摘 要：在高中物理教学中，仅围绕某一课时的教学设计会使学生在知识理解上深陷“只见树木，不见森林”的困境，而基于主题核心概念的中观教学设计能有效促进学生对核心概念的整体理解。为此，本文以“机械能及其守恒定律”为例，阐述其学习路径设计思想。

关键词：主题核心概念；学习进阶；中观教学设计；机械能

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）11-0066-7

1 问题的提出

教学设计是一个系统性规划教学系统的过程，一般有三种方式：一是指向于整本教材、整个学科知识结构的宏观安排；二是指向某一课时、某一概念的微观层面上的教学安排；三是介于二者之间的指向于结构化主题学习单元的中观教学设计。

目前，高中物理教学的设计视角大多指向微观层面，其原因除了教师缺少基于联系视角进行中观教学设计的整体观念外，更重要的原因在于缺乏合适的架构组织来统领大量具体概念，从而造成了学生在整体知识理解上只见“树木”，不见“森林”的误区。

2 核心概念的层次模型及其学习进阶

前些年，美国教育界针对本国科学课程中“一英里宽，一英寸深”的现象提出广泛批评，由此催生了《美国国家科学教育标准》的重新修订。新标准的核心思想围绕少数核心概念进行知识组织，并对核心概念规定了12年一贯制的学习进阶，以促进学生对核心概念的全面理解。由此，核心概念及其学习进阶逐渐成为全球科学教育领域的研究热点。

关于核心概念及其学习进阶，我国科学教育界在介绍国外相关研究成果的同时，在核心概念的确定原则、核心概念的学习进阶规划等方面进行了研究，并围绕核心概念、学习进阶的教学设计进行了初步的实践探索，但对科学概念层次模型尚未达成共识。在本文中，笔者基于图1所示的科学概念层次模型进行了实践研究。

对于物理学科而言，在图1所示的科学概念层次模型中，居于塔尖的“学科核心概念”只有“运动与相互作用”“能量守恒”等少数几个，但却统摄着数量众多的抽象概括水平依次降低的“主题核心概念”“重要概念”和“基础概念”。因此，围绕核心概念进行教学设计时，首先需要对其组织架构关系进行分析，并对“主题核心概念”“重要概念”等下位概念的学习序列进行合理的规划，即对其学习进阶进行研究。

目前，关于学习进阶主要有两种研究取向，一是基于课程论视角，认为学习进阶是符合学生发展规律的概念序列，其研究取向是对核心概念的学习序列进行宏观规划；二是基于教学论视角，认为学习进阶是描述学生的学习路径，是“学习者认知发展过程中用以‘踏脚的具体的‘脚踏点”，其研究取向是对具体“脚踏点”进行优化设计。显然，二者虽然研究取向不同，但却相辅相成，因为“仅有路径还不足以提供学习者认知发展的支撑，需要寻找学习者每一次进步的‘脚踏点，以此帮助学习者发展和完善原有的认知结构，顺利构建有意义的认知”。

3 围绕核心概念进行教学设计的理性思考

基于图1所示科学概念层次模型进行教学设计，主要有三种取向：一是围绕学科核心概念的教学设计，它一般属于课程专家的研究范畴；二是围绕某个重要概念、基础概念的微观处理；三是介于二者之间、基于主题核心概念的中观教学设计。由于主题核心概念是联系学科核心概念与重要概念的桥梁，这样围绕主题核心概念的教学设计，向上可以契合学科核心概念的学习序列，向下可联系学生的思维过程。因此，基于主题核心概念的教学设计是最佳的中观教学设计方式。

需要指出的是，基于主题核心概念的学习路径不是单个重要概念学习路径的简单拼接，因为重要概念间的关联方式既是知识结构的重要组成部分，也是促进知识结构化的重要途径。因此，只有将它们及其之间的关联方式放在系统的高度去统筹规划，才能围绕进阶层级设计出最优化的进阶路径。

关于重要概念间的关联方式，一般有内外之分，其中有关重要概念间的层次关系、概念属性以及建立过程间的逻辑关系属于内在关联方式，而蕴含重要概念的建立、应用的结构化主题则属于一种外在的关联方式。因此，基于主题核心概念学习路径设计，不仅需要对内在关联方式进行优化重组，同样需要重视结构化主题情境这种外在关联方式的构建，以便学生基于情境获得知识、应用知识，从而在丰富其认知结构的同时，有效培养学生解决实际问题的能力。

4 围绕主题核心概念教学设计的实践研究

在围绕主题核心概念的教学设计时，还需要把学科核心概念解构成“颗粒度”适中的主题核心概念。在本文中，以学科核心概念“能量守恒”为例，首先基于科学层次模型对其组织架构关系进行分析，然后探讨主题核心概念“机械能及其守恒定律”的学习路径设计。

4.1 “能量守恒”的组织架构关系

“能量守恒”是中学物理中几个学科核心概念之一，但它却统摄了Ⅰ中的“主题核心概念”、Ⅱ中的“重要概念”以及若干“基础概念”，具体的组织架构关系如图2所示。（注：由于基础概念数量较多，图中没有列出层次，另外，有关的电磁场能量也未列出。）

在人教版必修2及选修3系列的相关章节中，都是围绕“功是能量转化的量度”和“守恒思想”这条主线进行内容组织的，其中关于“功是能量转化的量度”没有采用新课标之前的教材组织方式——在章首直接说明“做多少功，就有多少能量发生转化”，而是采用逐级渗透，使学生在“润物细无声”中体会这一重要思想，具体渗透的章节如表1。

由表1可知，要实现对“能量守恒”的深刻理解，“机械能及其守恒定律”的学习路径设计至关重要。

4.2 “机械能及其守恒定律”单元的教材分析

纵观图2中主题核心概念“机械能及其守恒定律”的“颗粒度”，非常适合单独构成主题学习单元，但人教版教材没有简单地按其概念序列进行内容组织，而是从以下两个层面渗透“功是能量转化的量度”和“守恒思想”的重要主线。

（1）关于守恒思想的渗透方式

关于守恒思想，教材按“追寻守恒量（动能、势能间的转化及其守恒猜测）→机械能守恒定律及其实验验证→能量守恒”进行组织。在“追寻守恒量”中，以图3所示的伽利略理想实验所隐藏的守恒思想为出发点，重现人类追寻能量概念的思维脉络，初步概括出能量概念，并定义势能、动能，猜测动能、势能在相互转化过程中可能守恒。在“机械能守恒定律”中，运用演绎与归纳的方法建立机械能守恒定律，并安排验证性实验，引导学生从理论与实验两个层面上体验守恒思想。在单元最后安排“能量守恒定律与能源”，其目的是在更宽广的知识背景下引导学生感悟守恒思想，完善能量的知识结构。

（2）关于“功是能量转化的量度”渗透方式

关于“功是能量转化的量度”渗透方式，教材首先阐述在人类认识能量历史过程中建立了功的概念，并举例说明如果物体在力的作用下能量发生变化，这个力一定对物体做了功，以此强调“功”与“能”之间相互依存。其次，是在探讨重力、弹簧弹力做功特点过程中，建立重力势能、弹性势能及其对应的功能关系。最后，是通过“探究功与速度变化的关系”的实验，初步体验合力做功与质量、速度变化关系，然后运用演绎方法建构动能概念和动能定理。

需要指出的是，虽然教材围绕主线进行了精心组织和安排，但我们也注意到，教材中各重要概念之间的联系还是比较隐晦的，因而不利于学生深刻领会主线。另外，基于教学逻辑考虑，教材没有更为清晰地体现出“为什么重力做功对应重力势能变化？为什么合力做功对应动能变化？”同时，在动能和动能定理的建构过程中隐含逻辑问题。

4.3 主题核心概念“机械能及其守恒定律”教学设计

基于上述思考，在设计学习路径时，需要在考虑教学逻辑的同时，突出重要概念间的内外联系。为此，我们以伽利略理想实验及其拓展模型为学习主题，构建起沿追寻守恒量思维脉络的重要概念学习路径图（见图4）。

（1）功的学习路径设计

如前所述，“功”是一个极为重要的概念，其重要性体现在“功”“能”两个概念的相互依存上。因此，“功”概念的建立必然是与能量转化过程密切相关。为此，设计以下学习路径。

①基于伽利略理想实验分析，创建功的概念情境

【问题1】在图3所示的伽利略理想实验中，物体在A→B及B→C过程中，动能和重力势能如何转化？哪个力做功？

点评：以理想实验为学习情境，构建“功”与“能量”的联系桥梁，渗透“功是能量转化的量度”思想，让学生在进一步“追寻守恒量”的活动中建立功的概念。

②基于伽利略理想实验的分析，引出一般情况下功的公式推导

【问题2】动能、重力势能发生相互转化的原因是有重力做功，而在图3所示情况中，重力与位移方向不在一条直线上，那么如何应用图5所示模型中功的计算公式W=F·l来计算重力所做的功？由此引入一般作用力做功的等效处理。

③基于实际实验分析，巩固已学知识，架起联系桥梁

【问题3】对于理想实验而言，物体由A→B、B→C过程中，重力对物体做正功还是负功？在实际情况中，物体沿斜面下滑、上升过程还受到摩擦力作用（见图6），试判断其运动过程中摩擦力做功的正负。

点评：上述学习活动设计的目的除了巩固已学知识外，更重要的是为学生思考“为什么重力做功对应重力势能变化？为什么合力做功对应动能变化？”等问题构建学习路径中的“脚踏点”。

（2）重力势能的学习路径设计

关于重力势能概念的建立，教材按“重力做功→重力势能变化→重力势能表达式”流程进行内容组织，但对尚未建立保守力概念的学生而言，势必会产生“为什么仅仅是重力做功对应于重力势能变化，而不是其他力做功？”的疑问，这是重力势能学习路径设计时首先需要明确的，然后才能按教材组织方式建构重力势能概念。为此，建议按下述方式设计学习路径。

①基于理想实验分析，初步建立重力做功与重力势能变化的对应关系

【问题4】对于图3所示的理想实验，物体由A→B重力做正功，重力势能减少，由B→C重力做负功，重力势能增加，那么，重力势能变化的原因仅仅取决于重力做功吗？其他力做功与重力势能变化之间有无必然联系？要对其进行论证，需要对图3所示模型进行怎样的拓展？

②基于理想实验模型拓展，论证重力做功与重力势能变化的关系

【问题5】对于图6所示的实际问题，物体沿A→B→C运动，试将重力、摩擦力做功的正负及其对应过程中重力势能的变化情况填入表2。

【问题6】若图3中的物体还受到与运动方向一致的拉力（见图7），试将重力、拉力做功的正负及其对应过程中重力势能变化情况填入表3。

【问题7】观察以上两个表格，探寻重力势能变化与哪个力做功相对应？并探讨构建重力势能表达式的方案。

点评：以上学习路径设计中，一方面回答了为什么只有重力做功才对应于重力势能变化，从而有效渗透了“功是能量转化的量度”的思想，另一方面也为动能概念及其机械能守恒定律学习路径设计构建了“踏脚点”。

③基于一般理想实验分析，建立重力势能概念

【问题8】若图3所示的光滑斜面相对某一平面的高度如图8所示，试用mg、h1、h2表示出物体A→B及B→C过程中重力做功的表达式。

【问题9】若将图3的斜面改为一般的曲面，试运用微元法分析重力做功有何特点？如果还是W=mgh1-mgh2形式而与路径无关，那么，mgh就是一个仅取决于重力mg和势h（位置）的物理量，由此，你认为mgh表征了什么性质的物理量？

（3）动能、动能定理的学习路径设计

关于动能和动能定理的建立过程，教材按图9所示理想模型导出W= mv - mv ，并将其称之为动能定理，但是，仔细考查其建立过程，需要回答两个问题，一是为什么是合力做功对应于动能变化？二是由此特殊模型导出的结论具有普遍性吗？也即其建立过程在逻辑上自洽吗？为此，建议按下述方式设计学习路径。

①基于理想实验分析，猜测合力做功与动能变化的对应关系

【问题10】在图3所示的理想实验中，物体由A→B、B→C中，由于重力做功导致动能变化，其重力做功即为合力做功，那么，是否是合力做功对应于物体的动能变化呢？要对其进行论证，应对图3所示装置进行怎样的拓展？

②基于拓展模型分析，论证合力做功与动能变化的对应关系

【问题11】对于图6所示的实际问题，物体由A→B→C运动过程，试将重力、摩擦力及合力做功W的正负及其对应过程中动能变化情况填入表4。

【问题12】若物体按如图7所示的方式运动（物体在右侧斜面上做减速运动），试将重力、拉力及合力做功的正负及其对应过程中动能变化情况填入表5。

【问题13】综合上述两个问题，你认为动能变化是由什么力做功引起的？

点评：以上学习活动设计，一是渗透“功是能量转化量度”的思想，二是回答了“为什么是合力做功对应于动能变化”的问题。

③构建一般模型探究动能变化规律

相比于重力做功与重力势能变化的关系探究，合力做功与动能变化关系更为复杂，因为物体所受合力有恒定、分段变化和连续变化之分，而我们又无法在高中阶段按一般演绎推理方式dW=F·dx、F=ma推得W= mv - mv ，这样，要构建合力做功与对应能量变化关系，就需要分别基于直线运动和曲线运动中不同的作用模型进行分类探索。为此，我们设计了图10所示的学习路径。

需要说明的是，在上述学习路径设计中，重点是构建直线运动中的关系式W= mv - mv ，对于曲线运动，可由微元法及变力作用模型简要说明其结论仍为W= mv - mv 。至于具体的问题设计，参见文献[7]。

点评：在学习路径设计中，分别应用分类、演绎、归纳等科学方法建立起普适功能关系W= mv - mv ，由此再类比于重力做功与重力势能变化关系，则可建立起动能概念、“发现”动能定理，并很好地解决了教材中隐含的逻辑问题。

（4）机械能守恒定律的学习路径设计

关于机械能守恒定律的学习路径设计，教材先以光滑曲面上运动的物体为研究对象，运用动能定理论证其机械能守恒，然后对物体与弹簧构成的系统进行研究，归纳出机械能守恒定律。单纯就机械能守恒定律的学习路径设计，这样安排无可非议，但是将其置于主题核心概念建构这一系统上考查，则不利于学生从总体上感悟守恒思想。为此，建议按下述方式设计学习路径。

①基于理想实验分析，猜测机械能守恒条件

【问题14】对于图3所示的理想实验，小球好像具有“记忆”功能，试用动能定理分析A→B、B→C过程中机械能变化情况，说明小球“记住”了什么？这种“记忆”是否需要什么条件？比如：有摩擦力作用时，是否还有这样的“记忆”能力？

②基于拓展模型分析，归纳机械能守恒条件

【问题15】对于图6所示的实际问题，试将重力、摩擦力做功正负与机械能变化情况填入表6。

【问题16】对于图7所示的光滑斜面，并受到与运动方向一致的拉力作用，试将重力、拉力做功正负及其对应过程中机械能变化情况填入表7。

【问题17】 综合上述两个问题，探讨单个物体与地球组成的系统机械能守恒的条件，并写出图3所示理想实验中物体机械能守恒定律的表达式。

点评：按上述方式设计机械能守恒定律学习路径，按“追寻守恒量”中的猜测达到机械能守恒的理性认识，实现了“追寻守恒量”认识过程的螺旋式上升，同时，又有效建构机械能守恒的条件，加深对守恒思想的领悟。

（5）功能关系的学习路径设计

在人教版教材中，出于认知水平考虑，没有安排除了重力以外的力做的功等于物体机械能变化这一重要功能关系，但在上述方式学习路径中，此类功能关系分析是深刻领会机械能守恒定律的“踏脚点”，这样，只需对上述学习活动中的问题15、16中摩擦力、拉力做功与机械能变化关系进行显性化处理，阐述其物理意义并推广至一般性结论，则可构建起上述功能关系，具体过程从略。

综上所述，对于主题核心概念“机械能及其守恒定律”的学习路径设计，追求的不是每个重要概念的最佳进阶路径，而是按追寻守恒量的思维脉络，通过对伽利略理想实验及其拓展模型功能关系的分析，从中观层面上统筹规划学习内容、学习过程及其重要概念间的关联方式，构建起围绕主题核心概念的最佳进阶路径。

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（栏目编辑 邓 磊）