王長江 盛 洋

(1. 安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241002； 2. 江蘇省橫林高級中學(xué),江蘇 常州 213101)

閑思者，恬靜而又閑適之思考也，寓意思考不受“短視”教育的羈絆，唯以學(xué)生發(fā)展角度從長計議.物理觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，物理觀念的形成，要求以嚴謹求實的科學(xué)態(tài)度開展科學(xué)探究活動、培養(yǎng)科學(xué)思維能力，可以說物理觀念的形成體現(xiàn)了全部物理學(xué)科核心素養(yǎng)的基本要求.那么，物理觀念是什么？物理觀念有哪些？物理觀念如何教？在物理學(xué)科核心教學(xué)實踐中，不少教師對上面3個問題頗感困惑.針對以上問題，本文將梳理物理觀念的內(nèi)涵、澄清物理觀念的內(nèi)容，進而提出物理觀念的教學(xué)建議，以期對當(dāng)前國內(nèi)的物理觀念教學(xué)有所裨益.

1 物理觀念是什么

物理觀念教學(xué)研究，繞不開“物理觀念是什么”這個基本問題.對于“物理觀念”這一新的學(xué)科核心素養(yǎng)，不少一線教師反映“難以把握”.以往的相關(guān)研究，對于“物理觀念是什么”，也是眾說紛紜.概括起來，研究者對于“物理觀念是什么”的解讀大體分為兩種：其一，認為物理觀念是公認的、正確的對物理世界的根本認識，是有別于物理知識的；[1]或者物理觀念不同于物理知識，物理觀念不同于“大概念”.[2]這一解讀實際上“增加”了教師們理解的困惑，使得“物理觀念是什么”這個問題變得更難以捉摸.其二，認為物理觀念與物理概念、物理規(guī)律的本質(zhì)無二，都是物理知識，是不同類型的物理知識，其抽象程度不同.胡衛(wèi)平教授認為，在中國的文化中,概念是指一類事物的共同屬性與本質(zhì)特征,是抽象的,這與國際上關(guān)于概念的內(nèi)涵并不一致；在建構(gòu)物理核心素養(yǎng)時,沒有使用物理知識,也沒有使用物理概念,而使用了物理觀念.[3]郭玉英認為，“物理觀念”就是物理學(xué)中最重要的科學(xué)觀念,是組織整合物理學(xué)科知識內(nèi)容的少數(shù)關(guān)鍵概念,是將眾多的物理知識聯(lián)為一致整體的物理學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容，是學(xué)生理解或探究更復(fù)雜概念的關(guān)鍵工具,與學(xué)生的生活實際和重大社會議題緊密相關(guān),貫通整個基礎(chǔ)教育階段的物理課程.[4]蔡鐵權(quán)對“觀念”和“科學(xué)觀念”內(nèi)涵分析進行比照后認為,我國高中物理課程標準對物理觀念的確定，符合詞源學(xué)和哲學(xué)的界定,也與“觀念史”的發(fā)展相一致，物理觀念是比物理概念更上位的概念.[5]

筆者支持第2種解讀，物理觀念與物理事實、物理概念、物理規(guī)律同屬于物理知識，是聚合和抽象程度更高的物理知識，是居于物理學(xué)科中心，具有超越課堂教學(xué)的持久價值和遷移價值的關(guān)鍵性概念或原理.大家對物理觀念的提法之所以“不甚了然”、“不好把握”，原因在于沒有理清物理觀念與熟悉的物理事實、概念、規(guī)律的關(guān)系.一線教師對物理概念、物理規(guī)律等基礎(chǔ)物理知識是熟悉的.如果我們知曉了“物理觀念”與物理概念、物理規(guī)律等其他熟悉的物理知識的關(guān)系，“物理觀念是什么”這個問題就容易理解多了.物理事實、物理概念、物理規(guī)律、物理觀念，都是物理知識，其差異在于抽象、聚合程度不同，4種物理知識之間的關(guān)系，可以用金字塔模型來表示，如圖1、圖2所示.

在大家比較熟悉的“雙基”目標、“三維”目標體系中，物理知識的層級結(jié)構(gòu)如圖1所示，物理知識的層級從下向上依次為物理事實、物理概念、物理規(guī)律.重視觀念、規(guī)律教學(xué)是我國物理教育的優(yōu)良傳統(tǒng)，但是，從新的知識觀來反省圖1的知識層級結(jié)構(gòu)，將知識目標僅僅停留在形成物理概念、規(guī)律，傳授給學(xué)生的仍舊是支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實.在物理學(xué)科核心素養(yǎng)框架下，物理知識的層級結(jié)構(gòu)如圖2所示，物理知識的層級從下向上依次為物理事實、物理概念、物理規(guī)律、物理觀念.二者的差別就在于：核心素養(yǎng)框架下的物理知識層級結(jié)構(gòu)，位于金字塔頂端的是比物理概念性知識(物理概念、物理規(guī)律)抽象程度更高、解釋力更強的物理觀念.亦即，核心素養(yǎng)框架下的物理觀念力圖幫助學(xué)生形成對物理世界的更完整的認識.物理觀念課程目標，是對“雙基”中基礎(chǔ)知識、基本技能和“三維”目標“知識與技能”的繼承與超越，不能脫離物理概念、物理規(guī)律來理解物理觀念，也不能將物理觀念與物理概念、物理規(guī)律混為一談.

圖1 物理知識的層級結(jié)構(gòu)(1)

圖2 物理知識的層級結(jié)構(gòu)(2)

2 物理觀念有哪些

在《普通高中物理課程標準》(2017版)中指出，“物理觀念主要包括物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等要素”.那么，在高中物理課程中，物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念的具體內(nèi)容分別是什么？課程標準中并沒有明確說明，已有的研究也往往“語焉不詳”.這無疑增加了教師們的認知負荷.

樣例學(xué)習(xí)給我們提供了思路.樣例學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者從一般概念、原理、程序的例子中習(xí)得解決問題方法的一種學(xué)習(xí)方式.[6]和單純的問題解決學(xué)習(xí)方式相比,樣例學(xué)習(xí)不僅費時少、遷移效果好,還可減輕學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)時的認知負荷.有鑒于此，筆者以《普通高中物理課程標準》(2017版)為依據(jù)，對人教版高中物理新教材(2019年版)中涉及到的物理觀念分別從整體、模塊、主題3個維度進行整理，呈現(xiàn)不同層次的物理觀念“樣例”，幫助大家進行物理觀念的“樣例學(xué)習(xí)”.

2.1 整體層面的物理觀念

整體層面的物理觀念是指高中物理課程學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)該形成的物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念和能量觀念.

(1) 物質(zhì)觀念.

整體層面的物質(zhì)觀念可以描述為：物質(zhì)的存在形式和特征屬性取決于物質(zhì)的類型、組合和以分子和原子為單位的粒子的運動.筆者以《義務(wù)教育物理課程標準》(2011版)中對一級主題“物質(zhì)”的維度劃分為主要依據(jù)，并參考了相關(guān)研究成果，[7]從物質(zhì)的存在形式、物質(zhì)的屬性、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和尺度、物質(zhì)的狀態(tài)變化等4個維度來描述物質(zhì)觀念.

物質(zhì)觀念1：宇宙是由物質(zhì)組成的，物質(zhì)以實物粒子和場兩種形式存在.

物質(zhì)觀念2：物質(zhì)具有質(zhì)量、能量等基本屬性，還具有彈性、磁性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等重要屬性.

物質(zhì)觀念3：物質(zhì)是有結(jié)構(gòu)的，微觀世界、宏觀世界、宇觀世界中的物體都是由大量分子組成的.

物質(zhì)觀念4：物質(zhì)主要有固體、液體、氣體3種存在狀態(tài).

(2) 運動與相互作用觀念.

整體層面的運動與相互作用觀念可以描述為：相互作用產(chǎn)生的力的平衡或不平衡性決定了運動的變化.筆者參照《義務(wù)教育物理課程標準》(2011版)中對一級主題“運動和相互作用”的維度劃分，并參考了相關(guān)研究成果，[8]從運動與相互作用的存在形式、運動與相互作用的聯(lián)系、運動與相互作用的守恒等層面來描述運動與相互作用觀念.

運動與相互作用觀念1：時空是物質(zhì)運動的存在形式.

運動與相互作用觀念2：物質(zhì)間存在4種基本的相互作用：引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用、弱相互作用.

運動與相互作用觀念3：力是改變物體運動狀態(tài)的原因.

運動與相互作用觀念4：在一個只有保守力做功的系統(tǒng)內(nèi)，物體的能量守恒.

(3) 能量觀念.

整體層面的能量觀念可以描述為：系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)換永遠不會改變能量的總和.筆者參照《義務(wù)教育物理課程標準》(2011版)中對一級主題“能量”的維度劃分，并參考了相關(guān)研究成果，[9]從能量的存在形式、相互轉(zhuǎn)化、守恒耗散等層面來描述能量觀念.

能量觀念1：能量的存在具有普遍性，不因其他條件的改變而發(fā)生改變.

能量觀念2：能量并不是以一種特定的形式存在，而是根據(jù)不同的需要以不同的形式儲存于各個物質(zhì)中.

能量觀念3：不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，同種形式的能量也可以相互轉(zhuǎn)移，能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程有自然發(fā)生的，也有不是自然發(fā)生的.

能量觀念4：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，能量的總量是保持不變的.

能量觀念5：能源利用的過程中雖然能量在數(shù)量上未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的能源變成不便于利用的能源.

2.2 模塊層面的物理觀念

模塊層面的物理觀念是指高中物理課程結(jié)構(gòu)中3個必修、3個選擇性必修模塊學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)該具有的物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念和能量觀念，如表1所示.

表1 模塊層面的物理觀念

續(xù)表

2.3 主題層面的物理觀念

主題層面的物理觀念是指高中物理課程結(jié)構(gòu)中某個主題學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)該具有的物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念和能量觀念.需要說明的是，即便是“主題”層面的物理觀念，其中的物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念之間也是重疊的，不能截然分開.

在《普通高中物理課程標準》(2017版)的課程結(jié)構(gòu)中必修、選擇性必修部分共有20個主題.筆者以必修3中的“靜電場”主題為例，說明在這個主題的學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)該具有的物理觀念，見表2.

表2 “靜電場”主題的物理觀念

3 物理觀念怎么教

如何開展物理觀念教學(xué)是當(dāng)前中學(xué)物理課堂面臨的實際難題.不少教師反映物理觀念教學(xué)“不好操作”.筆者認為，物理觀念是單元學(xué)習(xí)的預(yù)期結(jié)果；物理觀念教學(xué)重在理解；逆向設(shè)計為落實物理觀念教學(xué)提供了可行途徑.[10]逆向設(shè)計指導(dǎo)下的物理觀念教學(xué)，將教學(xué)目標劃分為習(xí)得知能、理解觀念；富含真實情境的實作任務(wù)，可以有效地評價學(xué)習(xí)結(jié)果；夯實物理基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生對物理事實、物理概念、物理規(guī)律的歸納、概括，是通向物理觀念形成的進階之路.

3.1 目標確立：關(guān)注概念規(guī)律，指向物理觀念

核心素養(yǎng)框架下的物理教學(xué)，其目標不能僅僅停留在知道事實性知識、掌握物理概念和規(guī)律，還應(yīng)指向理解物理觀念.基于此，物理觀念學(xué)習(xí)目標可以分為習(xí)得知能、理解觀念和學(xué)習(xí)遷移.

(1) 習(xí)得知能.知能指的是物理學(xué)科的事實性知識、零散性技能、概念性知識等(以上這些知識往往會通過課時學(xué)習(xí)習(xí)得).了解、知道乃至熟練地掌握物理事實、物理概念、物理規(guī)律等是建構(gòu)物理觀念的基礎(chǔ).

(2) 理解觀念.“理解觀念”是將課時學(xué)習(xí)中習(xí)得的事實性知識、常識性技能、概念性知識，經(jīng)由推理、概括而得到的新的“意義”(即觀念)，通常以陳述句表述.在物理學(xué)科情景中，理解觀念指的是通過模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等認知過程，建立物理概念性知識之間的聯(lián)系，對已經(jīng)習(xí)得的物理概念、物理規(guī)律進行推論，從而產(chǎn)生物理觀念.

(3) 應(yīng)用遷移.學(xué)習(xí)遷移是指將習(xí)得的物理觀念應(yīng)用到新的問題情境中的能力.在物理學(xué)科情景中，達到“真正理解”的學(xué)習(xí)者，能夠應(yīng)用物理觀念解決實際問題.

以“電磁場與電磁波初步”主題為例，設(shè)計的教學(xué)目標見表3.

表3 “電磁場與電磁波初步”主題的教學(xué)目標

3.2 評價方案：一般測試之外，設(shè)計實作任務(wù)

逆向設(shè)計的第2步，是尋找評估預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果的證據(jù).逆向設(shè)計認為，實作任務(wù)是評價學(xué)生是否達到持久性理解、靈活應(yīng)用的恰當(dāng)證據(jù).實作任務(wù)(或稱之為表現(xiàn)性任務(wù))是指仿照成人面對的議題和問題編制的復(fù)雜挑戰(zhàn)；要求在真實的或擬真的情境中，解決多階段、復(fù)雜的學(xué)科內(nèi)或跨學(xué)科難題，可以充分反映和表現(xiàn)學(xué)生對包括意義理解、學(xué)習(xí)遷移等學(xué)科核心素養(yǎng)掌握情況.例如，在“運動與相互作用”主題學(xué)習(xí)中，可以設(shè)計如下實作任務(wù).

物理學(xué)史法庭開庭審理亞里士多德“重物比輕物下落得快”的不當(dāng)言論一案，你作為亞里士多德的辯護律師，請撰寫辯護詞，對其“不當(dāng)言論”進行合理辯護.

在“電磁場與電磁波初步”主題學(xué)習(xí)中，可以設(shè)計如下實作任務(wù).

停電了，家里有一個小燈泡，導(dǎo)線若干，磁鐵兩塊，可是家里的電池都用完了.我們該如何用手里有限的工具讓電燈泡亮起來呢？請你運用產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，設(shè)計電路和發(fā)電方法，讓燈泡亮起來.

3.3 活動設(shè)計：強調(diào)歸納概括，重視理解觀念

有效的物理觀念教學(xué)不僅要夯實基礎(chǔ)知識，還應(yīng)圍繞“物理觀念”，設(shè)計“大問題”、創(chuàng)設(shè)“大情境”進行單元教學(xué)設(shè)計.有鑒于此，我們以“電磁場與電磁波初步”主題為例設(shè)計了物理觀念教學(xué)“雙向圖”，如圖3所示.

圖3 “電磁場與電磁波初步”主題的物理知識層級結(jié)構(gòu)與物理觀念教學(xué)思路

圖3中左側(cè)為“物理知識的層級結(jié)構(gòu)”，“自下而上”依次由物理事實、概念、規(guī)律不斷聚合，形成物理觀念；右側(cè)為“物理觀念的教學(xué)思路”，應(yīng)“自上而下”從單元教學(xué)設(shè)計的物理觀念基本問題(大問題)出發(fā)，依次設(shè)計規(guī)律基本問題、概念基本問題、事實一般問題，引導(dǎo)學(xué)生從物理事實、概念、規(guī)律中進行歸納與概括，形成物理觀念(大概念).還需要說明兩點.

(1) 要注重物理概念、規(guī)律的教學(xué)，夯實物理基礎(chǔ)知識.通過富有吸引力的教學(xué)活動，使學(xué)生掌握扎實的物理基礎(chǔ)知識(包括物理事實性知識、物理概念性知識)，是形成物理觀念的基礎(chǔ).物理觀念教學(xué)應(yīng)該“厚實其基礎(chǔ)”，我國優(yōu)良的物理教育傳統(tǒng)不能丟(圖中虛線框部分，多為課時活動).

(2) 要有意識、有計劃地圍繞若干重要的“物理觀念”，設(shè)計“大問題”、創(chuàng)設(shè)“大情境”進行單元教學(xué)設(shè)計.“自上而下”的問題驅(qū)動是形成物理觀念的重要路徑.應(yīng)該以形成物理觀念的基本問題為統(tǒng)領(lǐng)，將其向下分解為若干個形成物理規(guī)律、概念的基本問題，通過基本問題的驅(qū)動，完成單元教學(xué)活動的設(shè)計.