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。