適用于其他行星.于是，開普勒又拋棄了勻速這個(gè)傳統(tǒng)觀念，并基于事實(shí)和外推方法建立開普勒第二定律.

4.開普勒第三定律的建立

【活動(dòng)1】呈現(xiàn)太陽系幾大行星圍繞太陽做橢圓運(yùn)動(dòng)的半長(zhǎng)軸a和周期T，探究二者之間的關(guān)系.

【活動(dòng)2】月球、同步衛(wèi)星繞地球做圓周運(yùn)動(dòng)，其半徑分別為0.424×105km、3.844×105km，對(duì)應(yīng)周期分別為1d、27d，試探究二者之間的關(guān)系.

（二）“太陽與行星間的引力”的學(xué)習(xí)路徑設(shè)計(jì)

開普勒突破了正圓、勻速兩大傳統(tǒng)觀念束縛，是天文學(xué)史上一次重大思想解放，但在研究太陽與行星間引力作用時(shí)，為何又基于勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型？為何能不考慮行星的巨大體積？在科學(xué)史上，這兩個(gè)問題一直困繞著胡克等物理學(xué)家，而牛頓正是突破了上述難點(diǎn)才建立起太陽與行星間的引力作用模型，并進(jìn)而發(fā)現(xiàn)萬有引力定律.這樣，在“太陽與行星間的引力”的學(xué)習(xí)路徑設(shè)計(jì)中，毫無疑問需要體現(xiàn)模型的建立過程.此外，教材對(duì)于行星與太陽間引力F∝M的建構(gòu)是基于作用力與反作用力的對(duì)稱觀，從教學(xué)邏輯上考慮，它需要進(jìn)一步地完善.為此，本專題的學(xué)習(xí)路徑可設(shè)計(jì)為“太陽與行星作用模型中勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型的建立→質(zhì)點(diǎn)模型的建立→太陽對(duì)行星作用的數(shù)學(xué)模型F=4[π2kmr2]建立→行星對(duì)太陽作用的數(shù)學(xué)模型F∝M的建立→歸納出太陽與行星作用的數(shù)學(xué)模型”.

1.太陽與行星作用模型中勻速圓周運(yùn)動(dòng)模型的建立

【活動(dòng)1】在太陽系幾大行星中，水星的偏心率最大，其半長(zhǎng)軸和半短軸分別為57.9×106km、56.7×106km，試用word按比例準(zhǔn)確畫出其運(yùn)動(dòng)軌跡.畫圖建議：先用word畫半長(zhǎng)軸為5.79cm、半短軸為5.67cm橢圓，再畫半徑為5.79cm的圓，然后把二者重疊.

問題1：根據(jù)上面繪圖情況，比較圓周與橢圓軌道，你認(rèn)為在研究某一位置的運(yùn)動(dòng)與力關(guān)系時(shí)，能將其運(yùn)動(dòng)軌跡抽象成圓周嗎？

問題2：行星繞太陽運(yùn)動(dòng)能近似看成是勻速圓周運(yùn)動(dòng)嗎？嘗試依據(jù)開普勒第二定律加以說明.

2.行星運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)模型建立

【活動(dòng)2】已知地球到太陽中心的距離約為r=1.5×108km，地球直徑為R1=1.3×104km，太陽直徑為R2=1.4×106km.試在圖1所示的方格紙中心及圓形軌道上按比例分別畫出太陽、地球，并說明能否把行星、太陽抽象成質(zhì)點(diǎn)？（注：圖中方格紙的20個(gè)小格對(duì)應(yīng)于圓形軌道的直徑，太陽、地球直徑分別是1格邊長(zhǎng)的[110]、[11100]）

通過上述兩個(gè)以作圖為主要探究活動(dòng)，建立起行星運(yùn)動(dòng)模型——質(zhì)點(diǎn)系圓周運(yùn)動(dòng)模型.

3.太陽對(duì)行星引力大小、方向模型的建立（見教材，略）

4.行星對(duì)太陽引力大小模型的建立

【活動(dòng)1】探究性學(xué)習(xí)樣例的建立

為引導(dǎo)學(xué)生探究F與M間的關(guān)系，在演繹推理的基礎(chǔ)上，再運(yùn)用理想實(shí)驗(yàn)探究F與m間的關(guān)系，以構(gòu)建起探究F與M間關(guān)系的學(xué)習(xí)樣例.具體維流程為：“以行星m為研究對(duì)象→控制變量：保持M、r不變→思維性操作：把行星等分為質(zhì)量為m/2小行星，則每顆小行星所受引力為F/2→‘實(shí)驗(yàn)結(jié)論：F∝m”，其直觀性思維操作方式見圖2.

【活動(dòng)2】F與M間關(guān)系的探究

仿照上面方法，探究F與M間的關(guān)系.

基于上面樣例，引導(dǎo)學(xué)生按“以行星m為研究對(duì)象→控制變量：保持m、r不變→思維性操作：設(shè)想把太陽一分為二，每部分質(zhì)量為M/2，則每質(zhì)量為M/2的‘半個(gè)太陽對(duì)行星的引力為F/2→‘實(shí)驗(yàn)‘結(jié)論：F∝M”流程進(jìn)行探究，直觀性思維操作方式見圖3.

6.模型拓展

考慮整體性學(xué)習(xí)路徑規(guī)劃，還應(yīng)按下述方式進(jìn)行模型拓展，以便建立太陽與行星作用模型與“月地檢驗(yàn)”間的聯(lián)系.

問題：月球、人造衛(wèi)星圍繞地球做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，你認(rèn)為地球與它們之間的引力是否遵循F=G[Mmr2]？

需要說明的是，雖然指向物理觀念形成和發(fā)展的中觀教學(xué)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)核心素養(yǎng)達(dá)成的很好的途徑，但是面臨的困難也是顯而易見的，就是物理觀念內(nèi)涵在教學(xué)實(shí)踐層面上的解讀問題，盡管一些文獻(xiàn)闡述了對(duì)物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、相互作用觀、能量觀，但與中學(xué)物理實(shí)踐的關(guān)聯(lián)性并不大，從而給單元觀念的歸納帶來很大的困難，迫切需要專家作進(jìn)一步的闡述，此外，物理觀念的形成和發(fā)展與單元內(nèi)的關(guān)聯(lián)方式設(shè)計(jì)對(duì)教師提出很高的要求，本文僅僅是拋磚引玉，期望能有更為深入的研究.

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[6]紀(jì)文杰.“先行組織者”策略在實(shí)驗(yàn)專題復(fù)習(xí)課中的應(yīng)用[J].教學(xué)月刊，2016（3）：23-27.

[7]周棟梁.關(guān)于“機(jī)械能及其守恒定律”的中觀教學(xué)設(shè)計(jì)[J].物理教學(xué)探討，2016（11）：66-72.

[8]周棟梁，時(shí)春華.理想實(shí)驗(yàn)在教材處理中的探索[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2015（1）：2-6.