基于學(xué)科核心概念的物理課程設(shè)計
——俄亥俄州立大學(xué)“The World of Energy”課程簡介

張 靜Wildermuth Mary

·教育理論研究·

基于學(xué)科核心概念的物理課程設(shè)計
——俄亥俄州立大學(xué)“The World of Energy”課程簡介

張 靜1Wildermuth Mary2

（1．長江大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，湖北荊州 434023；2．俄亥俄州立大學(xué)物理學(xué)系，俄亥俄哥倫布 43210）

從課程建設(shè)歷程、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容體系、課程實施形式和課程評價5個方面介紹了俄亥俄州立大學(xué)開設(shè)的“The World of Energy”課程．該課程以物理學(xué)核心概念“能量”為課程內(nèi)容，關(guān)注學(xué)生概念的整合發(fā)展，以教師實驗演示和學(xué)生親身實踐為主要實施形式，課程評價注重過程性評價和終結(jié)性評價相結(jié)合．

The World of Energy；核心概念；整合發(fā)展

隨著科技的不斷進(jìn)步，物理知識的廣度和深度不斷延伸，為了解決“有限的學(xué)習(xí)時間和無限的學(xué)習(xí)內(nèi)容”之間的矛盾，國際科學(xué)教育研究領(lǐng)域提出了圍繞少數(shù)核心概念組織課程內(nèi)容的教學(xué)理念．核心概念是組織整合某個學(xué)科自身內(nèi)容的少數(shù)關(guān)鍵概念．［1］2012年，美國國家教育委員會（NRC）頒布的新一輪科學(xué)課程改革文件《K－12年級科學(xué)教育框架：實踐、共通概念及核心概念》［2］中指出“能量”是物質(zhì)科學(xué)的核心概念之一，可見“能量”概念在物質(zhì)科學(xué)學(xué)習(xí)中的重要性．

近年來，研究者指出“能量”是貫穿于所有自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)的物理量，是所有科學(xué)概念中最基本、涉及面最廣的概念之一．認(rèn)識和理解能量概念對學(xué)習(xí)者建構(gòu)、對科學(xué)本質(zhì)的理解、提高公民的社會生活基本素養(yǎng)都具有重要意義．［3］但是目前國內(nèi)物理學(xué)科缺乏圍繞學(xué)生核心概念組織的課程，顯然如何圍繞學(xué)科核心概念組織課程和開展教學(xué)是一個值得研究和關(guān)注的問題，美國俄亥俄州立大學(xué)物理學(xué)系Mary教授等人開設(shè)的“The world of energy”［4］課程可值得我們借鑒參考．

1 不斷完善的課程建設(shè)歷程

俄亥俄州立大學(xué)開設(shè)的“The world of energy”課程建設(shè)開始于1970年，定位其特色是關(guān)注能量的應(yīng)用和能量守恒等相關(guān)內(nèi)容．1990年到2001年期間，得到學(xué)校教務(wù)處和物理系的資助，課程形成一系列供學(xué)生使用的課堂講義和活動任務(wù)單，并著手開始建設(shè)教材．2011年到2012年，課程教材得到更新，并重新組織為兩個學(xué)期的課程：Physics1103和Physics1104，兩門課程并沒有先后關(guān)系，但內(nèi)容上稍有側(cè)重，Physics1103側(cè)重力學(xué)、電磁學(xué)和機(jī)械中的能量，Physics1104側(cè)重光學(xué)、熱學(xué)、核能和能量的來源．經(jīng)過40多年的不斷完善，課程已形成一整套完備的課程資源，包括自編教材、活動任務(wù)單、教學(xué)演示文檔、教學(xué)實驗儀器（教師演示實驗和學(xué)生動手實驗）、動畫仿真、教學(xué)視頻資源等．

2 以理解能量基本概念和解決當(dāng)代世界能源問題為核心的課程目標(biāo)

該門課程是僅供文科學(xué)生選修的3學(xué)分課程，每周2次課，每次課程時間為80min，其符合俄亥俄州立大學(xué)文科學(xué)生需要獲得通識教育課程（General Education curriculum）對物理學(xué)科的要求．課程目標(biāo)是學(xué)生能夠理解在能量應(yīng)用情境中的物理概念和規(guī)律；理解科學(xué)與技術(shù)的聯(lián)系；理解能量相關(guān)的基本事實、理論和現(xiàn)代科學(xué)的方法；認(rèn)識科學(xué)知識是不斷發(fā)展的；能描述能量相關(guān)科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的相互依賴關(guān)系；能在有關(guān)能量（或能源）政策、環(huán)境和自己所處位置的能量變化過程中做出合理且明智的決策；能在解決當(dāng)代世界能量（或能源）相關(guān)問題時理解潛在的科學(xué)和技術(shù)問題．

3 以能量概念進(jìn)階發(fā)展為主線的課程內(nèi)容體系

3．1 課程結(jié)構(gòu)遵循學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律

已有的“能量”學(xué)習(xí)進(jìn)階研究從復(fù)雜度層級理論出發(fā)，指出學(xué)生對能量的認(rèn)識會從多種多樣的能量形式開始，發(fā)展到對能量轉(zhuǎn)換和守恒的理解，最高層級則是對能量耗散的理解．［5］該門課程在設(shè)計課程結(jié)構(gòu)時，遵循了學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律．Physics 1104的課程結(jié)構(gòu)見表1所示．

章內(nèi)容1能量世界簡介2力和能量3電能4熱能轉(zhuǎn)換5熱能和微觀圖景6比熱，潛在熱量，熱容7熵和熱力學(xué)定律8理想氣體定律和內(nèi)能9熱力學(xué)定律的應(yīng)用1 0敏感系統(tǒng)和計算機(jī)建模1 1化學(xué)能和化石燃料1 2使用化石燃料的后果1 3地球作為一個能量系統(tǒng)1 4氣候變化的原因和后果1 5質(zhì)量和能量1 6電離能1 7電離輻射的后果1 8夸克和放射性碳測年法1 9使用核能的后果2 0波和光子能量2 1恒星的能量2 2太陽能的應(yīng)用2 3太陽能的電力2 4能量和水2 5 風(fēng)能和生物團(tuán)能量2 6 節(jié)約能源

本文以Physics 1104為例說明其課程結(jié)構(gòu)．該課程打破傳統(tǒng)的按照力、熱、光、電、近代物理組織的課程形式，所有課程內(nèi)容均是圍繞能量這一核心概念．教材前兩章首先建立學(xué)生對能量形式的認(rèn)識，將紛繁復(fù)雜的能量形式概括為3種類型：（1）與運動有關(guān)的能量，包括動能、熱能、聲能；（2）電磁能，包括電能、磁能、輻射能；（3）勢能，包括重力勢能、彈性勢能、電勢能、化學(xué)能、核能．如此分類，有利于幫助學(xué)生建立起對不同形式能量共同特征的認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上解釋說明主要形式能量之間的轉(zhuǎn)化、守恒和儲存，指出能量能夠以各種各樣的形式儲存，能量轉(zhuǎn)化過程中總是伴隨著能量損失，因此需要提高能量轉(zhuǎn)化效率，奠定了學(xué)生選擇和應(yīng)用各種能量的基礎(chǔ)．其中，第3章到第25章對主要能量形式的基本概念、規(guī)律和應(yīng)用進(jìn)行細(xì)致講解，包括電能、熱能、內(nèi)能、化學(xué)能、電離能、核能、光能、太陽能、風(fēng)能、生物團(tuán)能．這些能量不僅涉及物理、化學(xué)、地理、生物各學(xué)科，且從學(xué)生在中學(xué)階段熟悉的電能、熱能等開始介紹，逐漸增加認(rèn)知難度，體現(xiàn)了跨學(xué)科、整合化、逐步進(jìn)階的能量體系．

3．2 課程內(nèi)容注重能量和技術(shù)、社會、環(huán)境間的聯(lián)系

課程內(nèi)容在介紹基本能量概念和規(guī)律的同時，還深入探討了各種形式能量在世界各地或美國的使用情況，及使用這些能量的后果．例如在“化學(xué)能和化石燃料”中指出化學(xué)能是當(dāng)代美國主要的能源之一，并給出美國歷年化石燃料使用的情況．在“使用化石燃料的后果”中讓學(xué)生親身實踐感受蠟燭、酒精、打火機(jī)液、車用機(jī)油所產(chǎn)生的污染．在“電離輻射的后果”中讓學(xué)生用放射性計數(shù)探測儀探測鹽、鐳、釷、煙霧報警器、瓷盤、瓷壺、釙210（α輻射材料）、鍶90（β輻射材料）、鈷60（γ輻射材料）以及教室墻壁等各種材料的電離輻射情況，測試紙板、鉛板、鋁板對不同輻射的屏蔽效果，并給出俄亥俄州各地氡氣分布，讓學(xué)生了解其危害和探測及防護(hù)方法．在“使用核能的后果”中指出，美國大概有9%的電能來至于核電站，許多歐洲國家主要依靠核能，如法國有76%的電能來自于核電站，并從技術(shù)上解釋核電站的構(gòu)成和工作原理，及核反應(yīng)存在安全、經(jīng)濟(jì)等一系列問題．在“氣候變化”中給出俄亥俄州哥倫布市每年降雨量的變化．最后1章的“節(jié)約能源”，意在教會學(xué)生如何明智地選擇能量和節(jié)約能源．課程內(nèi)容注重能量和技術(shù)、社會、環(huán)境之間的聯(lián)系，而且十分貼近學(xué)生的生活，體現(xiàn)了“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念．

4 以演示實驗和學(xué)生親身實踐為特色的課程實施形式

課程的授課教室為一專門設(shè)計的實驗室（如圖1），可以容納5組學(xué)生，每組5－6人，圍坐在一張大的方形實驗桌旁，桌上擺滿每次上課學(xué)生需要親自動手完成實驗的器材，實驗室四周是每次教師演示使用的實驗器材．例如Period13“地球作為一個能量系統(tǒng)”，演示實驗有地球、月亮和太陽模型，地球儀等，學(xué)生實驗器材則有地球儀、底座、帶孔插板、灰色方板、直尺、手電筒等．

圖1 “The World of Energy”教室

每次課程80min，大約1／3時間教師利用演示文稿講解，1／3時間進(jìn)行演示實驗或播放實驗視頻（大部分實驗都是現(xiàn)場演示的），1／3時間供學(xué)生小組實踐和完成工作任務(wù)單．以Period13“地球作為一個能量系統(tǒng)”為例，教師通過教室中的地球、月亮和太陽模型，幫助學(xué)生建立起它們之間距離的定量關(guān)系，在此基礎(chǔ)上討論太陽輻射的能量形式和來源以及地球從太陽獲得的能量情況．為幫助學(xué)生了解地球不同地方獲得太陽能量的差異，學(xué)生按照活動任務(wù)單（如表2中所列為節(jié)選部分）的要求小組進(jìn)行實踐活動（如圖2），并進(jìn)行小組討論，之后探討大氣層、地球能量平衡和溫室效應(yīng)等問題．物理概念通過教師的演示講解、學(xué)生在課堂上完成的實踐活動和活動任務(wù)單等方式得到深入的建構(gòu)．

圖2 學(xué)生親身實踐活動

表2 活動任務(wù)單（節(jié)選部分）

續(xù)表

5 過程性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合的課程評價

表3為課程的評分標(biāo)準(zhǔn)，該門課程32%的成績來自于平時活動任務(wù)單和課外作業(yè)，其中活動任務(wù)單（如表2）是在課上教師講解某些重要概念和規(guī)律，或演示實驗，學(xué)生自己做實驗，或觀看錄像時需要記錄的重要內(nèi)容，其貫穿整個課堂始終，下課時上交．當(dāng)堂的課程任務(wù)有利于加強(qiáng)學(xué)生的聽課效率、投入程度和參與積極性，學(xué)生也可利用活動任務(wù)單進(jìn)行知識的有效梳理和復(fù)習(xí)．課外作業(yè)通常是解決生活實際能量問題的簡答題，有利于學(xué)生進(jìn)一步理解和應(yīng)用能量概念．例如，“天氣變化”的課外作業(yè)是讓學(xué)生根據(jù)自己或家庭的生活方式，通過網(wǎng)上提供的計算公式，評估自己產(chǎn)生的溫室效應(yīng)氣體，提出準(zhǔn)備采取節(jié)約能源的措施，并估算這些行為可以節(jié)省的資金和減少CO2氣體排放的數(shù)量．

表3 課程評分標(biāo)準(zhǔn)

雖然68%的成績來自于考試成績，但考試分解到整個學(xué)期的3個階段，每次考試只考察該學(xué)習(xí)段所學(xué)內(nèi)容，期中考試1考察1－8周學(xué)習(xí)內(nèi)容，期中考試2考察9－17周學(xué)習(xí)內(nèi)容，兩次期中考試均是在75min內(nèi)完成30題多項選擇題，期末考試考察18－26周學(xué)習(xí)內(nèi)容，105min內(nèi)完成50題多項選擇題，這些多項選擇題均是考察關(guān)于能量的基本概念和基本計算（考試中給學(xué)生提供公式單），有利于教師了解學(xué)生對能量基本概念的理解．

6 總結(jié)和啟示

6．1 物理課程設(shè)計應(yīng)體現(xiàn)整合與發(fā)展的理念

物理教學(xué)一直以來面臨著“難學(xué)難教”的兩難境地，學(xué)生之所以覺得物理難學(xué)，其中一個主要原因就是學(xué)生的物理知識是零碎的，所獲得的概念、規(guī)律和方法未建立起聯(lián)系，且未能得到連貫一致的發(fā)展．［6］本文所提到這門課程圍繞“能量”概念建構(gòu)課程體系，從物理學(xué)核心概念的視角重新建構(gòu)物理概念的內(nèi)容，且將能量概念在物理、化學(xué)、生物、地理等多個情境下應(yīng)用，形成整合化的概念體系．對促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知的整合發(fā)展和減輕學(xué)生的學(xué)業(yè)負(fù)擔(dān)有著重要意義，這一理念將指引物理課程從“廣而淺”轉(zhuǎn)向“精而深”的設(shè)計．

6．2 物理課程應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生對當(dāng)今社會現(xiàn)實問題的思考

物理教育中對能量概念的教學(xué)一方面能夠幫助學(xué)生理解整個物理學(xué)及科學(xué)體系，另一方面也能使學(xué)生更好地理解環(huán)境污染、能源危機(jī)等社會熱點問題的本質(zhì)，更好地了解和適應(yīng)社會．目前，國內(nèi)物理課程的教材內(nèi)容相對統(tǒng)一，更新較慢，且缺乏對物理與當(dāng)今社會和地方現(xiàn)實問題的聯(lián)系與討論，不利于學(xué)生應(yīng)用所學(xué)物理知識正確對生活或社會問題做出決策．本文所提到的這門課程內(nèi)容緊密結(jié)合社會現(xiàn)實，將例如世界溫度與二氧化碳含量的關(guān)系，美國各種能源的使用情況，溫室效應(yīng)，俄亥俄州近20年來的氣候變化和降雨量，電離輻射的后果、核能的使用后果，如何節(jié)約能源，氣候和環(huán)境的記錄方法等許多現(xiàn)實問題加入了課程，這樣做有利于學(xué)生在面對當(dāng)今社會問題或解決現(xiàn)實問題過程中，理解和應(yīng)用能量概念．

6．3 物理課程應(yīng)重視學(xué)生的親身實踐

“The World of Energy”課程之所以受到學(xué)生的廣泛歡迎，其主要原因正是其提供給學(xué)生親身實踐的機(jī)會，學(xué)生普遍反映“我喜歡這種親自動手的教學(xué)方法，這讓我很容易理解其蘊(yùn)含的科學(xué)原則，這些小玩意兒讓課堂變得十分有趣”，很多學(xué)生愿意將這門課推薦給自己的同學(xué)．而在我國物理教學(xué)中，缺乏這些與概念緊密相關(guān)，又能夠讓學(xué)生親身體驗和實踐的儀器和素材．只有改變傳統(tǒng)教學(xué)形式，加強(qiáng)課程實踐資源建設(shè)，才能讓學(xué)生在實踐過程中深入理解概念和建構(gòu)概念體系．

6．4 物理課程應(yīng)注重過程性評價

國內(nèi)大多數(shù)物理課程都是采用終結(jié)性評價，導(dǎo)致大多數(shù)學(xué)生對課程的平時投入十分有限，上課效率低下．本文所提到的這門課程，利用課上的工作任務(wù)單全程引導(dǎo)學(xué)生有效學(xué)習(xí)，保證了學(xué)生課上的投入和課后復(fù)習(xí)，結(jié)合生活實際的課外作業(yè)能及時幫助學(xué)生應(yīng)用能量有關(guān)概念．考試成績由2次期中考試和1次期末考試構(gòu)成，將考試內(nèi)容拆解到各個不同時間段，有利于學(xué)生即時復(fù)習(xí)和減少考試負(fù)擔(dān)．

雖然目前我國缺乏圍繞物理學(xué)核心概念的物理課程和教材，但我們不妨以此門課程為參考進(jìn)行一些有益嘗試和研究，例如以選修課程的形式開設(shè)，甚至可以面向文科學(xué)生．通過建設(shè)圍繞核心概念組織的校本教材，實施活動任務(wù)單和親身實踐活動等課程形式，來實現(xiàn)在“實踐”活動中幫助學(xué)生建構(gòu)概念體系的課程目標(biāo)，從而真正促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的整合發(fā)展．

1 郭玉英，姚建欣，張靜．整合與發(fā)展——科學(xué)課程中概念體系的建構(gòu)及其學(xué)習(xí)進(jìn)階［J］．課程·教材·教法，2013（2）：44－49．

2 A Framework fro K－12Science Education：Practices，Crosscutting Concepts，and Core Ideas［M］．Washington，DC：National Academy Press，2012．

3 J Nordine，J Krajcik，D Fortus．Transforming energy instruction in middle school to support integrated understanding and future learning［J］．Science Education，2011，95（4）：670－699．

4 M Wildermuth．Physics 1104：World of Energy：Light，Thermodynamics，Energy Sources［EB／OL］．http：／／www．physics．ohio－state．edu／worldofenergy／，2013－6－20．

5 K Neumann，T Viering，et al．Towards a Learning Progression of Energy［J］．Journal of Research in Science Teaching，2013，50（2）：162－188．

6 張玉峰，郭玉英．圍繞學(xué)科核心概念建構(gòu)物理概念的若干思考［J］．課程·教材·教法，2015，35（5）：75，99－102．

2016－06－06）

本文獲湖北省教育廳人文社科項目“青少年科學(xué)素養(yǎng)進(jìn)階發(fā)展的理論研究與實踐”（15Q052），教育部高等學(xué)校教學(xué)研究項目“基于SPOC的大學(xué)物理翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式研究與實踐”（DWJZW201534zn），湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項目“基于SPOC模式下翻轉(zhuǎn)課堂的研究與實踐”（2015270）資助．