概括
本文以“ETA物理认知模型”为指导，以高中物理“静电场”单元为例，围绕教材顺序重构、教材优化、教学过程逻辑性体现、科学方法体现、课程思政显性与隐性教学等几个教学设计重点，总结出物理教学的“四美”：导论艺术之美、逻辑简洁之美、方法力量之美、人文情怀之美。
关键词：ETA物理认知模型；大单元教学设计；静电场；比率定义法；类比法
论文认为，对高校思想政治理论课的教学具有良好的指导作用。以“ETA模型”的11个步骤为指导，以高校思想政治理论课为案例，围绕“四个维度”进行教学，即：教学的层次性、教学的秩序性、教学的逻辑性、教学的艺术性、教学的力度性、教学的实效性。
关键模型；大单位；领域；比率；
1 简介
1.1 “ETA物理认知模型”简介
这一模型是北京大学穆良渚教授根据其对物理学发展的研究而发展起来的，共包括11个步骤，每个步骤都有相应的认知目标，运用相应的认知方法，在认知过程中感悟物理学的精神。实验物理：①观察物理现象（分类）；②选定研究对象（简化、还原）；③明确研究问题（主次方法）；④定量描述性质（类比、换算）；⑤发现实验规律（极值法、控制变量法）；理论物理；⑥建立理想模型（模型法）；⑦建立公理认知（数理逻辑、归纳、猜想）；⑧实验证伪检验（特例法）；应用物理；⑨解释现有现象（推理、类比）；⑩预测可能发生的事件（推理、类比）；技术发明创造（联想、类比、推理）。[1]
1.2 “ETA模型”是大单元教学设计的导航图
“ETA模型”与认知学习推进理论（经验、映射、联想、系统、整合）非常相似，与辩证唯物主义的唯物论、认识论、方法论相一致。穆老师认为，这与马克思主义哲学受到物理学发展的启发有直接关系。显然，用物理教师都熟悉的语言体系来构建教学理论，比从外语翻译教学理论更能引起一线教师的共鸣。
物理教学的过程无非就是“数理逻辑线索、历史发现线索和认知建构线索”的协调统一，这正是著名的“逻辑和历史同一性”的哲学观点。恩格斯认为逻辑与历史的关系类似于胚胎生长与古生物进化的关系。“它使我们懂得，为什么物理教学的逻辑体系必须是物理学总体及其主要环节的历史发展的反映；为什么历史上的关键性突破和物理学家前辈伟大贡献的精髓应当成为物理教学的重点；为什么学生在教学中面临的困难往往与物理学史上长期未能攻克的困难相重合，始终带着历史的印记；等等。”[2]“ETA模型”的前四项构成物理概念课程，“ETA模型”的前七项构成物理规律课程，“ETA模型”的后四项构成专题课程。 物理学发展的每个模块（大多数教材的章节划分依据）都经过“ETA模型”的步骤。[3] 这样，物理学大单元教学设计就可以完全沿着每个主要概念的“ETA”生成路径构建。认知链条一旦完整，核心能力的各项要素就会凸显出来。
2 “ETA”指导下“静电场”单元的教学
2.1 教材分析与章节优化
人民教育出版社《高中物理教材必修3》中“静电场”的单元目录如下：
第九章 静电场及其应用 1.电荷；2.库仑定律；3.电场和电场强度；4.静电的防治和利用。 第十章 静电场中的能量 1.电势能与电势；2.电势差；3.电势差与电场强度的关系；4.电容器的电容量；5.电场中带电粒子的运动[4]。
从“ETA”角度来看，“静电的防治与利用”、“电容器电容”、“电场中带电粒子的运动”属于A应用环节，其他属于ET实验理论环节。在ET实验理论尚未构建好之前引入A应用，必然会出现犹豫不决、思路不清晰的问题，最终需要在ET之后重新审视。对概念逻辑关系的进一步考量安排如下：
第九章 静电场的描述和规律。1. 基本电荷和电荷守恒定律，2. 库仑定律，3. 电场强度和电场线，4. 电场力所作的功和电势能，5. 电位差和电位，6. 电位差与电场强度的关系，7. 电场线与等势面的关系。第十章 静电场的应用。1. 静电的利用与防护，2. 电容器及其电容，3. 带电粒子在电场中的运动。分节后内容与教学参考课时一致。
2.2 教材分析中的案例研究替代
“ETA”认知模型把“观察物理现象”作为第一步，物理概念始于物理现象，终于实际应用。穆老师解释道，人类的一切认知最初都来自观察和体验，就像婴儿探索球一样，看、摸、踢、咬，感官调动得越多，收获就越接近完整。对此，《课程标准》要求“物理概念的确立需要创设情境。学生在学习物理概念之前留学之路，已经基于生活经验形成了大量的经验常识。要在此基础上建构物理概念，必须对观察到的现象进行再加工，在众多客观情境中总结事物的共同属性，抽象出事物的本质特征，完成从经验常识到物理概念的转化。”[5]
教材每节开头都是一个小实验，或者一个生产、生活中的现象。2004年版教材编写时，航天英雄杨利伟乘坐“神舟五号”成功返回，2019年版修订时，已经是“天宫”时代了。与时俱进，教师要找一些更贴切、更新颖、更震撼的案例来替换。把“雷火炼制殿”的图片替换成“雷电闪闪”下一个人坐在殿内的视频。把“断发模拟电场线”（平面上小）替换成“合成纤维细丝模拟电场线”（立体上大）。课堂生成总是比课本上的陈述更生动有趣。 这里简单记述一下笔者在课堂上做的实验《观察电容器的充电放电》：取一只“450V、50μF”的电容器，用400V的直流电压充电，然后把两极接在一起放电，让学生看到火花，听到啪啪声，然后看到焊在一起的电极铜丝，断开连接再充电，告诉学生，我想尝尝电的滋味，就把一个电极含在嘴里假装咬。见学生愣住了，我说我就是吓唬你们，然后真的咬了，安然无恙。我换了另一个电极，依然安然无恙。是不是没好好充电？有学生点头表示同意，两极接在一起，声音和灯光依然存在。结论是单极不能放电，所以电器维修中还有一个步骤，就是先把电容器放电。
制造认知冲突，引发深度思考，教学实验的成败都是有预谋的。脑科学研究认为，这样的激活会诱发右脑某个区域的兴奋。网络素材海量，但课堂需要积累、筛选、处理，避免无效信息超载。这就是教学艺术之美，符合“广告美学”的“AIDA”标准，要求简洁、犀利。
2.3 教学主线的明确逻辑
“ETA”认知模型的11个步骤为构建教学设计提供了基本环节。教材整体上是按照认知规律编写的，但也存在一些不合逻辑的地方。例如：
按照“电位差就是电势差”的算术逻辑，教材选择先讲电势，后讲电位差，将两个概念分成两段。丽江导游对山东游客说：“你们家我们的床比泰山还高！”游客先是一愣，随后会心一笑。这意味着，在人们的头脑中，高度的概念是相对的，其实是高度差的概念。物理学中的概念都是先实体化，后命名的。对物理学术语的理解，往往不能通过分解文字来解释，它们更像是具有约定内涵的成语，字面意思不足以表达组合的意义。因此，从势能定理出发，用比率定义法同时建立“电位差”和“电势”是本题的逻辑。图1为板书设计片段。
教材用表面重力场类比均匀电场，得出“静电力所作的功与电荷的起始和终止位置有关，与电荷所走的路径无关”的结论。解说员说：“虽然这个结论是从均匀电场得出的，但可以证明它同样适用于非均匀电场。”[4]这一撇开，给建立“场”这个理解“势”的重要物理概念留下了隐患。毕竟，只要是恒定的力，所作的功与路径无关。这里就需要分析点电荷的电场，为理解电势的叠加性打下基础。微积分的函数理解可以避免，但微积分的几何理解在“必修课1、2”中出现过多次，所以在实际教学中，补充了“点电荷电场中电场力所作的功与路径无关”的图解分析。 如图2所示，任意曲线的运动轨迹看作以+Q为圆心，半径无穷小的圆弧的延伸，电场力在圆弧的一小段上不做功，但在半径的一小段上电场力所作的功可以累加起来，最终的结果相当于从A点沿圆弧运动到A′点，再沿半径运动到B点。结论：点电荷电场力所作的功与路径无关。
与初中物理相比，高中物理更注重量化，而与大学物理相比，高中物理则是量化的一个极端例子。“自然科学的目的是为自然现象提供一套合理而系统的解释，并使我们能够根据过去的经验对新的环境作出预测。理论是这种论证的形式基础。它不一定非要用数学语言来表达，但数学语言给了我们最有力、最普遍的推理方法。”[6]《ETA》⑥建立理想模型（模型法）和⑦建立公理认知（数理逻辑、归纳、猜想法），这两个步骤一直是教学的重点和难点。
现象是物理的根，数理逻辑是物理的干。物理概念和规律的教学，要经过四重解读，从日常语言（中文、英文）到物理语言（独家理解）再到代数、几何。“场”这个物理概念，是一切物理概念的中心，是一个大概念，是相互作用、能量的基础。整个物理都和“场”纠缠在一起，有的认识已经比较完整，有的还在发展中。场强、电场线、电势、等势面，两个代数，两个几何，是矢量场、标量场高中物理的认知，在理论上相互联系，在应用上相互支持。因此，它成为高中物理各章中逻辑最复杂、最深奥、最难理解的单元。
学习物理更像是种树的过程，而不是画树的过程。新概念的建立总是需要一套已经消化吸收的概念体系作为支撑。理顺逻辑体系构建教学大纲，演变为黑板设计。黑板是笔记的示范，做好笔记是支撑高效学习的必要手段。严谨、自洽、简洁是物理逻辑之美。与之对应的黑板之美是“大纲清晰，逻辑清晰；简明扼要，一目了然；图文丰富，赏心悦目”。
2.4 教学子线表现法
“ETA”将常规物理方法与认知的11个步骤相对应。穆老师认为，“物理方法的训练必须与认知过程相结合，如果不遵循这个规律，就会出现很多问题。比如现在的高中物理教育基本忽略了认知过程，直接跳到了认知应用阶段。其实很多训练都是在认知应用方法上进行的，做题的过程就是把已有的公理理论记住，然后反复应用到题目设定的情景中，这其实是应用性思维的训练，不利于学生整体认知方法的训练。”[1]
课程标准中的科学方法分为科学思维方法（理论层面）和科学探究方法（实践层面），本单元着重讲解“建模方法”、“比率定义方法”和“扭力天平方法”。 教材在本单元中用一段话介绍了“比率定义法”（摘录如下：在物理学中，常用物理量的比率来表示研究对象的某种性质，例如密度ρ用质量m与体积V的比值来定义，速度v用位移l与时间t的比值来定义，电场强度E用静电力F与电荷q的比值来定义等等。在定义一个新的物理量时，也要确定这个新物理量与原物理量之间的关系。比率定义中蕴含着“比较”的思想，例如在建立电场强度概念的过程中，比较的就是静电力对同种电荷的试验电荷的大小[4]）本单元用了五次这种方法（比率电荷、场强、电位差、电位、电容）。从《初中物理》到《必修课1、2》，都多次用到“比率定义法”。 本单元已经没有必要单独呈现，这样的呈现也非常初级，不符合高中阶段的认知要求。比较是指两个或多个类似事物的相同与不同或优劣的区分，属于个体与共性的关系。“比较”并不专属于“比量”，乘积定义的动能也用于比较物体的工作能力。在形式逻辑中，一切概念的形成都要经过比较、反思和抽象。比是一种数学运算，最初是用来比较两个相似物理性质的差异，分子除以分母就是倍数。比定义法是一种科学的抽象方法，它量化并简化了描述现象所需的语言，具有从表象表达机制的深刻含义，是现象与本质的关系。比定义的参数有量纲，不能说力是电荷的多少倍。定义公式带有人为约定的色彩，是规定而不是定律。 与定律公式不同，它不包含因果关系。比率量不取决于公式中的分子和分母。电场强度和电势是场空间本身的本质属性，与测试电荷无关。“无论你测试我与否，我都会在那里。”
类比法在本章中运用频繁，寓意深刻。这一方法体现在《ETA》的各个步骤中。穆教授认为，“类比是人类的元认知，人类几乎所有的认知都是在类比的基础上逐渐建构起来的。”[1]类比法是一种思维方式，即基于对自然的观察，将具有相似或相同特征的事物归为一类，再在类别的基础上将未知或不确定的事物与已知事物进行分类、比较和推导，进而对未知或不确定的事物进行猜测，从而实现不同类别间知识的迁移。类比法虽然不太可靠，但对启发新发现、新创造却有很大的作用。在电磁认知的发展中，类比法一直发挥着主导作用。库仑定律是类比万有引力定律推导出来的，法拉第的场线是类比流体流管推导出来的，麦克斯韦的电磁理论是类比流体理论推导出来的。 教材把重力场部分学到的理论经验转移到静电场，有效减轻了理解负担。类比的哲学理解是同一与差异的辩证关系，可谓“难懂时用类比，懂了才有哲学”。
所谓“XX方法”，在方法论体系中属于各种层次。整体方法、孤立方法、理想对象、理想过程等属于科学建模方法；分类方法与比较方法、类比方法与相似方法、归纳方法与演绎方法、分析方法与综合方法属于逻辑推理方法；比率定义方法、微分方法、表象方法等属于数学抽象方法；控制变量方法、替代方法、模拟方法、放大方法、微型方法、黑箱方法等属于实验探索方法。
赵开华教授说：“如果你学物理，无论做什么都不算转行。”这是因为“物理学有着最全面、最有效的科学方法。现在物理学的概念、原理和方法已经应用到化学、生命科学、地质学等所有自然科学领域，甚至渗透到经济学、社会学等社会科学领域，产生了非常积极的成果。”[7]科学方法在各个领域的普适性，使“科学”从名词变成了形容词。这就是“物理力量之美”。
（五）教学隐线：课程中的思政教育
“ETA”在认知发展中寻找物理方法与物理精神。穆老师认为，“物理课程思政教育的本质是培养物理认知（科学认知）能力，包括物理认知模型的建构（如何思考）、物理方法的训练（如何做事）和物理精神的养成（如何做人），这其实就是物理文化的传承”。[8]
课程思政教育是立德树人的要求，是支撑所有教学环节的基本框架。是“盐水浇灌”还是“盆栽花”，要看具体情况。在操作层面，（1）适当选取教材，在背景中传递思政教育；比如，用雷击讲珍惜生命。（2）突出学科发展的历史价值，挖掘人文元素，适当表达思政教育。比如，大科学家的为人处世之道。（3）科学演进中的哲学概括。比如，从动态电到动态磁。（4）赋予科学规律以人文内涵。比如，推你后退的力是压力还是动力？你躺下，就是压力；你勇往直前，就是动力。你的状态决定了力的作用效果。（5）用优美的汉语表达物理之美。 比如用物理学来理解成语中的“势头”：人孤身一人，四面楚歌，势均力敌，势不两立，势不可挡，狗依靠别人的力量。
各学科课程思政大纲均可借用“中国学生成长核心素养”的三维、六面、十八个要点进行建构，限于篇幅，本文仅截取一个教学片段，谈“文化自信与爱国主义”。
在测量元电荷的实验中，密立根教授有两个得意门生，一个是李耀邦，另一个是H。前者在用固体带电（虫胶）测量元电荷方面做出了重要贡献，后者在用液体带电（油滴）测量元电荷方面做出了重要贡献。他们两人都没有分享诺贝尔奖。李耀邦认为自己是在导师的指导下完成这项工作的，独创性当然属于导师。然而，密立根去世后，后者撰文称导师窃取了他的成果，却要求在他死后发表，毕竟导师对他个人的生活和学习给予了实实在在的帮助。[9]不管他个人在元电荷测量方面的贡献是否足以分享诺贝尔奖，但在他年过八十时，他还为导师不给他封号而耿耿于怀，在见到上帝之前还向世人抱怨导师。这是很难理解的。 我想到一句话：“不孝师，毁祖宗”。历史的真相是，按照当时芝加哥大学的学术规范，要想获得博士学位就必须放弃署名自己的第一篇文章，密立根后来也没有署名自己的博士论文。测量基本电荷和利用光电效应测量普朗克常数都是密立根先生获奖的原因。从密立根先生对待学生的态度来看，他是一位严格、宽容、善良、德高望重的长辈。他将自己获得的诺贝尔奖金全部捐给了自己的实验室。同样是密立根学生的赵忠尧先生也因评奖委员会的疏忽而与诺贝尔奖失之交臂。赵先生从不以名利为重高中物理的认知，将自己获得的“何梁何利奖”全部捐给了祖国的教育事业[10]。 密立根和他的中国学生的关系长达40年，从李耀邦（民国科学仪器实业家）、闫仁光（北京大学物理系第三任系主任）、赵忠尧（中国核物理学的奠基人）到徐章本（清华大学教授），可见密立根先生对中国学生的信任和青睐。我想这些学生的优秀品质一定感动了他。因为密立根对中国学生的偏爱，一批年轻的学者到加州理工学院深造。这些学者后来在中国科学界担负起了重任，其中就有钱学森、钱伟长、郭永怀、卢嘉锡、谈家珍、周培源、赵忠尧、何增禄、张文宇、朱正元、林家桥等。抗日战争期间，密立根还帮助中国筹集抗日战争经费。 中华人民共和国成立后，他帮助包括钱学森在内的留学生回国，是中国物理学会名誉理事，是一位对中国怀有深厚感情的科学家和教育家。[11]
从密立根到赵忠尧，连接了近代物理学和中国物理学的历史脉络。榜样的力量，是精神世界的类比认知，在历史的长河中历经考验。从“李约瑟难题”到“钱学森问题”，这些宏大的问题，不方便带进课堂，却应该放在教师心中。面对祖国的花朵，家国情怀才是教学之美中最大的美。
3 结论
“ETA模型”是从物理学宏观发展的角度出发而来的，局部单元也是整体的一种类型，单个教学环节的局部环节也可以在实践中运用。物理教学的美被作者概括为“有事可做，有理可说，有情可感，有人可做”。希望更多的同仁参与将“ETA模型”引入中学教学设计，本文恰好引玉成砖。
参考
[1]穆良洙. 什么是物理、体育文化?[J]. 物理与工程, 2019, 29(1): 15-24.
穆林哲. 什么是及其?[J]. 数学学报, 2019, 29(1): 15-24. (in )
[2]陈希谋,胡望宇,陈秉乾.逻辑与历史的一致性在物理教学中的指导意义[J].物理学报,1994,(4):13-14.
陈晓梅, 胡伟英, 陈宝庆. 逻辑的本质与方法[J]. , 1994, (4): 13-14. （上）
[3]李银. 从哲学视角理解物理学的核心素养[J]. 物理与工程, 2020, 30(3):74-78.
李燕. 论“之”下“之”的奥秘[J]. 数学进展, 2020, 30(3): 74-78. (in )
[4]人民教育出版社课程教材研究所物理课程教材研究发展中心.普通高中物理必修教材第3册[M].北京:人民教育出版社,2019:1,29,16.
[5] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准[M].北京:人民教育出版社,2020:52.
[6] .物理学中的理论概念[M].项守平等译.合肥:中国科学技术大学出版社，2017:5.
[7]赵开华. 谈90后物理教育[J]. 大学物理, 2020, 39(11): 15-18+55.
赵克华. 九十岁自由谈[J]. , 2020, 39(11): 15-18+55. (in )
[8]穆良渚. 物理课程思政教育的核心是科学认知能力的培养[J]. 物理与工程, 2021, 31(2): 9-15.
穆林哲. 论“三农”工作的关键点在于“三农”的“三农”[J]. 农业与农村发展，2021,31(2): 9-15.（上）
[9]宋子良,叶子青,盛建新,等.密立根侵占学生学业成果案评析[J].华中科技大学学报(人文社会科学版),2002,(2):30-35.
宋志玲, 叶志强, 盛等. 论著述[J]. 中西医结合杂志, 2002, (2): 30-35. (in )
[10]刘怀祖.李政道在纪念赵忠尧诞辰100周年大会上的讲话[J].现代物理知识,2002,(6):54.
刘华忠. 李在赵紫阳诞辰纪念会上的讲话[J]. , 2002, (6): 54. （见）
[11] 张炜. 密立根与中国[J]. 自然辩证法通讯, 1984, (4): 74-77+80.
张炜. 与中国[J]. 近代史, 1984, (4): 74-77+80. （上）
资助项目：2021年度河北省专业学位教学案例（库）建设项目《基于核心素养的教学案例研究》（）
作者资料：Li Yin，男性，高中物理教学设计主要研究方向的 2号中学的高级老师。
引用格式：基于“ ETA物理学认知模型”的大型单位“静电场”的教学设计 - 中学物理学教学的灵感[J]。
引用这一点：Li Y.基于“ ETA模型”的大型场[J]和2023，33（1）：157-161。
结尾
