什么是物理高端备课.docx

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什么是物理高端备课

什么是物理高端备课

邢红军

首都师范大学 物理系 教授 博士 

物理教学论博士生导师

      各位老师，大家晚上好！

首先感谢杨德发老师的盛情邀请，让我有机会与老师们就物理高端备课进行交流，我欣然接受。

同时感谢朱行建老师在他的群转播本次讲座。

有这样一个与一线物理教师面对面交流的机会实属难得，而且群内的老师都是对物理教学研究具有浓厚兴趣且积极进取的老师。

因此，面对这样一个群体的教师进行交流，我感到特别高兴。

如果讲座中有不妥之处，请各位老师批评指正。

    今晚讲座共分五个方面，一是物理高端备课的缘起；二是密度高端备课的进展；三是机械能守恒定律高端备课的洞察；四是物理高端备课的理论支持；五是物理高端备课的展望。

    一、物理高端备课的缘起

    为什么会想到开辟物理高端备课这一研究领域？

这要从我的物理教学论“情结”谈起。

上世纪80年代，我进入江西师范大学师从周中权先生学习物理教学论，虽然我在读大学期间就在《物理教师》等杂志上发表4篇论文，但是我一直感到自己还是一个物理教学论的门外汉。

直到把硕士论文做完，我才真切地感觉到自己进入了物理教学论这个领域。

因此我常常想，我从周先生那里学到了很多东西，我能为中学物理教学做些什么？

怎样才能报答周先生对我的知遇之恩？

这是物理高端备课的重要缘起之一。

    上世纪90年代末，我晋升教授，2000年经乔际平先生举荐，我被引进到首都师范大学，到达了一个更高的学术平台。

乔先生一生指导了二十多个研究生，但是他并没有把自己的学生留到身边，而是把我引进到了首都师大，这充分体现了乔先生的博大胸怀和无私境界，所以我也常常在想，我应该为中学物理教学做些什么工作？

才能报答乔先生的奖掖与提携。

进入新世纪，承蒙林崇德先生的厚爱，我在北京师范大学发展心理研究所学习发展与教育心理学，研究方向为物理学科能力发展与培养，并获得博士学位。

同样，我也常常会想，我拥有了这个博士学位，也非常难以取得，那我又能为中学物理教学做些什么？

    就我个人的研究工作而言，我先后发表论文200余篇、包括在《教育研究》上发表4篇文章，《课程·教材·教法》上发表20篇文章，发展出“原始物理问题教学”这一研究领域，并且晋升为博士生导师。

一般而言，这些工作还算不错。

但实事求是地说，我对自己的工作并不满意，因为作为一个科班出身的物理教学论研究者，完全可以做出更好的工作，但由于种种原因，自己并没有做出更好的工作。

当然，我还在努力，希望有了满意的工作后再向大家汇报。

    如果偷懒，我完全可以“躺”在这些工作上直至退休，但是我感到那样就是在浪费生命，对不起自己的辛苦付出，所以，我愿意做一些与我的考核没有任何关系、但是对中学物理教学可能有一些意义的事情，这就是物理高端备课的缘起。

    二、密度高端备课的进展

    照顾一下初中物理老师，先讲密度的高端备课。

    怎么想到要做密度的高端备课呢？

这是因为我在上世纪70年代上初中学习“密度”时，就始终不明白为什么要用质量除以体积来定义密度，这个问题直到2004年我才明白。

但是怎样把密度这节课备好？

我一直在思考。

总结起来，关于密度的高端备课有这样几个环节：

一是直觉，发现目前教材当中的“密度”编排是有问题的；二是洞察，洞察出来密度教学的关键步骤。

这一步是我们在做密度高端备课时才解决的。

当然，它的核心思想是要明白比值定义法的本质是什么——比较要选取相同的标准。

这其实是需要物理科学方法教育的理论背景；进一步，还需要考虑教学的逻辑；最后，需要考虑教学的生态化。

下面就来介绍我们“密度”的高端备课。

现行教材之所以未能合乎逻辑地得出密度概念，归根结底还是因为没能解决为什么要用两个量相比来定义密度这一核心问题。

因此，由“比值一定”导出密度概念，就必然导致逻辑上倒果为因的错误，由此引发的教学偏向也就可想而知。

对此，我们认为，只有依据比值定义法的内涵，才能展现本节课的教学过程并有力地表达密度教学的逻辑。

以下是我们设计的“密度”概念高端备课的四个教学环节。

（一）有心栽花花不成：

直接比较两个不同物体的质量

    事实上，权衡、掂量不同的物体是人们对经典物理世界最朴素、最本原的感知[4]，因此，在明确质量这一描述物体量化属性的物理量之后，如何比较不同物体的质量就是一个需要解决的问题了，而密度概念的教学就应立足于“比较”物体“谁轻”、“谁重”这种本原的、朴素的动机。

所以我们提出，教材应该将长期以来用作引入密度的“鉴别物质”思路转变为“权衡轻重”的思路。

这既与源于学生日常经验的认知倾向相一致，又符合比值定义法的核心思想与本质内涵。

所以，密度概念引入的后续操作都应在这一思想引领下展开。

据此，可以引导学生提出：

通过直接比较两个不同物体的质量来判断物体的“轻”“重”，从而得出密度的表达式。

根据作文起、承、转、合的章法，这一教学环节由直接比较物体轻重发端，谓之“起”。

    选择一小块铁（质量

，体积

）与一大块石头（质量

，体积

）进行比较。

（如图2所示）结果发现，直接比较无法得出符合学生日常经验的结论。

因为石头比铁更重！

针对这一困惑和认知冲突，教师可以引导学生分析原因：

导致直接比较出现错误的原因是没有选取相同的标准。

于是，解决问题的方法就是在比较时选取相同的标准。

（二）栽花不成选标准：

选取相同的标准继续比较不同物体的质量

    据此，需要将物体的体积变成一样，即选择同样体积的铁块和石块，这意味着将体积选作了标准。

然而这并非要对物体采取切割、弥补等手段，而是利用除法这一数学工具，把质量与体积相除，使体积这一标准化为“一立方米”。

用除法得到比值“

”后，就可以有效地进行比较了。

这一比值的形式也与公式“

”顺理成章地初步建立了联系。

    按照这一思路，得到铁块的比值

，石块的比值

。

结果发现，虽然比值的大小契合了学生的日常经验（铁比石头重），但却与我们的研究思路并不一致（直接用物体的质量大小来衡量物质的轻重）。

这一比值为什么不同于“权衡物体轻重”的初衷？

比值的含义是什么？

由此就需要展开第三步的教学环节。

本环节我们谓之“承”。

    （三）无心插柳柳成荫：

诠释比值的物理意义

    在本环节，我们选择多组不同的铁块与石块进行测量、比较，用来解答上述两个问题并通过量化分析研究比值的内涵与变化趋势，测量与计算结果如表2所示。

    研究多组数据发现，比值同物体的质量和体积均无关系。

至此，研究思路发生了重大变化。

因为我们原本是要比较质量大小，结果却出现了一个与质量无关的常量。

如果说，第二环节是“有心栽花花不成”，那么第三环节就可谓“无心插柳柳成荫”。

这一步的教学经历了研究结论从“有心栽花”到“无心插柳”的微妙变化，谓之“转”。

    至此，比值“

”更深层次的物理意义才被顺利得出，即比值是物质的疏密程度，它把物体量的差异进一步抽象到了致密度（density）这一更深、更抽象的层次上[4]，它反映了物质本身的一种属性，我们将其称为物质的“密度”。

在这一环节结束之后才给出“密度”的称谓，充分体现了高端备课的精妙逻辑要求。

    （四）世事洞明皆学问：

联系学生的生活经验理解比值定义法

    比值定义法不是一整套机械的操作，而是有核心思想的驱动与思维方法的调控。

具体而言，比值法不是抽象的，而是有深刻的物理内涵。

所以，第四个教学环节就要联系学生朴素的生活经验，增加对比值定义法的体认，使学生对科学方法的认识更加丰满。

    实际上，比值定义法有着广泛的日常经验基础，认为其抽象是因为不理解这一方法的本质内涵，即只知道比，而不知道为什么要比。

而“比较要选取相同的标准”，这种思想与学生已有的经验是高度一致的，进一步教师可以举出这样的例子：

小明的爸爸下班，走到小区门口，买了4斤2两橘子，花了16.38元。

小明的妈妈也下班，走到小区门口买了5.7斤橘子，花了21.09元。

问小明的爸爸和妈妈谁买的橘子更便宜？

在这里，学生很容易理解，比较选取相同的标准就是一斤橘子的价钱。

奥苏贝尔认为，有意义学习就是符号代表的新知识与学习者认知结构中已有的适当观念建立了非任意的和实质性的联系[5]，显然，这种举例与奥苏贝尔的理论具有一致性。

    除的概念非常抽象，而这一环节的教学意义在于它很好地表达了密度概念是用学生已经拥有的“比较要选取相同标准”的思想来解决这一问题的，从而使学生产生成功的体验。

因此，该教学环节就绝非画蛇添足，而是锦上添花。

这一教学环节我们谓之“合”。

    密度高端备课背后的东西：

   1、把密度的“鉴别物质”思路转变为“权衡轻重”的思路是非常重要的！

这其实就是一种教学的思想，能想到这个地方也很不容易。

在技巧层面上，“直接比较两个不同物体的质量”的观点是一种“欲擒故纵”的教学策略，能够很好地引领学生进入到“密度”的教学当中。

    2、“选取相同的标准继续比较不同物体的质量”这一教学环节体现出的是对比值定义法本质的清晰认识。

同时牵涉到对于学生思维方法的训练与引导，具体就是“怎样选取相同的标准”。

最后启发学生运用“聪明”的方法——即采用“除”的方法达到选取相同标准的目的，使质量除以体积水到渠成地呈现，从而解决“为什么要用质量除以体积”这一密度教学长期未能解决的问题。

    3、密度高端备课最精彩的地方就是要讲出“意外”的结果——这一步是“欲擒故纵”的“擒”，这一步并不是预想的结果，预想的结果是直接比较质量，但是这一步出现了一个与质量和体积都没有关系的常量。

这才是密度教学的“灵魂”之所在！

这才是真正的物理教学！

这一步也体现出了科学研究的韵味，就是让学生体会到，科学研究的结果常常是在我们的意料之外的，同时又在情理之中。

著名作家柳青曾说过一句话：

“人生的道路是漫长的，但关键的地方只有几步。

”把这句话迁移到密度这节课的教学中，也就是：

讲这节课需要说很多的话，但是关键的话只有几句。

而那种“意外”的结果，就是密度教学最关键的一句话。

  这一步是整个密度教学的“画龙点睛”之笔。

  4、“联系学生的生活经验理解比值定义法”属“锦上添花”。

  在不严格的意义上说，没有第四步密度教学也是可以的，但是美中不足，把“买橘子”的故事作为密度教学的最后一个环节，既体现了物理教学的生态化思想，有体现了学生的主体地位，使学生感受到他是密度教学的主人，而不是密度教学的局外人。

  所以，当把理论学活学透以后，它自然而然地就会成为教师教学的行为

    三、机械能守恒定律高端备课的洞察

（一）问题提出与分析

“机械能守恒定律”在现行物理教材中被单列一节，它是在学生掌握功、动能、势能以及动能定理之后，为学生理解能量守恒定律奠定基础。

由于机械能守恒定律内涵的抽象性、条件的复杂性以及应用的多样性，一直以来都是教学的重点和难点。

历史上诸多论者都对本节课展开讨论，然而思路清晰、逻辑合理的教学设计尚未涌现，有鉴于此，我们展开了系统的研究。

现行人教版教材“机械能守恒定律”一节首先揭示了机械能的概念：

“动能、重力势能、弹性势能统称为机械能”，随即提出问题：

“动能和势能的相互转化是否存在某种定量的关系？

”然后以物体沿光滑曲面滑下为例，讨论只有重力做功时的情况。

并运用动能定理、重力做功与重力势能变化的关系，推导得出“在只有重力做功的情况下，机械能总量保持不变”的规律。

最后，教材总结了得出机械能守恒定律的条件和内容。

我们认为，教材的编排存在三个问题。

其一，推导过程采用的物理符号不够明朗；其二，对于动能和重力势能的相互转化，教材所举“物体沿光滑曲面滑下”的例子只涉及了重力势能转化为动能的情况，而对动能转化为重力势能的情况却没有包含，因此教材呈现的只是完整物理过程的一半。

第三，教材编写并未能阐述机械能守恒定律推导的来龙去脉，对机械能守恒定律推导中隐藏的科学方法没有阐述，从而导致学生对机械能守恒定律缺乏真正理解。

本节高端备课通过阐明机械能守恒的条件，建立重力做功与机械能转化的联系，并力图按照科学方法显化的思路去诠释教学的逻辑，以期对机械能守恒定律的教学有所启示。

（二）教学设计与阐释

如图1所示，我们提出的教学设计由以下三个环节组成：

    我们希望通过三个依次递进又相互关联的教学环节，为机械能守恒定律的教学开辟一扇新的窗口。

1、创设问题情境的完整性

    如前所述，现行教材对问题情境的创设采取了“物体沿光滑曲面滑下”的形式，然而这与传统教材采用“自由落体”的情境一样，并没有体现机械能守恒定律中能量转化双向性的特点，即仅有重力势能转化为动能，而没有动能向重力势能的转化。

鉴于此，我们创设了光滑且对称的曲面内小球运动的情境，如图2所示：

A为初始位置，O为最低点，B为小球上升到的最高点。

    在呈现这一情境后，即可引导学生聚焦问题：

小球从初始位置A又下滑至最低点O的过程中，机械能转化有何定量关系？

从最低点O继续爬升至最高点B的过程中，机械能转化又有何定量关系？

为解决这一问题，教师应引导学生自主设置解决问题所需的物理量。

可设小球质量为M，运动速度为v，高度用带角标的h表示（选取O为参考平面）。

2.体现理论推导的逻辑性

    从理论上推导得出机械能守恒定律是本节的核心内容，这一环节的教学应体现出推导的逻辑性。

    现行教材的推导采用了符号

，这一做法并不符合学生的物理认知水平。

其原因不仅在于

的相似性使初学者容易混淆，更在于这两个符号过于抽象，使学生在学习过程中难以将物体动能与重力势能的变化与推导过程联系起来。

因此，我们认为推导应使用学生熟悉的物理量，即将重力势能表达为“mgh”，将动能表达为“（1/2）mv^2”。

这样可以避免符号的“转译”过程，使学生在学习过程中更为直接地理解物理本质。

机械能守恒定律推导的核心在于推导的思路。

虽然所研究的问题情境非常简单——只有重力做功，物体的动能与重力势能之间进行相互转化，但其中推导的核心思想多年来一直未能揭示，从而导致学生在学习中始终处于“知其然而不知其所以然”的状态。

我们的研究表明，在机械能守恒定律的推导中，重力扮演着一个非常微妙和隐蔽的角色，并且非常难以被觉察。

即重力扮演着一个“一力二用”的角色。

一方面，重力做功使物体的动能增大，另一方面，重力同时做负功使物体的重力势能减小。

这一过程虽然在同一时刻发生，但在机械能守恒定律的推导过程中却需要采用“分离与控制变量”的方法，对动能的变化和重力势能的变化分别加以研究。

这一关键的教学思想需要在教学中明确向学生讲解。

具体实施步骤为：

在重力做正功时，只考虑动能的变化而不考虑重力势能的变化，于是引导学生运用动能定理列出方程：

在重力做负功时，只考虑重力势能的变化而不考虑动能的变化。

在列方程时，教材的依据是“重力做功与重力势能的关系”，而实际上从对称性的角度看，这一关系其实应该称为“势能定理”，于是有：

传统教材与现行教材在推导机械能守恒定律表达式中，明确使用了描述动能变化的“动能定理”，而在描述重力势能变化时虽然也使用了重力做功与重力势能的关系，但是没有明确地将其上升为一条定理的地位。

这一问题貌似微小，然而却不容忽视。

学生不禁会问：

为什么不能像动能定理一样将其定义为“势能定理”？

事实上，由于本部分内容涉及物理学中最核心部分的结构与内涵，因此，有必要使学生充分认识不同物理规律在理论推导中的地位和作用。

由于上述推导没有将重力做功与重力势能的关系对应地上升为一条“定理”，因而也就没有能体现出动能转化与重力势能转化的对应与对称关系，从而影响了推导的逻辑性，并最终影响学生知识结构的完善。

    我们认为，教材有必要在之前“重力势能”一节将“

”提升到“势能定理”的地位，并明确其物理意义：

物体重力做的功等于物体重力势能的减少量。

如此，在机械能守恒定律一节就可以直接采用这一结论进行推证。

将①②两式联立得：

③式表明，小球重力势能的减少量等于重力做的功，又等于小球动能的增加量。

这个表达式充分体现了重力做功“mgh”作为机械能转化量度的作用和地位，凸显了功是能量转化量度的特征。

最后，经过简单的移项即得机械能守恒定律的表达式：

 ④式表示，重力做功是引起机械能转化的原因，机械能转化是重力做功的结果，并可用功的大小去量度能量转化的多少。

而在一个没有外力做功和非保守内力做功的保守系下，联系任意两个状态，系统的机械能发生不同形式的转化，但是总量保持不变。

3、彰显教学过程的自组织

   为了使学生更深刻地理解机械能守恒定律中能量转化的双向性，在教学的这一环节，教师可以设计学生自主推导小球从最低点O到B点运动过程中重力势能与动能之间转化的关系，以巩固学生对机械能守恒定律推导的掌握。

  如果说在教学的前几个环节，学生还处于认知状态的“被组织”阶段，需要教师积极引导，那么本环节教师就要大胆放手，让学生自己思考、酝酿、尝试，通过自主推导完成认知状态的转变，到达认知上的自组织阶段。

  机械能守恒定律高端备课背后的东西

1、注意物理符号的心理效果

  物理学作为一门大量运用数学语言的科学，绝大部分物理量都以符号表达，物理教学当然要使学生学会理解符号、运用符号并用符号来分析问题，然而在教学过程中，还要充分注意物理符号对信息传递的影响。

在机械能守恒定律的教学中，应尽力降低学生的认知负荷，避免使用

等抽象的物理符号，而要采用物理意义更加明朗的“mgh”“（1/2）mv^2”参与推导，这样才能使学生更好地理解推导的过程与结论。

    2、创设简约完备的物理情境

  本节高端备课启示我们，物理教学情境的选择不能随心所欲，而应使物理情境有助于学生在头脑中形成正确而清晰的物理表像。

在机械能守恒定律的传统教学中，采取了自由落体运动和物体沿光滑曲面滑下的情境，由于没有体现动能与重力势能转化的双向性，因此存在一定的缺陷。

而我们创设的情境就充分体现了机械能转化的双向性，体现了物理过程的完整性。

进一步，从更加精细的层面考虑，虽然单摆也能够体现物理情境的“双向性”，但由于含有摆线这一无关因素，就会影响物理本质的凸显，因此采用碗状的光滑曲面更加合适。

由此可见，情境细节所体现的信息对教学的影响也是需要仔细考虑的。

    3、彰显重力做功的物理意义

在机械能守恒定律教学中，重力做功促使重力势能与动能相互转化，表明一种形式能量的增长总是伴随着另一形式能量的消减，而且二者在数量上也存在着确定的等量关系，表现为物体系统机械能总量保持不变。

本节高端备课充分体现了这一内涵，展现了重力做功在能量转化过程所中起到的“桥梁”作用。

这不仅深刻诠释了“功是能量转化的量度”这一重要的物理思想，而且能够使学生深入理解机械能守恒定律的物理本质。

4、显化“分离与控制变量”的科学方法

高端备课对于隐蔽的“分离与控制变量”方法的挖掘也堪称点睛之笔，从而使重力做功的物理意义得到淋漓尽致的展现。

5、洞察出“重力做功与重力势能的关系”背后的物理本质

    能看出“重力做功与重力势能的关系”的本质，是这节高端备课最重要的工作，这个工作要靠物理直觉，同时，从“对称性思想”出发进行思考，是发现这个问题的重要思维通道。

因此，中学物理教学需要琢磨，需要理论的指引，不能一味地依靠经验。

    四、物理高端备课的理论支持

    我在做物理高端备课的时候，有以下的理论背景

    1、在三十余年的教学生涯中，我曾经十多次讲授过理论力学、电动力学、热力学与统计物理、普通物理等课程，这些教学经历成为我进行物理高端备课的一个重要基础！

    2、我先后做过“物理能力培养”、“物理科学方法教育”、“初中物理科学方法教育内容显化”、“高中物理科学方法教育内容显化”、“运用原始物理问题促进中学生思维品质的发展”等包括全国教育科学规划课题在内的不同层次的物理教育研究课题，这些经历也构成我做高端备课的一个重要支撑。

    3、我所做的物理能力理论、物理科学方法显化教育、教学过程理论、原始物理问题教学理论等理论工作，构成了物理高端备课的理论基础。

    老师们在读我们所做的高端备课的时候，特别是在“启示”部分可能会隐隐约约地感觉到，它们与一线老师所做的物理教学设计具有不同的“味道”，或者说风格不同，而这种不同的风格，其实就是我们在做高端备课的过程中把理论渗透了进去。

    一句话：

物理教学研究需要理论的滋养。

    五、物理高端备课的展望

  每一节高端备课都是由我提出创意，然后带领我的研究生进行工作的，如果高端备课当中有一些错误或者瑕疵，都由我来负责。

  物理高端备课其实不是物理教学研究的终结，而是一个新的开端。

特别是要说一下这个名字，其实我们没有其他的想法，只是借用来作为物理教学设计的一个名词而已。

不是说我们做的就是“高端”的，而一线老师做的就是“中端”的或“低端”的。

我们也不可能为一个名词花费太多的思考与讨论，它只是一个名词，我们借用而已。

其实老师们今后做教学设计，也可以叫“高端备课”，因为那不是我们的专利。

  物理高端备课更多的是一个大学的物理教学论老师看待中学物理教学设计的一个视野，和一个角度。

其目的是为了促进中学物理教学设计，使中学物理教学设计不要成为一潭死水。

我们也欢迎广大一线教师对我们发表的物理高端备课“评头论足”、商榷讨论。

从而在物理教学设计这一领域里面形成百花齐放、百家争鸣的局面。

这也是我们做物理高端备课的目的之一。

 当然，我们也觉得物理高端备课不是篇篇精彩，但还是有一定程度的突破。

比如在初中物理教学设计领域，乔际平、张宪魁先生主编，1991年出版了《初中物理教材的选择与分析》是一个经典之作。

但20多年过去了，初中物理教学设计似乎没有太大进展，我们所做的“密度”、“压强”、“欧姆定律”、“电压”、“阿基米德原理”等高端备课还是在前人研究的基础上有了很大的进展。

在一定意义上，物理高端备课搭建了一个连接《物理课程标准》、物理教材与物理课堂教学之间的一座桥梁。

    【高端备课评论】

  邢教授的报告所列举的四个案例恰似黑夜里的导航灯，为我们拨开了眼前的迷雾，尤其是“密度”一节的高端备课，一针见血地指出了教材设计中的不足，并未我们阐释了改进的方法和为什么要这样改进，十分准确地对学生的前概念做了定位，通过环环相扣的问题，帮助学生在头脑中自然地生成密度概念，完成了真正意义上的科学探究。

  济南市任城区教研中心 李志强——山东省2013年中小学万名骨干教师培训工程初中物理骨干教师高级研修班简报 第二期

  邢红军教授的“高端备课”，更是标新立异独树一帜，给我们耳目一新的感觉。

  看似神秘且高不可攀的理论，邢教授却用了几个身边的课例，娓娓道来，字斟句酌，环环相扣，步步为营，有理有据，让听课的老师们心服口服。

  临沂市第三十五中学 孙丽——山东省2013年中小学万名骨干教师培训工程初中物理骨干教师高级研修班简报 第二期

  在物理高端备课的过程中，我所指导的2011、2012级八名物理教学论研究生截至目前发表了以他们为第一作者的文章42篇。

他们在高端备课的过程中得到了迅速的成长。

    我衷心的希望，今天参加讲座的各位老师能够从物理高端备课当中汲取到一些启发，那就是对我们工作的最大肯定。

我也深知，今天参加讲座的各位老师都是非常热爱物理教学研究的，否则你们不会花费很多时间在群里进行学习讨论。

因为我见过太多不看文献、不写论文、不思进取的中学物理老师。

与这样的物理老师相比，我觉得你们才是我国中学物理教学发展的希望。

    我喜欢那些在自己职业生涯中锐意进取的中学物理老师。

谨以这句话作为我今晚讲座的结束语！

谢谢各位老师！

    最后，再次对杨德发老师和朱行建老师表示感谢！