張健 宋白珂 李春密

摘 要：本文通過(guò)分析科學(xué)素養(yǎng)的提出背景，提出了物理觀念在科學(xué)素養(yǎng)中的重要作用，并從物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)觀念、相互作用觀念與能量觀念的發(fā)展過(guò)程出發(fā)，論述了這四個(gè)核心物理觀念的重要意義及如何在初高中教材中體現(xiàn)，最后對(duì)促進(jìn)物理觀念建構(gòu)提出了幾點(diǎn)建議與思考。

關(guān)鍵詞：科學(xué)素養(yǎng)；物理觀念；教學(xué)策略

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2018）4-0009-5

2012年3月，世界經(jīng)合組織發(fā)表了《為21世紀(jì)培育教師提高學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)力：來(lái)自世界的經(jīng)驗(yàn)》報(bào)告。報(bào)告中介紹了“21世紀(jì)技能評(píng)估與教學(xué)項(xiàng)目組”匯集的來(lái)自世界各地60多個(gè)研究機(jī)構(gòu)的250多名研究者的意見，指出21世紀(jì)學(xué)生必須掌握“思維方式、工作方式、工作工具和生活技能”這四方面的技能，并首次提出了“核心素養(yǎng)模型”。

我國(guó)教育部2014年4月印發(fā)了《關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見》（以下簡(jiǎn)稱《意見》），提出了要“統(tǒng)籌各學(xué)科，進(jìn)一步提升數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)等課程的育人價(jià)值，加強(qiáng)學(xué)科間的相互配合，不斷提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力”，而且明確提出了“研究制定學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)體系和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”。

北師大林崇德教授率領(lǐng)其團(tuán)隊(duì)開展符合我國(guó)國(guó)情的核心素養(yǎng)模型建構(gòu)與研究工作，以核心素養(yǎng)為基礎(chǔ)推動(dòng)基礎(chǔ)教育和課程改革。林教授指出：核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過(guò)程中，逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力；是關(guān)于學(xué)生知識(shí)、技能、情感、態(tài)度、價(jià)值觀等多方面的結(jié)合體；發(fā)展核心素養(yǎng)指向過(guò)程，關(guān)注學(xué)生在其培養(yǎng)過(guò)程中的體悟，而非導(dǎo)向結(jié)果。林教授強(qiáng)調(diào)：核心素養(yǎng)主要是后天學(xué)習(xí)的結(jié)果，可以通過(guò)各教育階段的課程設(shè)計(jì)與教學(xué)實(shí)施加以培養(yǎng)。鑒于此，中學(xué)物理課程對(duì)發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的貢獻(xiàn)就是提升其物理科學(xué)素養(yǎng)，物理科學(xué)素養(yǎng)是物理學(xué)科教育價(jià)值的集中體現(xiàn)。

1 物理核心素養(yǎng)與物理觀念

1.1 物理核心素養(yǎng)

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成，是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，也是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)培養(yǎng)起來(lái)的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，這種心理品質(zhì)決定了學(xué)生面對(duì)物理問題時(shí)的行為表現(xiàn)。物理核心素養(yǎng)主要包括：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

1.2 物理觀念

物理觀念是物理世界在人腦中留下的概括的形象，是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華，是人對(duì)物理世界的根本認(rèn)識(shí)，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)。物理科學(xué)的發(fā)展，最集中地反映在物理觀念的變更上。經(jīng)典力學(xué)建立的基本觀念是機(jī)械論的物質(zhì)觀念和時(shí)空觀念；電磁場(chǎng)理論的基本觀念是媒介作用的場(chǎng)的觀念；相對(duì)論則提出了依賴于物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)的空間和時(shí)間、相互聯(lián)系的質(zhì)量和能量、任何參照系對(duì)于物理定律的描述都是有效的等基本觀念；量子理論的發(fā)展，提出了微觀現(xiàn)象不連續(xù)的量子化觀念、波粒二象性觀念，采用具有幾率意義的波函數(shù)作為運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述，等等。物理觀念的更新與發(fā)展，一方面不斷加深了人們對(duì)自然的認(rèn)識(shí)，使物理科學(xué)向著客觀世界的終極真理無(wú)限逼近；另一方面也在不斷修正人類對(duì)于自然的直覺認(rèn)識(shí)，使物理科學(xué)逐步擺脫有限的直覺約束而形成研究范圍愈來(lái)愈廣的科學(xué)體系。

物理觀念是物理核心素養(yǎng)的內(nèi)核，在物理科學(xué)體系中占有重要地位。美國(guó)物理教育家霍爾頓曾形象地對(duì)此進(jìn)行描述，他用三維坐標(biāo)系來(lái)說(shuō)明物理科學(xué)中的三個(gè)主要因素及其相互關(guān)系。x軸表示經(jīng)驗(yàn)事實(shí)的敘述即經(jīng)驗(yàn)敘述維度，y軸表示邏輯和數(shù)學(xué)的演算即分析表述維度。如果只局限在xy平面內(nèi)考慮，概念可以看成是xy平面上的諸點(diǎn)，規(guī)律可以看成是xy平面中的線。例如，力的概念，力可以定性地被人發(fā)現(xiàn)，也可以被定量地測(cè)量，因此力在x軸上是有意義的；力的計(jì)算符合平行四邊形定則，因而在y軸方向上也是有意義的。“但要理解科學(xué)，研究科學(xué)，必須走出xy平面”，科學(xué)中還有第三個(gè)要素——z軸，霍爾頓稱其為“選題”，即指物理觀念。在這個(gè)三維“空間”中，概念和規(guī)律分別被看成是三維空間中的點(diǎn)和線，它們是物理觀念在xy平面上的投影。不同的物理觀念即不同的z軸對(duì)同一物理現(xiàn)象會(huì)作出不同的解釋。例如，關(guān)于力，亞里士多德觀念說(shuō)力是維持物體運(yùn)動(dòng)的原因；伽利略-牛頓觀念則說(shuō)力是改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因；現(xiàn)代物理觀念則用四種基本相互作用來(lái)解釋力。

中學(xué)物理學(xué)習(xí)內(nèi)容中的物理觀念同物理學(xué)史中的各種物理觀念既有區(qū)別又有聯(lián)系。物理學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)的觀念是物理學(xué)發(fā)展史中形成的觀念，學(xué)生在學(xué)習(xí)中，物理觀念的革新與進(jìn)階認(rèn)識(shí)同物理學(xué)發(fā)展中觀念的演變往往具有對(duì)應(yīng)性。但是，沒有必要讓學(xué)生對(duì)物理觀念的認(rèn)識(shí)也重復(fù)一遍歷史上觀念的演變過(guò)程。因此，在教材編寫或教學(xué)實(shí)踐中可以通過(guò)改變學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)次序來(lái)避開已經(jīng)陳舊了的物理概念。比如，我國(guó)現(xiàn)行教材中就避開了“以太”的概念。鑒于社會(huì)發(fā)展需求和中學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)與認(rèn)識(shí)水平，新課程改革在物理觀念中提出“物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)觀、相互作用觀和能量觀”，以這四種觀念為核心開展概念的進(jìn)階教學(xué)，初高中教學(xué)一而貫之。

2 物理觀念的內(nèi)涵理解

2.1 物質(zhì)觀念

物理學(xué)研究自然界最基本的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與最基本的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)于物質(zhì)的研究包括物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)的存在形態(tài)與物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)等。

“物質(zhì)結(jié)構(gòu)之謎”是物理學(xué)亙古的課題。早在周代，我們的祖先就提出“五行”說(shuō)，認(rèn)為世界萬(wàn)物由金、木、水、火、土五種物質(zhì)原料構(gòu)成；戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的老子又提出了“陰陽(yáng)”學(xué)說(shuō)，至漢代唯物主義哲學(xué)家王充進(jìn)一步提出了“天地合氣，萬(wàn)物自生”的元?dú)庹f(shuō)，把元?dú)饪闯捎钪嫒f(wàn)物的本源。古希臘哲學(xué)家泰勒斯認(rèn)為水是宇宙本源，赫拉克利特則認(rèn)為是火的變化產(chǎn)生了萬(wàn)物。古希臘哲學(xué)家德謨克利特提出了“原子說(shuō)”，認(rèn)為宇宙萬(wàn)物由大量微小物質(zhì)粒子構(gòu)成的，這種粒子被稱為“原子”。它們性質(zhì)上沒有差異，只有形狀、大小的不同，原子是守恒的。同時(shí)提出原子在“虛空”中向各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，互相碰撞、互相結(jié)合，形成世界萬(wàn)物，這種原子說(shuō)雖然不完善卻對(duì)現(xiàn)代原子論產(chǎn)生了很大的影響。直至19世紀(jì)初，道爾頓引入化學(xué)元素原子量的概念，明確提出了原子的質(zhì)量（原子量）是最基本的特征。自此，近代原子論真正建立起來(lái)，對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)進(jìn)入一個(gè)新階段。到19世紀(jì)末，盧瑟福發(fā)現(xiàn)了陰極射線，英國(guó)物理學(xué)家J·J·湯姆遜巧妙測(cè)定出陰極射線在磁場(chǎng)和電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)度，求出這種粒子的荷質(zhì)比并命名為“電子”。電子被發(fā)現(xiàn)后，人們開始對(duì)原子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索，1904年湯姆遜首先提出了“葡萄干棗糕模型”，1911年湯姆遜的學(xué)生盧瑟福設(shè)計(jì)了α散射實(shí)驗(yàn)，據(jù)此提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。但是，核模型不能用經(jīng)典理論分析，1913年玻爾提出了軌道量子化假說(shuō)進(jìn)行修正。既然原子是可分的，是由原子核和電子組成的，那么，人們自然會(huì)想到原子核是不是也是可分的呢？1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，1932年查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，中子的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著人們完成了對(duì)物質(zhì)原子核層次的基本認(rèn)識(shí)。隨著高能粒子加速器的發(fā)明，人們開始向粒子世界進(jìn)軍，迄今為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了40余種基本粒子，包括電子、光子、中子、質(zhì)子、反中子、中微子、π介子等。1964年，美國(guó)物理學(xué)家蓋爾曼提出了夸克模型，認(rèn)為基本粒子也不是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最終實(shí)體，基本粒子是由夸克組成的，尋找“自由的夸克”是物理的前沿課題。物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索伴隨著物質(zhì)觀念的發(fā)展與革新，物質(zhì)觀念是我們分析和解決物理問題的出發(fā)點(diǎn)，從這個(gè)意義上講，物質(zhì)觀念是物理觀念的核心。

物質(zhì)形態(tài)從實(shí)物粒子到場(chǎng)，并認(rèn)識(shí)到場(chǎng)是一種特殊的物質(zhì)且具有能量和動(dòng)量，是一次飛躍。表1列舉了初高中物理教學(xué)中物質(zhì)觀念的具體內(nèi)容。

2.2 運(yùn)動(dòng)觀念

描述物體的運(yùn)動(dòng)并發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律是物理學(xué)的重要任務(wù)之一。在運(yùn)動(dòng)的描述過(guò)程中伴隨著對(duì)時(shí)間、空間、參考系的認(rèn)識(shí)的深化，即時(shí)空觀的發(fā)展。

早在亞里士多德時(shí)代就提出每個(gè)物體都有自己的天然位置，重的下落、輕的上升是自然運(yùn)動(dòng)，天體繞地球的圓運(yùn)動(dòng)也是天然運(yùn)動(dòng)，其余運(yùn)動(dòng)則是強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)?；莞箤?duì)擺的運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究，提出了向心加速度的概念；伽利略通過(guò)邏輯推理與實(shí)驗(yàn)結(jié)合研究了落體運(yùn)動(dòng)及其規(guī)律，提出了瞬時(shí)速度、位移等概念并定義了勻變速直線運(yùn)動(dòng)。牛頓在前輩研究的基礎(chǔ)上，提出了力的概念并總結(jié)了力與加速度的關(guān)系，說(shuō)明力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。哥白尼提出日心說(shuō)，改變了人們千年的宇宙觀，布魯諾為真理殉道，探索天體運(yùn)動(dòng)的奧秘成為當(dāng)時(shí)的焦點(diǎn)。第谷用眼觀天20多年，積累了大量的資料，其學(xué)生開普勒通過(guò)對(duì)資料的分析得出了行星運(yùn)動(dòng)的三大定律。胡克、哈雷等曾對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的原因進(jìn)行探索，直到牛頓通過(guò)月地檢驗(yàn)提出萬(wàn)有引力定律，將地上物體的運(yùn)動(dòng)與天上物體的運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一起來(lái)。牛頓還認(rèn)為存在各向同性的“絕對(duì)空間”、均勻流逝的“絕對(duì)時(shí)間”，物體初態(tài)一旦確定，根據(jù)運(yùn)動(dòng)定律，物體在任意時(shí)刻的位置、速度都是確定的，這就是機(jī)械決定論。馬赫最早批判了牛頓的絕對(duì)空間與絕對(duì)時(shí)間。愛因斯坦建立了狹義相對(duì)論后否定了以太的存在，同時(shí)也就排除了優(yōu)越參考系，各個(gè)慣性系是平權(quán)的，狹義相對(duì)論提出了新的時(shí)空觀念。

在運(yùn)動(dòng)的描述中總結(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探討運(yùn)動(dòng)背后的原因，這是對(duì)變化類問題的一般化研究方法，可以將這種科學(xué)方法遷移到社會(huì)現(xiàn)象的研究中。表2列舉了初高中物理教學(xué)中運(yùn)動(dòng)觀念的具體內(nèi)容。

2.3 相互作用觀念

自然界中物質(zhì)間存在著普遍的聯(lián)系與相互作用，人們對(duì)于物體與物體之間的相互作用經(jīng)歷了從直覺觀察到思辨分析、從宏觀世界到微觀世界、從實(shí)物到場(chǎng)、從超距作用到近距作用等觀念上的重大轉(zhuǎn)變。

牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》前言中寫道：“我奉獻(xiàn)這一作品，作為哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，因?yàn)檎軐W(xué)中的全部責(zé)任似乎在于——從運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象中去研究自然界中的力，然后從這些力去說(shuō)明其他現(xiàn)象?！迸ｎD本人正是踐行這樣的研究思路提出了牛頓運(yùn)動(dòng)定律，并發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力定律。牛頓以后的四百年來(lái)，物理學(xué)家們從各種自然現(xiàn)象中，尋找支配這些運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的力。目前，物理學(xué)界公認(rèn)自然界中存在四種基本相互作用：引力相互作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用與弱相互作用。

在宏觀世界里，引力與電磁力顯示作用。引力是所有物體之間都存在的一種相互作用，是通過(guò)引力場(chǎng)實(shí)現(xiàn)并傳遞的，引力定律支配著天體的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于微觀世界，因?yàn)橐ΤＡ縂很小，引力相互作用可忽略。電磁相互作用是一切帶電粒子或具有磁矩的粒子之間的相互作用，通過(guò)電磁場(chǎng)這一媒介相互作用，電磁力是一種交換力，光子是交換子。引力和電磁力都是長(zhǎng)程力，從理論上說(shuō)，它們的范圍是無(wú)限的。但是，電磁力比引力弱得多。宏觀物體間的相互作用，除引力外，所有接觸力都是大量原子、分子之間電磁相互作用的宏觀表現(xiàn)。

弱相互作用和強(qiáng)相互作用是短程力，作用范圍在原子核尺度內(nèi)。強(qiáng)相互作用只在10-15 m范圍內(nèi)有顯著作用，弱相互作用范圍不超過(guò)10-16 m。弱相互作用是在原子核的β衰變中發(fā)現(xiàn)的，核子（質(zhì)子、中子）、電子和中微子等參與弱相互作用。強(qiáng)相互作用是介子和重子（包括質(zhì)子、中子）之間的相互作用，因?yàn)檫@種力把核子束縛在一起，核物理學(xué)家又把它稱為核力。

盡管四種相互作用差別巨大，物理學(xué)家正在積極尋求它們的統(tǒng)一。弱電統(tǒng)一理論已經(jīng)建立并被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，弱、電、強(qiáng)的大統(tǒng)一理論則是物理學(xué)家目前的努力方向。

在高中物理教學(xué)中，應(yīng)該幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)并理解四種基本相互作用及其作用方式、作用特點(diǎn)，運(yùn)用物質(zhì)間相互作用的機(jī)制來(lái)理解物質(zhì)世界的存在、發(fā)展和演化，運(yùn)用相互作用的觀點(diǎn)去思考運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)隱含在現(xiàn)象背后的規(guī)律。表3列舉了初高中物理教學(xué)中相互作用觀念的具體內(nèi)容。

2.4 能量觀念

能量是物理學(xué)乃至整個(gè)自然科學(xué)領(lǐng)域最核心的概念之一。從機(jī)械運(yùn)動(dòng)中提出了動(dòng)能的概念，從流體研究中提出了重力勢(shì)能；通過(guò)對(duì)熱現(xiàn)象的研究提出了內(nèi)能的概念；通過(guò)對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的研究與物質(zhì)性的認(rèn)識(shí)，提出了靜電能、磁場(chǎng)能、電磁場(chǎng)能，這是對(duì)能量認(rèn)識(shí)的進(jìn)階發(fā)展。自然界存在不同形式的能量，能量總量保持不變，這就是能量守恒定律。

能量守恒定律是隱藏在自然界各種形式運(yùn)動(dòng)與不同類型相互作用背后的支配規(guī)律，自然界一切物理過(guò)程的發(fā)生必須遵從能量守恒定律，違背能量守恒的現(xiàn)象是不會(huì)發(fā)生的。能量守恒定律是人類對(duì)自然規(guī)律認(rèn)識(shí)的又一次飛躍，是指導(dǎo)人類探索自然的方法論與新視角。在高中階段應(yīng)該能夠運(yùn)用能量的觀點(diǎn)對(duì)物理現(xiàn)象、自然界的運(yùn)動(dòng)與變化進(jìn)行分析。表4列出了初高中物理教學(xué)中能量觀念的具體內(nèi)容。

3 物理觀念發(fā)展水平及教學(xué)策略

物理觀念的形成經(jīng)歷了從學(xué)習(xí)理解、應(yīng)用實(shí)踐，到遷移創(chuàng)新的發(fā)展過(guò)程，這三個(gè)維度的發(fā)展存在重疊，因此以“整合”思想為主線確定了物理觀念學(xué)習(xí)水平的大致劃分和描述。

水平1 知道一些與生活密切相關(guān)的物理概念；能提取簡(jiǎn)單情景中的直接信息，與相關(guān)的物理概念直接對(duì)應(yīng)。

水平2 了解重要的物理模型、概念與規(guī)律，能夠在熟悉的情境中運(yùn)用；能對(duì)常見的物理現(xiàn)象進(jìn)行簡(jiǎn)單解釋。

水平3 能夠說(shuō)明重要物理模型、概念和規(guī)律的內(nèi)涵、外延、適用范圍和條件；能運(yùn)用物理學(xué)視角解釋現(xiàn)象、進(jìn)行有序地推論預(yù)測(cè)。

水平4 能關(guān)聯(lián)整合物理模型、概念和規(guī)律，對(duì)綜合問題、真實(shí)問題進(jìn)行分析與推理判斷，獲得結(jié)論并解釋；能把已學(xué)習(xí)的知識(shí)和方法遷移到陌生情境中解決問題。

水平5 能綜合運(yùn)用物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)觀念、能量觀念和相互作用觀念，經(jīng)歷系統(tǒng)的科學(xué)推理，解釋自然現(xiàn)象；能在陌生環(huán)境中構(gòu)建恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ?，解決實(shí)際問題或創(chuàng)意設(shè)計(jì)。

通過(guò)高中物理教學(xué)，應(yīng)幫助學(xué)生形成物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)觀念與相互作用觀念、能量的觀念，并能夠從經(jīng)典物理到近代物理中體會(huì)物理觀念的發(fā)展與變化；能夠從物理學(xué)的視角正確描述和解釋自然現(xiàn)象，綜合運(yùn)用所學(xué)的物理知識(shí)解決實(shí)際問題；能有效地指導(dǎo)工作和進(jìn)行生活實(shí)踐。

物理觀念的形成于教學(xué)中的滲透，基于進(jìn)階理論的教學(xué)設(shè)計(jì)是一種有效手段。在教學(xué)中注重從學(xué)生已有認(rèn)識(shí)入手，循序漸進(jìn)地教學(xué)，逐漸滲透物理觀念，使學(xué)生體會(huì)觀念的生成與發(fā)展。要?jiǎng)?chuàng)設(shè)能給學(xué)生提供支撐性的事實(shí)經(jīng)驗(yàn)的真實(shí)情境；要引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷概念的建構(gòu)或探索規(guī)律的完整過(guò)程，促進(jìn)能力的發(fā)展與知識(shí)體系的建構(gòu)；最后，要讓學(xué)生解決真實(shí)的物理問題，并從中認(rèn)識(shí)物理學(xué)的價(jià)值與社會(huì)、生活、科技間的聯(lián)系。

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