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我国高中物理核心概念及其学习进阶研究

范增  
【摘要】:以上世纪90年代《国家科学教育标准》的颁布为标志,美国各州开展了基于标准的科学课程改革。然而十余年的课程改革效果不佳,尤其是美国学生在国际性的科学测试中表现不佳。对此,美国各界开展了深刻反思,普遍认为各州的科学课程内容标准及国家科学教育内容标准中包含的知识太宽泛,表浅地覆盖了诸多科学知识,导致“一公里宽一英尺深”的课程,学生无法随年级的增长而拓展和加深对核心科学概念的理解。而且,美国的科学课程、课堂教学、考试评价三者“各自为政”。针对这些弊端,华盛顿州、新泽西州率先修订了各自的课程标准。美国国家研究理事会也在2012年颁布了国家科学教育新标准的概念框架。这些新修订的科学课程标准都围绕少数的核心概念组织知识并对每个核心概念规定了12年一贯的学习进阶(即规定了各学段的学生对核心概念应达到的理解程度),使学生在小学、初中、高中各学段的学习中持续加深对核心概念的理解。围绕核心概念组织并整合学科知识、通过学习进阶发展学生对核心概念的理解,能帮助学生形成良好的知识结构、透彻理解核心概念、提高解决问题的能力,已成为当代基础教育科学课程改革的核心理念。目前,我国基于课程标准的物理课程改革已进行了10年左右,从小学到高中所设置的综合科学课程与分科课程在衔接上略显不足,影响了学生问题解决能力、思维能力的发展。因此,调查我国高中物理核心概念是什么并建构出核心概念的学习进阶,对于课程的衔接、学生的学习、教师的教学、考试评价的发展等具有重要意义。 基于以上认识,本研究要解决的问题是:①我国高中物理核心概念(名称)是什么、其内涵是什么?②每个核心概念的学习进阶是什么,即小学、初中、高中各个学段的学生对高中物理核心概念应该达到怎样的理解程度? 为达到以上研究目的,本研究主要包含两个内容。第一个研究内容是:我国高中物理核心概念的调查研究。通过对高中物理教科书进行文本分析,笔者对力学、电学、热学、光学及近代物理的内容进行了概念梳理,并进而概括出了高中物理核心概念。为验证其合理性,笔者用问卷调查了高中物理教师心目中最核心的知识,并统计了问卷中这些知识出现的频次,检验和调整了自己概括出的核心概念。第二个研究内容是:高中物理核心概念的学习进阶研究。笔者研读了国内外基础教育阶段的物理(或科学)课程标准中与核心概念直接相关的知识点,着重分析了这些标准中要求某个学段的学生就某一核心概念应学习的知识点,统计了这些知识点出现的频次并分析了这些知识点的内涵。此外,笔者还梳理了国内外学者对学生理解核心概念的情况的研究。着重分析了每一个学段的学生对某一核心概念的典型错误理解,以及某一核心概念在各学段的教学效果。综合课标比较及相关研究证据的梳理,笔者对“能量守恒”、“稳定的电场”、“力与运动”这三个核心概念分别构建了学习进阶。 通过以上研究过程,得出了以下结论: (1)高中物理核心概念共有11个,分别是力与运动,能量、动量的守恒,稳定的电磁场,变化的电磁场,分子动理论,热力学定律,几何光学初步,物理光学初步,原子的结构,原子的变化,波粒二象性和相对论,笔者详述了每个核心概念的内涵。对高中物理教师的问卷调查显示,分布在力、电、热、光、近代物理五个领域中的这11个核心概念能很好地涵盖教师心目中的各领域的核心知识,且11个核心概念中有9个得到了较高的频次,说明被选择的核心概念及其内涵是基本合理的。“热力学定律”与“波粒二象性和相对论”这两个核心概念得到的频次相对最低。经分析,“波粒二象性和相对论”仍然应作为核心概念,但热力学定律是否要与其它核心概念合并是需要进一步研究的问题。 (2)笔者对核心概念“能量守恒”构建出了学习进阶。 在能量的定义和表现形式方面,小学生应学习常见形式的能量(光、电、热、声),也要认识到运动是能量的一种形式,不必学习能量的概念。初中生要开始明确地学习动能、势能、热的本质(不学内能)并初步学习核能,学习近似的、初步的能量概念。高中生应定量地理解动能、势能,开始学习内能、电势能,进一步理解核能,学习更加精确和抽象的能量概念(从守恒的角度); 在能量的转移、转化和守恒方面,小学生仅学习能量转移和转化的典型现象,涉及光、电、热的转移以及电能、热能与其它能量间的转化。初中生应继续深入学习热的转移(热传递的方式、用分子动理论解释热传导)、电能的转化和转移,开始学习动能与势能间的相互转化并初步认识通过碰撞的动能传递,学习“能量可以转化和转移”这一观念及能量守恒定律的半定量表述。高中生应学习更加抽象复杂的能量转移和转化现象,涉及辐射及其本质、通过碰撞的动能传递和转化、原子能核能释放和转化的机制、电势能的转化等,要定量掌握机械能守恒和能量守恒定律; 在做功与能量转化或转移的关系方面,从初中开始学习一些做功过程中发生能量转化的典型实例,高中生要定性和定量地掌握做功与能量变化间的关系,尤其是定量掌握做功与动能变化之间的关系以及做功与重力势能变化之间的关系。 (3)笔者对核心概念“稳定的电场”构建了学习进阶。 在静电场方面,小学生要知道物体经摩擦带电后,能隔一段距离吸引其它物体。在6年级时要区分静电和电流。初中生要知道电荷的种类以及正负电荷间的相互作用。高中生应学习物体带电的微观本质、库仑定律、静电场、电场强度、电势差、电势能、电场线的概念,不必学习电势的概念; 在恒定电流方面,小学生要认识到完整的闭合回路是形成电流、电力元件正常工作的前提,能认识电路中的各元件及其功能,尤其是开关;初中生要开始学习电压、电流、电阻的概念,认识电压和电流之间的因果关系,区分电流与电能的概念。理解电路图、短路、电压表电流表的用法,定性掌握欧姆定律,认识到在简单串联电路中的任意位置新增加一个电阻都会对整个电路造成同样的影响,认识到外电路上电力元件的变化会对干路电流产生影响。识别串并联电路并知道其电压和电流的特点,尤其是电压在串联电路中的分配以及电流在并联电路中的分配。此外,还要定性掌握电功率和焦耳定律;高中生应从电场的观点来理解电路中产生电流的微观机制,定量掌握欧姆定律,知道局部电路的变化会对整个电路造成影响。定量掌握串、并联电路中电阻的特点,定性掌握电阻定律,定量掌握电功率和焦耳定律。 (4)针对核心概念“力与运动”中的“运动学”和“动力学”,笔者分别构建了学习进阶。 在运动学方面,小学生应学习物体运动的多种形式,认识到描述物体的位置需要相对于另一物体,描述物体的运动则要跟踪其位置的变化。初中生要定量掌握速度概念及其与路程和时间之间的关系。认识到物体的运动要通过其位置、运动方向和速度来描述,学习匀速直线运动,用距离-时间图像描述物体的运动。高中生要开始掌握加速度的概念,学习匀加速直线运动的相关规律。区分位移和距离、速度和速率等标量和矢量,区分瞬时速度和平均速度等瞬时值和平均值。用位移-时间图像、速度-时间图像来描述运动; 在动力学方面,小学生要学习力能改变物体的运动和物体的形状。初步认识摩擦力的存在及其对运动的阻碍作用。初中生要认识到非平衡力对物体运动状态的影响,认识到生活中静止的物体往往受到一对平衡力。知道力的作用总是相互的。9年级时认识到物体不受力或受到一对平衡力时将保持静止或匀速运动。高中生应继续深入学习牛顿第一定律,对于惯性,知道物体保持的是失去力的一瞬间的速度。学习牛顿第二和第三定律,认识力与加速度产生的同时性以及加速度产生的真正原因。学习平抛运动、圆周运动及两者产生的原因,学习万有引力充当向心力的行星运动。 根据以上结论,本研究对教师的教学、教科书的编制以及后续的研究提出了相关的建议。


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