大概念核心导向下的高中力学实验整合教学的研究
摘要
高中力学实验教学长期面临一个结构性矛盾：实验数量充足，但学生获得的经验是碎片化的。学生能熟练操作“验证牛顿第二定律”“探究动能定理”等单个实验，却难以在“力与运动”“功与能”等主题内部建立实质性关联。这种碎片化困境的根源，不在于实验数量不足，而在于实验之间缺乏统摄性的组织核心。本文以大概念理论为分析框架，结合“力与运动”主题实验的整合实践及多项实证研究数据，从目标设计、情境创设、问题架构和任务驱动四个维度构建大概念核心导向的力学实验整合教学框架。研究发现，整合教学的有效性取决于三个关键条件：大概念的凝练需兼顾学科逻辑与学生认知起点；“
问答与导学”机制需贯穿实验探究的全过程；评价设计需从“操作规范”转向“概念理解深度”。本文还探讨了“
新课程”背景下力学实验整合教学的实践路径与优化方向。
关键词：大概念；力学实验；整合教学；知识结构化；高中物理
一、问题的提出
一个值得追问的现象是：高中生在力学实验中的操作表现与他们对力学概念的理解水平之间，存在明显的落差。学生能够按步骤完成“探究加速度与力、质量的关系”实验，正确采集数据、绘制图像、得出结论，但当被问及“这个实验中的加速度与‘自由落体运动’中的加速度，在概念上是不是同一个东西”时，相当比例的学生表现出困惑。这说明，实验操作层面的熟练并没有自动转化为概念理解层面的贯通。
这一落差的背后，是实验教学组织方式的深层问题。现行力学实验教学多以“逐个实验”为基本单位展开，每个实验对应一个具体规律或定理的验证或探究。这种“一实验一规律”的组织方式有其合理性——它使教学目标清晰、操作路径明确。但当学生积累了十多个实验经验之后，这些经验之间若缺乏结构性的联结，便容易沦为彼此孤立的操作记忆。
2023年，教育部办公厅印发的《基础教育课程教学改革深化行动方案》明确指出要“加强实验教学，强化学生动手操作实验”。但“加强”的方向是什么？如果只是在现有碎片化框架中增加实验数量，效果可能适得其反。真正的问题不是“做多少实验”，而是“实验之间如何发生关联”。
大概念理论为回应这一问题提供了方向。美国科学促进会（AAAS）将“大概念”界定为“能将众多的科学知识联为一个整体的科学学习的核心”。大概念是大脑的“思”，它能构造出思维的“主干道”，以大概念为核心进行实验教学设计，可引导学生像专家一样思考。本文试图回答的核心问题是：在高中力学实验教学中，大概念如何发挥“整合”功能？整合的具体路径是什么？其实践效果如何？
二、现状审视：力学实验教学的碎片化困境
（一）目标碎片化：实验被“降格”为验证手段
在现行教学中，力学实验常被视作物理概念和规律教学的辅助手段——先讲规律，再用实验验证；或先做实验，再总结规律。这种定位使实验教学的目标狭窄化为“加深对某个规律的理解”。张新铭、孙咏萍在研究中指出，当前实验教学“不应将实验教学的目的局限于加强对物理概念、规律的理解”，而应关注科学思维、科学探究以及科学态度与责任的培养。
目标碎片化的直接后果是：学生在每个实验中关注的是“这个实验验证了什么结论”，而非“这个实验揭示了力学世界的什么深层结构”。实验之间缺乏目标层面的统摄，学生难以形成结构化的力学认知。
（二）情境隔离：实验情境与真实问题脱节
另一个突出问题是实验情境的孤立化。每个实验都在特定的实验条件下完成——斜面、小车、打点计时器、砝码——这些条件与学生日常经验之间缺乏有机联系。张新铭、孙咏萍的研究将这一问题概括为“缺乏实验教学情境的创设，难以有机建立实验情境与生活情境的关系，呈现真实生活现象与理想化物理模型间的异同”。
情境隔离使实验沦为“按流程操作”的技术训练，学生看不到实验与真实物理世界的关联，更看不到不同实验之间的内在联系。一个在“验证机械能守恒”实验中测过的小球下落，与在“探究加速度与力、质量关系”实验中测过的小车运动，在学生眼中可能是两个毫不相干的事件。
（三）内容零散：实验之间的关联被遮蔽
高中力学涉及的实验数量并不少：研究匀变速直线运动、探究弹力与弹簧伸长的关系、验证力的平行四边形定则、探究加速度与力质量的关系、探究功与速度变化的关系、验证机械能守恒定律、验证动量守恒定律……这些实验分散在不同章节，各自服务于不同的知识目标。
但从大概念的视角来看，这些实验之间存在深层的内在关联。“探究加速度与力质量的关系”和“探究功与速度变化的关系”都在追问同一个核心问题：改变物体运动状态的原因是什么？“验证机械能守恒”和“验证动量守恒”则分别从能量和动量两个维度回答“运动过程中什么保持不变”。这种内在关联在现行教学中往往被章节壁垒所遮蔽，学生难以自主发现。
三、大概念核心导向的实验整合框架
（一）大概念的凝练：从“力与运动”到“相互作用与运动变化”
大概念核心导向的整合教学，第一步是凝练适切的大概念。这一凝练过程需要兼顾学科逻辑与学生的认知起点。《普通高中物理课程标准》中“相互作用与运动观念”是力学部分的核心素养要求。以“力与运动”主题为例，可以凝练出“物体运动状态的变化源于相互作用”这一大概念。
这一大概念向下统领“牛顿运动定律”“运动学规律”“力的合成与分解”等具体知识，向上连接“相互作用与运动观念”这一学科核心素养。大概念的凝练不是对知识点的简单概括，而是找到能够贯通多个具体内容的核心线索。正如有学者所指出的，大概念“不只是一个聚合概念，也是连接学科知识与学科核心素养的工具和媒介”。
（二）整合框架的四个维度
基于大概念的实验整合教学，可以从目标、情境、问题和任务四个维度展开。
目标整合：从“验证规律”到“建构理解”。 在大概念统领下，每个实验的目标不再是孤立的“验证某个规律”，而是“通过实验证据深化对‘相互作用与运动变化’关系的理解”。目标表述的转变，意味着实验教学的关注点从“结论是否正确”转向“理解是否深入”。
情境整合：从“实验情境”到“真实问题情境”。 将多个力学实验置于统一的真实问题情境中，使学生看到不同实验之间的关联。例如，以“交通事故中的力学分析”为大情境，将匀变速直线运动的研究、牛顿第二定律的探究、动能定理的验证整合为一个连贯的探究链条。何喆宇在“超重和失重”教学中，利用Phyphox工具创设真实情境，探究加速度变化的过程，有效提升了学生对物理概念的深入理解。
问题整合：以“大问题”统摄“子问题”。 大问题指向大概念，是超越知识表层、阐明学科本质的综合性问题。任虎虎、汪明指出，大问题“在知识结构层面，与大概念对应，具有很强的导引和统领作用”。以“力与运动”主题为例，大问题可以设计为“我们如何知道力改变了物体的运动状态？”这一大问题可分解为若干子问题：“加速度与力、质量之间是什么关系？”“力做的功如何改变物体的运动？”“在只有重力做功的情况下，运动过程中什么量保持不变？”
任务整合：以“大任务”驱动多实验联动。 大任务是将大问题转化为学生可操作的学习活动。罗丽丽在“动量守恒定律”单元教学中，以实验为大情境载体，贯穿单元主干内容的学习，“通过实验探究建立动量概念，得出动量守恒规律，再以探究实验为情境，分析物体动量变化”。这种“以实验为大情境载体”的设计，使多个实验形成了前后衔接的探究链条，而非彼此孤立的操作任务。
四、“问答与导学”机制在实验整合中的运作
在整合教学中，问答与导学是贯穿实验探究全过程的核心机制。它不同于传统实验课上“教师讲解步骤—学生按步骤操作—教师总结结论”的单向模式，而是以问题为支点，引导学生在大概念的框架下自主建构理解。
以“探究加速度与力、质量的关系”实验为例，传统教学中学生的操作任务是“改变砝码质量，测量加速度，画a-F图像”。而在大概念统领的整合教学中，“问答与导学”贯穿始终：实验前，教师提出“如果没有力，物体会怎样运动？如果有力但没有质量差异，又会怎样？”——引导学生激活已有认知；实验中，教师追问“你测得的加速度是‘这个物体的加速度’，还是‘这个实验条件下的加速度’？它们有什么区别？”——引导学生区分具体情境与一般规律；实验后，教师提出“这个实验的结论与我们之前做的‘探究功与速度变化’实验的结论之间有什么联系？”——引导学生进行跨实验的概念整合。
这种“问答与导学”的运作，其价值不在于教师提出了多少问题，而在于这些问题是否构成了一条指向大概念的思维路径。“新课程”改革强调素养导向的教学方式转型，其核心正在于此——从“教实验”转向“用实验教思维”。大单元备课思路“聚焦学科核心内容与实践活动之间的内在联系，强调将概念、原理、实验、方法与真实生活情境进行系统化整合”，这为“问答与导学”机制的设计提供了方向性指引。
五、实践检验：整合教学的效果与局限
（一）概念理解深度的提升
Calalb和Dabija在摩尔多瓦四所八年级课堂开展的研究，为概念性问题与同伴教学相结合的效果提供了有力证据。实验组（n=57）接受了嵌入概念问题和同伴对话的教学，对照组（n=53）接受传统教学。结果显示，实验组后测平均分（M=7.37，SD=2.23）显著高于对照组（M=5.98，SD=2.14），效应量d=0.534（p<0.001），而对照组前后测无显著变化（d=0.044，p=0.752）。该研究还发现，最终成绩与陈述性知识（r=0.902）和条件性知识（r=0.905）之间存在强关联，程序性知识的关联相对较弱（r=0.635）。这一发现意味着，大概念导向的整合教学在促进学生概念理解方面的效果，可能比在提升操作技能方面的效果更为突出。
（二）知识结构化水平的改善
牛顿运动定律进阶教学的研究发现，通过大概念统整、实验深度探究和真实情境项目化学习，“促进学生从知识记忆向能力建构的跃升”。研究发现，优化教学设计需聚焦科学思维培养，“通过多维度问题链驱动学生自主探究，并借助跨学科案例深化物理规律的实际应用价值”。
这一结论在“动量守恒定律”单元教学的实践中得到了印证。罗丽丽的研究表明，以大概念统摄大单元教学，“打破章节界限，调整章节顺序，将有内在联系的动量、动量定理、动量守恒定律融合为一节”，以实验为情境载体贯穿单元学习，有效促进了学生对动量概念的深层理解。
（三）实践中的局限
整合教学的实践仍面临若干挑战。首先是教师的大概念设计能力——从“教实验”转向“用大概念整合实验”，对教师的学科理解深度提出了更高要求。教师需要准确判断哪些实验之间存在深层关联，大概念应在什么层次上凝练，这些问题没有现成答案。其次是课时与进度的张力——整合教学在概念理解上的“慢”与教学进度的“快”之间存在矛盾。Calalb和Dabija的研究虽然证明了整合教学的有效性，但也提示这种教学方式可能“需要更多课时投入”。第三是评价体系尚未同步转型——现行考试仍以解题正确率为核心指标，对学生在实验整合中表现出的概念理解深度和跨实验迁移能力，缺乏有效的评价工具。
六、结语
大概念核心导向下的力学实验整合教学，其核心不在于增加实验数量或改变实验形式，而在于为实验之间建立“意义关联”。当学生不再把每个实验看作孤立的操作任务，而是将其视为回答同一个大问题的不同路径时，实验教学的育人价值才可能从“动手操作”层面跃升至“思维建构”层面。这一转变的难度不在于技术，而在于教师是否愿意放慢“做实验”的节奏，把更多时间留给“想实验”——让学生追问实验之间的关联，思考数据背后的概念逻辑，在“问答与导学”的互动中自主建构结构化的力学认知。
参考文献
[1] 张新铭,孙咏萍.基于大概念的高中物理实验教学研究——以“力与运动”主题的实验为例[J].物理通报,2025(2):106-111.
[2] 罗丽丽.大概念统摄下的高中物理大单元教学设计研究——以“动量守恒定律”为例[J].湖南中学物理,2026(1):22-26.
[3] 任虎虎,汪明.以大问题促进高中物理结构化学习的研究[J].基础教育课程,2026(3):61-66.
