中学物理大概念研究进展述评

关亚琴

（西南大学科学教育研究中心教师教育学院，重庆 400715）

我国2018年正式颁布的课程方案和各科普通高中课程标准（2017年版）的前言中明确提出“凝炼学科核心素养，重视以学科大概念为核心，使课程内容结构化，促进学科核心素养的落实”.［1］这一要求旨为解决教学低层次、知识碎片化、学习浅表化等现象.以物理学科大概念构建符合学生认知发展的教学结构，可为物理学科核心素养的落实提供新的解决方案.

本文基于旧版CNKI文献高级搜索功能，主题输入“大概念”并含“物理”，共搜集了108篇文献，剔除无效文献，共筛选出80篇与中学物理相关的大概念研究，研究趋势如图1所示.由图可见基于大概念的物理教学研究自2017年以后几乎呈指数式上升趋势，而发表的刊物除《课程·教材·教法》有两篇涉及大概念以外，其他都发表于基础教育——物理相关刊物中，如《物理教师》《物理教学》《物理教学探讨》《中学物理教学参考》等.因而，本研究使用文本阅读的方法梳理了大概念与物理学科结合的相关主题及具体研究内容；在国内外对大概念界定及特征分析的基础上，梳理了有关物理学科大概念的概念界定、特征分析、筛选标准；列举了具体的实施策略，并在此基础上做了些前瞻.

图1 大概念研究趋势

1 大概念与物理学科相结合的研究主题及研究内容

我国与中学物理教学相关的大概念研究始于国内外对科学大概念研究的关注.2013年，《中国教师》杂志对郭玉英教授做了一次专访“关注物理大概念，发展学生的科学整体观”及范增在《我国高中核心概念及其学习进阶研究》中提到“大概念”引起物理课程与教学论研究者们的关注.郭玉英教授讲到：“如果教师有大概念的教学意识，他就会有意识地在组织探究活动时、在设计实验时，自觉地围绕着大概念展开，使得学生获得初中物理的整体观”.［2］之后，自2016—2021年，有关中学物理大概念的论文开始逐年递增，其具体文献主题、篇数及所涉内容如表1所示.

表1 中学物理大概念的研究主题、篇数及所涉内容

续表

从表1可以看出，基于大概念的中学物理教学研究主要以单元教学设计所占篇幅最多.这可能与近几年国家课程建设中提出整合课程内容，使课程内容结构化的指导思想有关；其次为与学习进阶的相关研究，主要以硕士和博士论文中的概念界定为主，其研究内容主要涉及大概念的概念界定、大概念与学科观念、核心概念、重要概念的区分为主，其中大概念为上位概念，包含核心概念和共通概念，重要概念为核心概念的下位概念.再次，大概念促进“物理学科核心素养”形成的相关研究也较多，除主题当中明确大概念促进学生物理观念形成的研究外，在深度学习研究主题中也贯穿大概念促进学生深度学习的研究，这可能与深度学习是最近几年比较热门的话题有关.

因而，与中学物理相关的大概念研究相对较集中，主要以单元教学设计、物理学科核心素养的落实、物理观念的形成、学习进阶的逐级进展等研究较多，但在该研究领域缺乏实证检验，研究方法较为狭窄，几乎所有研究都为逻辑思辨，没有实验研究，所以在有关这方面研究可以多用实证研究的方法，在理论基础上，结合实践检验，将有助于研究可信度的增加.

2 物理学科大概念的内涵及特点

2.1 物理学科大概念的内涵

“大概念”或“大观念”（BigideasorBigconcepts）最早起源于美国教育心理学家杰罗姆·布鲁纳（JeromeBruner）.他认为“不论我们选择教什么学科，务必使学生理解各门学科的基本结构.这是在运用知识方面的最低要求，它有助于解决学生在课堂外所遇到的问题和实践，或者在今后训练中解决课堂上所遇到的问题”.［19］他倡导的学科结构运动认为理解学科知识间相互联系的前提是让学生掌握学科知识的基本结构.［20］并认为“经典的迁移问题的中心，与其说是单纯地掌握事实和技巧，不如说是教授和学习结构”.［19］他所谓的知识结构也就是某一学术领域的基本观念，不仅包括掌握一般原理，而且还包括学习的态度和方法.比如物理学科中的落体运动、实验探究.

自布鲁纳以后，奥苏贝尔（AusubelD.P.）提出“新近产生的知识急剧膨胀，要求我们精心选择‘大概念’”，［21］这里的大概念也即奥苏贝尔认为的上位概念.从教育心理学视角可见，大概念是一种有助于知识迁移的学习结构，是统整事实和概念的脚手架，除包含基本知识以外，还包含方法和态度.奥尔森（Olsen）从认知发展的角度指出，大概念是学生在离开校门，忘记具体经验和事实后还能长久保持的中心概念.［22］威金斯和怀特利（Whiteley）强调大概念为“理解的建筑材料”，通过建构大概念群将零散的知识点联结起来，从而简化学生的认知模式.［23］脑科学认为“脑处理的不是分散的信息而是概念，这些概念处在认知机制的中心”.［24］2005年，美国科学促进会（AAAS）把“大概念”界定为“能将众多的科学知识联为一个整体的科学学习的核心”.

在中学物理教学研究中，大多研究者都沿用哈伦对科学大概念的定义，认为科学上的大概念指“在构思科学教育的目标时，在知识方面不是用一堆事实和理论，而是用趋向于核心概念的一个进展过程.这些核心概念及进展过程可以帮助学生理解与他们在校以及离开学校以后的生活有关的一些事件与现象”.［25］权广仁在此基础上编写了《高中物理大概念主题教学》著作，认为“物理大概念属于科学大概念的范畴，是研究同一类物理问题与物理现象本质特征的概括，是一定认知结构、物理观念、物理方法、科学态度和精神及价值观所建构的知识体系，具有统摄一般物理概念性与物理知识以及物理学事实性知识的作用”.［26］李闷心在“基于大概念设置物理复习单元——以‘质量与密度’为例谈中考物理单元复习”中认为“物理大概念是物理领域中有结构、有联系的物理核心概念、规律和模型，它联结了学科内的相关概念，融通了学科内知识”.［27］陈克超等人认为“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”.［17］

大体上，中学物理教学研究中对于大概念的界定都是基于科学大概念的界定，结合物理课程标准，把大概念抽象成一种不仅包含学科知识，还包含方法和态度的居于学科中心位置，且能够向下辐射的可迁移的动态概念.但对于中学物理学科大概念没有词源学、哲学、心理学及教育学理论的支撑，仅仅为研究者主观上的一种界定，缺乏学理性.因而，有关物理学科大概念的界定可在往后的研究中继续深入.

2.2 物理学科大概念的特征

学科不同，涉及到的大概念界定不同，其特征也不同.从以上对大概念的界定可以看出，大概念像蜘蛛网一样，具有网状“中心辐射性”，而且中心具有高聚合性.越往外，越稀疏，辐射面越广，比如物理教育中的“能量观”，以“能量”聚合，往外辐射为电功、电磁能、核能、热能等，再往外辐射面更广，如动能、势能、电势能、原子能等.李刚在“科学大概念的课程转化”中总结出科学大概念具有中心性、可持久性、网状型及可迁移性4个特征，并认为大概念不是基础概念，而是聚合概念；不是暂时保存的记忆，是经验和事实消失之后还存留的核心概念；大概念并不是无序游离在学科结构中，而是呈现出网络状结构；不仅仅只是另一个事实或者一个模糊的抽象概念，而是一种概念性工具，用于强化思维，连接不同的知识片段，使学生具备应用和迁移的能力.［28］我国中学物理研究界根据大概念的内涵提出大概念的特征如表2所示.

表2 中学物理学科大概念的特征

表中所列出的有关中学物理学科的大概念与科学大概念的特征具有共性，也有不同，两个大概念都具有中心性、持久性及可迁移性等特点，不同点在于科学大概念包含的大概念更多、更广，跨学科性质更明显，而物理学科大概念更聚合于物理学科本质.这与“核心概念”具有相似性，研究者对大概念及核心概念的界定有所不同，有学者认为两者相同，具有相同的命名，都是本学科的中心概念，［32］也有学者认为两者有本质区别，并认为大概念、核心概念、物理观念3者之间存在一定的差别，也没有绝对的从属关系，彼此之间有一定相通性和对等性.［17］

2.3 物理学科大概念的选择标准

温·哈伦在《科学教育的原则和大概念》一书中提到科学大概念的选择标准，即① 能够用于解释众多的物体、事件和现象，而它们是学生在他们学校学习和毕业以后的生活中会遇到的；② 提供一个基础以帮助理解遇到的问题并作出决策，而这些决策将会关系到学生自己和他人的健康与幸福，以及环境和能源的使用；③ 当人们提出有关自身和自然环境的问题时，他们为能够回答或能够寻求到答案而感到愉快和满意；④ 具有文化上的意义，例如对人类自身有关的观念——反映科学史上的成就，来自研究自然的灵感和人类活动对环境的影响.［25］哈伦提出的科学大概念的选择标准强调了学习的过程和运用知识的过程，不仅仅考虑大概念所起的作用，还考虑大概念是否有助于科学活动的本质及科学活动的发现，但因包含内容过于宽泛，学科特色不突出，操作性不强.

在具体的物理学科大概念方面，曹宝龙认为确定高中物理大概念的依据是课程标准，并认为物质、运动及相互作用、功及能量是高中物理的3个大概念.［5］周莹从学科视角认识人类物质观的形成和发展，结合课标要求，对基础教育阶段相关内容梳理，筛选出了“物质大概念”，包括物质的“存在”“分类”“相互作用”“守恒”.［33］任虎虎提出大概念的获取路径包括“以课程标准为基准，以基本问题为引导，以高阶思维为架构”.其中高阶思维能力指问题解决能力、批判反思能力、创造性思维能力和沟通协作能力.［34］邓靖武认为提炼和构建学科大概念可以从“基于学科视角、聚焦学科本质提炼学科大概念”“基于课程标准、依据学科教材确定学科大概念”“基于学生的发展需求构建次级大概念统摄下的单元知识层级结构”，并认为中学阶段物理学科不同层次的大概念可以从以下3个方面把握：一是基于物理学科研究对象与基本问题来提炼；二是基于物理学科的研究方法来提炼；三是根据学科的课程目标与价值来提炼.［31］

综上可知，对于大概念的提取及筛选，更多研究者都立足于物理课程标准及物理学科本质，再具体到不同物理观念下的大概念的提炼，具有一定的理论深度，但在研究过程中，缺乏实证检验，即该筛选标准筛选出的物理大概念是否符合学生的认知发展，能否促进学生物理核心素养的发展，筛选标准的可操作性如何，标准构建是否经过信、效度检验，这些问题还有待研究者更加深入的思考.

3 大概念与物理学科结合的实施策略

关于大概念与物理学科结合的实施策略大部分研究都贯穿于不同主题的教学设计，如单节课教学设计、逆向教学设计、单元教学设计等，部分研究与教材、实践作业、学习进阶及物理观念相关，因而就有不同研究者基于物理学科大概念的落实提出了具体的实施路径及教学策略.张玉峰认为大概念组织教学需要“第一，大量具体概念、规律、原理等具体内容是在大概念统领下的，是相互关联的内容，这是组织结构化教学素材的基础；第二，这些内容是按照一定的逻辑线索组织起来的，是有意义的组织，而不是机械的组织；第三，组织起来的内容在认知水平上具有由浅入深、由简单到复杂的特点，具有一定的认知层级；第四，不管是在不同认知层级之间还是在某一个认知层级内，教学素材是结构化的，而不是散乱地堆砌在一起.”［35］

任虎虎提出指向大概念的高中物理教学设计策略包括：① 基于逆向教学的单元整体设计，即强调“以终为始”，先确定单元预期的“大概念”，再确定合适的评估证据，最后才设计学习活动；② 基于基本问题的“1+X”问题群设计.基本问题是指那些突出学科“大概念”的，能够鼓励、启发甚至是要求学生超越知识本身，帮助学生对所学知识达到更系统、更深入的理解的可迁移的问题；③ 基于核心任务的探究整合设计.核心任务是指在学科学习中最重要的行为表现.真实的、挑战性的核心任务能促进对大概念的理解和迁移.［29］

冉洁、陈克超、李家全在理论构建及教学实践基础上提出大概念视角下的中观教学实施路径：聚焦主题内容体系→提炼主题学习目标→构建整体性学习流程→实施于评价.［36］曹宝龙用大概念促进高中物理观念的形成与发展中提到，大概念的教学策略有：① 加强概念联系，把概念“做大”；② 将新概念的学习融合于已有的概念体系；③ 要尽可能将概念拓展到一般性使用范围；④ 用大概念视角解释和解决问题；⑤ 注重概念与实际情境或实际问题的联系；⑥ 合理设计课堂教学的物理观念目标.［5］在指向深度学习的高中物理大概念教学策略中，任虎虎以“牛顿第一定律”教学为例，提出“从整体到局部，明确核心目标”“基于探究整合，促进概念转变”“注重科学论证，达成意义理解”“设置挑战任务，实现迁移应用”四个实施路径实现高中物理大概念的教学.［3］

大多研究者提供的中学物理大概念教学策略都是基于经验的总结，缺少理论的支撑，比如“指向深度学习的高中物理大概念教学策略”，多数仅是通过案例，缺少学理性分析及实验检验，研究不够深入，所以在有关中学物理大概念的教学策略方面可以结合教育学基本原理、心理学、测量学等理论经过更加深入的论证，并在实践中检验将更有利于提升学生的物理观念等相关素养.

4 中学物理大概念研究反思及展望

通过对大概念与中学物理相结合的文献梳理发现，大多数研究聚焦于大概念在单元教学设计中的应用，而大概念具有高度的抽象性、中心性及可迁移性，可使知识凝炼、结构化，因而比较适合于单元教学设计中使用；梳理过程中，还发现大概念在促进学生物理观念的形成中也起到比较重要的作用；同时与深度学习结合，不仅在教学深度上有所体现，在教学广度上也有扩充，但是在研究过程中也存在以下问题.

（1）中学物理大概念实证研究较少.研究多为研究者的经验总结，并未经过严格的逻辑思辨和实证检验，因而，可信度有待于进一步提高.

（2）有关中学物理大概念研究的广度不够.文献大多集中于单元教学设计、物理观念的形成，与深度学习结合的相关研究，其研究大多也局限于物理观念形成，但关于物理观念如何形成，如何测量物理观念是否形成，至今是空白.

（3）中学物理大概念实施过程的评价研究欠缺.在文献检索过程中关于中学物理大概念教学实施过程如何评价呈缺失状态，因而，就无从知道中学物理大概念研究的实施现状及教学效果到底怎么样？

通过上述反思，中学物理大概念研究应该进一步推向深入，比如在概念界定上，通过学理性分析，从词源学、哲学、心理学及教育学等多角度界定物理学科大概念；结合物理学史、物理学科本质、物理核心素养、课程标准制定中学物理学科大概念的提炼标准，并通过实证研究验证标准的信、效度.在研究方法上多采用实证研究，减少经验总结或理论指导下的思考与分析.在研究策略上，可以将研究视角从“教学策略”转为“学习策略”；在教学评价方面，增加中学物理大概念教学的评价研究，结合结果评价、增值评价及综合评价，构建多元的中学物理大概念教学评价体系；可以尝试将深度学习理念作为纵轴，将大概念理念作为横轴建构单元教学设计模型，拓宽中学物理大概念的研究范围.