学习进阶视域下中学物理概念教学：框架、案例与反思

摘要：首先介绍学习进阶相关内容，包括学习进阶定义、要素、层级。接着根据学习进阶层级，建构中学物理概念教学框架：依据对应经验层级；意义、方法、内涵、外延对应映射层级；关联对应关联层级；应用对应系统层级；创新对应整合层级。随后根据此教学框架，展示具体课堂教学案例：粤教版物理选择性必修第二册“互感和自感”。最后对学习进阶视域下中学物理概念教学进行反思：创设情境是中学物理概念教学基础；突出主体是中学物理概念教学关键；渗透思政是中学物理概念教学亮点；联系生活是中学物理概念教学核心；提升素养是中学物理概念教学目标。

关键词：概念教学；学习进阶；核心素养

中图分类号： G642.4 文献标识码：A 文章编号：1005-4634（2024）04-0045-07

0引言

物理概念是客观事物在人们头脑中的反映，是观察、实验、思维相结合的产物 [1]。物理概念教学具有方法性、科学性、思想性、价值性，凝结着物理思想精华。在物理概念教学中，帮助学生分析自然现象、解决现实问题，是培育学生物理学科核心素养的重要途径。学习进阶融合了最近发展区理论、有意义学习理论、螺旋式课程设计理论、教学最优化理论，被誉为提升学生学习效率的灵丹妙药 [2]。学习进阶视域下的中学物理概念教学，不仅可以强化物理教师的专业能力，提高物理教师的课堂教学效率，也可以深化学生对物理概念的理解、发展学生的物理学科核心素养。

1学习进阶的概念及内涵

学习进阶是学生在学习时所遵循连贯、深入思维路径的描述，也是学生在学习时所遵循连贯、典型学习路径的描述，它由进阶起点、进阶水平、进阶终点、进阶变量、测评工具5个要素构成 [3]。进阶起点是指学生实际情况，包括学生已有知识、思维结构、迷思概念等；进阶水平是指学生预期学习表现，是进阶起点通向进阶终点的台阶；进阶终点是指教学目标，即发展学生物理学科核心素养；进阶变量是指核心概念、关键能力；测评工具是指评价试卷。进阶起点、进阶水平、进阶终点，构成学习进阶视域下中学物理概念教学主线，并通过进阶变量引领、测评工具修正，把零散的知识个体整合为关联的知识结构，从而通过每一节物理教学，既发展学生关键能力，又发展学生核心素养（如图1所示）。

根据学生认知发展规律，进阶水平划分为5个发展层级 [4]：经验（experience），指学生具有尚未关联的零散事实；映射（mapping），指学生建立事实与术语之间关系；关联（relation），指学生建立术语与多个事实关系；系统（system），指学生从系统角度协调变量关系；整合（integration），指学生有学科观念与跨学科概念。从以上5个层级可以看出，学生的认知发展水平是从零散到系统、从具体到抽象、从简单到复杂的过程。为了便于教师理解及应用，借助SOLO分类理论，可以把发展层级转化为层级图示（如图2所示）：经验对应两个零散点；映射对应一个零散点，连接一个零散点；关联对应一个零散点，连接多个零散点；系统对应一个平面；整合对应一个立体。

2学习进阶视域下中学物理概念教学框架

物理概念教学是指在教师引导下，调动学生认知结构中已有感性经验，去感知真实素材，经过思维加工，产生认知飞跃，从而形成完整概念的互动过程 [5]。由建构主义学习理论可得，物理概念教学过程包含8个要素（如图3所示）：“依据”是指与新概念关联的具体事例；“意义”是指引入新概念的必要性；“方法”是指运用比较、分析、综合、想象、归纳、概括等方法；“内涵”是指新概念的本质属性，主要包括概念的定义、公式、单位、方向等；“外延”是指新概念表述的对象和概念适应的范围；“关联”是指新概念与其他概念的相关与联系；“应用”是指把新概念应用到生产生活中去；“创新”是指以新概念为基础，在学科内或多学科之间进行优化整合、发明创造。

“依据”找到了新概念的生活基础，体现尚未关联的零散事实，对应经验层级。“意义”体现了新概念的必要性、“方法”说明了概念研究的规范性、“内涵”反映了新概念的学科基础、“外延”指出了新概念的适用范围，这些都体现事实与术语之间关系，对应映射层级。“关联”建构了新概念的知识结构，体现术语与多个事实关系，对应关联层级。“应用”显示了新概念的生活价值，体现从系统角度协调变量关系，对应系统层级。“创新”突破了新概念的认知边界，体现学科观念或跨学科概念，对应整合层级。通过以上分析，找到了物理概念教学与学习进阶之间的对应关系，从而建构出学习进阶视域下中学物理概念教学框架（如图4所示）。根据此框架实施的物理概念教学，既符合学生认知规律，也符合知识呈现规律，还符合学科教学规律，有利于实现课堂深度教学，发展学生核心素养。

3学习进阶视域下中学物理概念教学案例

中学物理教学过程，旨在落实立德树人根本任务，提升学生物理学科核心素养。学习进阶视域下中学物理概念教学过程，就是以物理概念为主线、以发展层级为方式、以物理学科核心素养为目标进行课堂教学。本研究以粤教版物理选择性必修第二册“互感和自感”为案例 [6]，展示学习进阶视域下中学物理概念教学过程，其教学流程如图5所示。

根据以上教学流程，设计学习进阶视域下中学物理概念教学过程，并从师生活动、设计意图两个方面进行重点说明。

3.1经验层级——设计实验，引出概念

物理概念源于生活，教师应该创设真实生活情境引出物理概念，既体现物理概念的现实价值，也激发学生的学习兴趣。

师生活动：首先教师引导学生回顾，如图6所示，给螺线管加上电流，螺线管周围就产生磁场；若螺线管中的电流发生变化，则螺线管周围磁场也发生变化。然后教师引导学生推测：（1）若在螺线管外部磁场某处放入一个闭合线圈，由法拉第电磁感应定律，推测得到这个线圈就会产生感应电动势；（2）因为螺线管内部磁场也发生变化，由法拉第电磁感应定律，推测得到这个螺线管自身也会产生感应电动势。

为了证明以上推测，教师设计3个实验进行验证，引导学生观察、分析与归纳。

实验一：如图7所示，把一根普通导线绕30圈以上，连接在小灯泡两端，让线圈与小灯泡组成闭合回路。在电磁炉上放一个装有部分水的铁碗，接通电磁炉电源，电磁炉稳定运行。把闭合回路移到电磁炉上空，发现小灯泡发光。小灯泡之所以发光，就是因为线圈上产生了感应电势，从而验证了推测1。

实验二：如图8所示，小灯泡A1与滑动变阻器R相连，小灯泡A2与线圈L相连，闭合开关S瞬间，发现与滑动变阻器R相连的小灯泡A1立刻正常发光，而与线圈L相连的小灯泡A2却逐渐变亮。小灯泡A2之所以逐渐变亮，就是因为线圈上产生了感应电动势，阻碍灯泡电流立即变大，从而验证了推测2。

实验三：如图9所示，小灯泡A与线圈L并联，先闭合开关S，待小灯泡A正常发光后，再断开开关S，发现小灯泡A不是立即熄灭，而是逐渐熄灭。小灯泡A之所以逐渐熄灭，就是因为线圈上产生了感应电动势，阻碍小灯泡电流立即变小，从而也验证了推测2。

教师鼓励学生用自己的语言归纳实验现象：当一个线圈中的电流变化时，会在另一线圈中产生感应电动势，这种现象称为互感现象，这种感应电动势称为互感电动势；当一个线圈中的电流变化时，会在自身线圈中产生感应电动势，这种现象称为自感现象，这种感应电动势称为自感电动势。

设计意图：杨振宁教授说，“现象是物理学的根源。”物理概念教学中，教师需要创设实验，从生活中找到物理概念事实依据，体现物理概念“从生活中来”，由此可以培养学生物质观念核心素养。学生通过观察实验现象，用自己的语言进行分析、归纳、交流，有利于培养学生科学探究核心素养。

3.2映射层级——建立模型，分析概念

真实情境比较复杂，为了突出主要因素而忽略次要因素，物理研究常用模型建构方法。教师引导学生把演示实验转化为物理模型，分析互感现象和自感现象。

师生活动：针对图7实验，电磁炉相当于螺线管X，导线与小灯泡连接相当于闭合回路Y，当电磁炉接通交流电源，即相当于通过螺线管X的电流IX发生变化，在螺线管X周围产生变化的磁场BX，变化的磁场BX让闭合回路Y的磁通量ΦY发生变化，从而在闭合回路Y中产生感应电动势EY，因此在闭合回路Y中形成感应电流IY，故小灯泡发光。这个现象是当X线圈中的电流变化时，会在Y线圈中产生感应电动势，故为互感现象。根据以上分析，教师引导学生得出互感规律：互感电动势大小为E=nΔΦΔt；互感电流的方向满足楞次定律。

针对图8实验，线圈L相当于螺线管X，闭合开关S瞬间相当于通过螺线管X中的电流IX变大，即螺线管X中的磁场BX变大，从而螺线管X的磁通量ΦX变大，根据法拉第电磁感应定律，在螺线管X中会产生感应电动势EX，再根据楞次定律，得到感应电动势EX要阻碍原电流IX增大，因此与线圈L串联的小灯泡A2的电流IX逐渐增大，故小灯泡A2逐渐变亮。这个现象是当X线圈中的电流变化时，会在X线圈中产生感应电动势，故为自感现象。

针对图9实验，线圈L相当于螺线管X，断开开关S瞬间相当于螺线管X中的电流IX变小，即螺线管X中的磁场BX变小，从而螺线管X的磁通量ΦX变小，根据法拉第电磁感应定律，在螺线管X中会产生感应电动势EX，此时螺线管X与小灯泡A形成闭合回路，再根据楞次定律，感应电动势EX要阻碍原电流IX减小，即线圈L中的电流逐渐变小，故小灯泡A是逐渐熄灭的。这个现象也是当X线圈中的电流变化时，会在X线圈中产生感应电动势，故为自感现象。

根据以上分析，教师引导学生结合相关理论，得出自感规律：自感电动势大小为E=LΔΦΔt，其中L表示自感系数，它与线圈的形状、长短、匝数、是否有铁芯相关，其单位是亨利，简称亨，符号为H（同时补充说明：物理学家亨利，1831年发现自感现象，1835年解释自感现象，他没有申请专利，而是把他的研究成果及其发明创造无偿献给社会，其高风亮节、无私奉献精神受到后人敬仰，因此把自感系数单位确定为亨利）；自感电流的方向满足楞次定律，即自感电流“阻碍原电流变化”，若原电流增大，自感电流方向与原电流方向相反，若原电流减小，自感电流方向与原电流方向相同。

设计意图：教师引导学生，先把演示实验转化为物理模型，再用物理学科知识进行分析，培养学生模型建构、科学推理等科学思维。为了感谢物理学家亨利把自己的研究成果及其发明创造无偿献给社会，物理学界把自感系数单位命名为亨利，这既体现了物理学家的无私奉献精神，也反映了物理学界对亨利品行的认同与褒扬。教师在教学中自然地渗透这些思政元素，从而培养学生的科学态度、社会责任等物理学科核心素养。

3.3关联层级——形成网络，建构概念

任何物理概念都不是孤立存在的，每个物理概念都与其他概念相互联系，形成纵横交错、上下层级结构。

师生活动：教师引导学生分析物理概念形成过程，找出各个物理概念之间的逻辑关系，建构物理概念结构。如图10所示，螺线管X中的电流IX发生变化，会引起螺线管X的磁感应强度BX发生变化，若在螺线管X外部某处放入一个闭合线圈Y，则这个线圈Y的磁通量ΦY发生变化。根据法拉第电磁感应定律，线圈Y上就会产生感应电动势EY，从而产生互感现象；螺线管X中的电流IX发生变化，会引起螺线管X的磁感应强度BX发生变化，则螺线管X自身的磁通量ΦX也发生变化，根据法拉第电磁感应定律，螺线管X自身上就会产生感应电动势EX，从而产生自感现象；互感现象和自感现象，本质上都是电磁感应现象，都满足法拉第电磁感应定律和楞次定律。

设计意图：教师引导学生回顾教学过程，根据物理概念之间的逻辑联系，让每个学生在自己心中建构物理概念图式，有利于学生形成知识网络，增强学生应用知识能力。通过物理概念图式，可以清晰看出互感现象、自感现象的本质都是电磁感应现象，有利于学生理解物理概念本质，形成物理观念。