物理核心素養(yǎng)研究: 物理知識與物理觀念

羅 瑩

(北京師范大學物理系，北京 100000)

21世紀以來,世界各國的基礎教育都進入到改革新階段．2013年,美國《新一代科學教育標準》NGSS正式頒布．基于學習進階發(fā)展的表現,使科學課程的3個維度——實踐、共通概念和核心概念緊密聯系、相互促進,從而將以往的科學課程線性、零散、互不相關的內容組成系統(tǒng)的、相互聯系的體系,并使之與社會生活領域息息相關．

在我國,新近修訂的高中《物理課程標準》將現行高中物理課程的三維目標提升至物理核心素養(yǎng),明確提出了高中物理課程應在義務教育的基礎上,進一步促進學生物理核心素養(yǎng)的養(yǎng)成和發(fā)展．物理核心素養(yǎng)是物理學科育人價值的集中體現,是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的關鍵能力和必備品格,主要包括“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”、“科學態(tài)度與責任”4個方面．顯而易見,現行高中物理課程目標中的“知識與技能”維度被物理核心素養(yǎng)中的“物理觀念”、“科學思維”等涵蓋．由此就產生了新的問題:物理知識和物理觀念是等同的嗎?它們有什么區(qū)別?在物理教學中如何進行物理觀念教學?這些問題都是目前物理教學中亟需解決的問題．本文在仔細辨析知識與觀念概念的基礎上,分析了物理知識與物理觀念的區(qū)別與聯系,探討了中學物理教學目標從物理“知識與技能”等提升至“物理觀念”的意義與實施,以期對物理教學中培養(yǎng)與提升學生的物理核心素養(yǎng)以有益的啟示．

1 知識與觀念

對于什么是知識,上海辭書出版社2014年出版的《大辭海》一書給出的界定為:知識是儲存在人腦中的,用于完成已習得任務的任何信息及其構成的各種復雜的網絡結構．知識在個體與環(huán)境的相互作用中,通過不斷的構建和重構過程獲得并得以重組和精致化．知識一般可分為陳述性知識和程序性知識．[1]也可以概括為知識是人類認識的成果, 是在實踐的基礎上產生又經過實踐檢驗的對客觀現實的反映．[2]美國哈佛大學社會學家貝爾在《知識的規(guī)范》一書中,將知識定義為一組對事實或概念的條理化闡述, 可表示一個推理出來的判斷或者一種經驗結構, 也可以通過某種信息工具以某種系統(tǒng)的方式傳播給其他人．[3]從這些文獻對知識的論述可以看出, 知識可以視為理性化了的人類經驗, 是人類理性認識的結果;是對一系列相關的事實的條理化、重組與闡述．

對于觀念,《大辭海》給出的表述為:是思想意識,是客觀事物在人腦里留下的概括形象．[4]也就是說,觀念屬于思想意識范疇,是客觀事物在人們頭腦中留下概括的形象與表象,是對事物或客觀世界一系列系統(tǒng)觀點的總稱,是多個、彼此相關觀點的集合．

比較知識與觀念兩個概念可以發(fā)現:知識往往與事實相聯系,而觀念則與觀點相聯系．眾所周知,事實與觀點是日常生活中常常碰到的兩類不同的事物,它們之間既有區(qū)別,又有聯系．對事實、觀點、知識和觀念這4個概念間的區(qū)別與聯系進行分析研究,是理解物理知識與物理觀念之間區(qū)別與聯系的基礎．

對于事實這一概念,《大辭海》的表述為:事實有兩種含義,一是指事情的真相,另一是事情的確實所在．[4]百度百科表述為:事實是事情的真實情況,包括事物、事件、事態(tài),即客觀存在的一切物體與現象、社會上發(fā)生的不平常的事情和局勢及情況的變異態(tài)勢．概括來說,事實是事物、事件等的客觀存在,其特點是能被證明真假,經常被作為證據．

從前述對知識、事實的分析與討論可知:一般情況下,知識可以看作是一系列相互聯系的、具有內在結構的事實形成的,也就是說,事實或對于事實的描述(概括)可以通過條理化、重組提煉后形成知識,圖1所示的就是事實與知識的關系．從這個意義上講,知識更具有客觀性,因為事實是客觀的;知識也具系統(tǒng)性和內在的結構性．

圖1 觀點、事實、觀念、知識關系示意圖

對于觀點,《大辭海》的表述為:觀點有兩個含義,一是觀察事物時所處的位置或采取的態(tài)度,二是指對事物或問題的看法．[4]百度百科表述為:觀點是觀察事物時的立場和出發(fā)點．可以概括為,觀點是表達一種信念、感覺、看法的陳述,其特點是:觀點無須證明．

從上述對觀點和觀念這兩個概念的分析可知,在一系列相關的觀點基礎上經對其的概括提升構成的體系,就是觀念．也就是說,觀念是對一系列、相關的觀點進行提煉概括形成的,圖1反映了觀點與觀念的關系．從這個意義上講,觀念是主觀的,因為觀點更具有主觀性．

總體上來看,觀點、事實、觀念、知識間的關系可以概括為圖1所示．

若不能分清觀點與事實,就會引起爭論．因此,辨別事實和觀點,學會用事實支持觀點,是進行論證與深度思考的基礎．同樣,辨別知識與觀念,深刻理解知識與觀念的區(qū)別,對于物理觀念教學也是非常重要的．例如:在中學物理教學中,學生即使能夠依據物理知識計算出飛機起飛的加速度約為4 m/s2、推斷出起飛后1 s時的速度為4 m/s,人起跑加速度約為7 m/s2、起跑后1 s時的速度為7 m/s,盡管計算結果顯示人的起跑速度明顯快于飛機,但當生活中被問到:“飛機和人相比,誰起跑得快”時,學生通常還會回答是“飛機”．這一現象表明,即使學生學習了物理知識、學會使用物理公式估算飛機和人分別從靜止開始運動后1 s時的速度,且此時人的速度幾乎接近飛機的2倍，但是學生頭腦中對飛機和人運動快慢的觀點,仍然停留在生活中飛機比人運動得快的認識上．這一示例不僅明確顯示出物理知識與物理觀念的區(qū)別、辨別知識與觀念的重要性,而且顯示出讓學生樹立正確的物理觀念比讓學生學會物理知識更加困難．因此,課標的修訂將物理觀念作為新課程標準課程目標的重要原因就在于:通常來說,知識的遺忘程度是很高的,而觀念卻不是．一旦學生樹立了正確的科學觀念,對于學習與行為更具有方向性的指導意義,更能夠影響學生終身的學習與發(fā)展．

2 物理知識與物理觀念

物理知識是人類用物理的思想、觀點和方法在描述和研究物質世界的變化規(guī)律過程中所獲得的認識和經驗的總和,是對物質世界的描述,由眾多的物理事實組成的,包括物理概念、物理規(guī)律和物理理論等．因此,物理知識具有以下特征．

(1) 從某種意義上講,物理知識具有客觀性．物理知識反映的是物質世界,不依賴于人的主觀意識,由客觀的物質世界決定．(2) 物理知識具有內在的邏輯與結構．例如,物理學是由經典物理和現代物理構成．(3) 物理知識是隨著物理學的發(fā)展而不斷變化的．

對于物理觀念,研究者從不同角度對其進行了界定,其中有代表性的如下.

(1) 物理觀念是人們對物理現象和物理過程形成的認識和看法,是對物理現象和過程的理性認識,即學習主體頭腦中形成的物理概念和物理規(guī)律．

(2) 物理觀念是物理學家經歷長期的實踐和理論研究,概括總結出的對物理世界的根本認識．這種認識指導人們繼續(xù)解釋不同的現象并預言其發(fā)展規(guī)律,隨著物理學科的發(fā)展而發(fā)展．[5]

(3) 物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動、能量和相互作用等的基本認識,主要包括物質觀、時空觀、能量觀、相互作用觀,[6]是從物理學視角形成的關于物質、運動、能量和相互作用等的基本認識,是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華,具有范圍廣、概括度高的特征,具體表現為運用物理思想、觀點和方法看待、認識事物,處理和解決問題的意識和習慣．[7]

分析和比較對物理觀念的不同界定可以發(fā)現,物理觀念可以概括為物理學家在長期的理論和實驗研究中所獲得的基本認識,是在科學實踐中被證實正確性的認識,是公認的、正確的對物理世界的根本認識．物理觀念通常包括物質觀、相互作用觀、能量觀、時空觀等．

物理觀念具有以下特點:一是主觀性．物理觀念是物質世界在人頭腦中的反映,在加工、沉淀過程中必然要受到認識主體的知識水平、認識能力及其傾向、嗜好興趣等主觀因素的影響,進而打上認識主體的烙印．這就使得物理觀念具有主觀性．二是物理觀念有內在的結構．物理觀念是認識主體對物質世界的認識在頭腦中的固化．物質世界是有層次的,反映物質世界的物理觀念也是有層次的．例如:物質世界中有宏觀和微觀世界,相應的物理觀念則有對應于宏觀世界的微粒觀與波動觀、對應于微觀世界的波粒二象觀;物理世界是有結構的,反映物質世界的物理觀念也是有結構的,表現在物理觀念是以核心觀念來構建結構的．如:物理學中重要的觀念——能量觀,它由對能量存在的形式、能量的轉換、能量守恒及其能量變化等問題的看法與觀點所組成．這些觀點相互關聯、彼此互為支撐,形成能量觀的內在結構．由此可見,物理觀念的結構由組成其的物理觀點形成,這些物理觀點彼此密切相關,構成物理觀念的內在結構．三是物理觀念具有變化性,例如：人類對宇宙的觀念經歷了從地心說到日心說,再到宇宙無中心說．

物理觀念是物質世界在人頭腦中的反映,是與客觀世界相符合的、被公認的正確觀念,具有一定的客觀性,但人們對物理世界的看法或觀點卻是主觀的．在這些看法或觀點中,有些與客觀世界相符合、是科學的,有些則與客觀世界不相符合、是錯誤的．人們對物理現象和物理過程形成的認識和看法均被稱為物理觀點,因此在物理觀點中,既有正確的、科學的,也有錯誤的、不科學的．那些科學的、正確的物理觀點能夠形成具有系統(tǒng)和內在的邏輯結構體系,將這些體系進行概括、提升后就形成了物理觀念．它是人們對物理世界的根本認識,是物理學家經過長期的研究與實踐所獲得的、是與物理知識不同的體系．如,物質觀、能量觀．

通過分析與比較物理觀念與物理知識,可以看出它們既有明顯的區(qū)別,又有密切的聯系．物理學的發(fā)展歷程表明,盡管物理觀念與物理知識是不同的,但物理觀念與物理知識總是相互影響、相互作用．例如:在物理學發(fā)展過程中,人類對于時空的認識有兩類不同的看法．一個是牛頓的時空觀,另一個是愛因斯坦的時空觀．在這兩個時空觀下,牛頓與愛因斯坦分別創(chuàng)立了不同的、反映物質世界的物理知識體系．牛頓建立的是牛頓力學,愛因斯坦建立的是相對論．對物理學的研究對象——物質個體的特征,將其看成了微粒、波或波粒二象性,其他的物理學家在時空觀和對物質個體特征看法的基礎上,創(chuàng)建了經典物理學和相對論量子力學等物理學理論,如表1所示,從而極大地豐富了物理知識的寶庫．

表1 時空觀、物質觀對應的物理理論

表1顯示,粒子概念為牛頓力學所擁有,而波的概念為電磁學所覆蓋．粒子與波是相互排除的,明確而不能混淆的．正如將一塊小石頭投入水中,水波從石頭的投入點向外傳播,石頭和水波顯然是兩類不同的世界,但都可以從一個地方向另一個地方輸送能量與動量．粒子不具有空間疊加性,而波則具備空間疊加性,具有區(qū)別于粒子特征的干涉與衍射現象．

在經典物理中,電子的行為與粒子一樣,具有電荷和質量,用動量與能量來描述．但在微觀世界,一些物理實驗說明電子的行為與粒子的特性相同,如電子在電場中的運動行為;還有一些物理實驗說明電子與波的行為特性相同,如:電子的衍射實驗．此外,物理實驗也顯示出電磁波具有粒子行為(如康普頓散射實驗),因此物理學中引入了關于物質世界個體特征的另一種觀點,波粒二象性觀,也就是說,微觀世界的個體既具有波動性,也具有粒子性,相應的研究微觀世界的物理學在牛頓時空觀下是薛定諤量子力學,而在愛因斯坦時空觀下則是狄拉克量子力學,如表1所示．這3個對物質世界個體特征的觀念與其它對物質世界體的看法(或觀點),一起組成了物理學中的物質觀．

由此可見,物理觀念具有主觀性,是人類對物質世界根本的認識與看法,是能夠被物理學所證實的、正確的、科學的;而物理知識則更具有客觀性,是人類對物質世界描述,更是必須被物理實驗所驗證、是科學的、正確的．顯然,物理觀念與物理知識具有密切聯系、相互作用、相互影響,可用圖2來表示物質世界、物理知識、物理觀念的層次關系．物理觀念是人們對物質世界的根本看法與認識,需要由物理知識來支撐物理觀念,借助物理知識來證實物理觀念科學性與正確性;物理知識與物理觀念之間具有一定的對應關系,物理知識的結構與變化密切影響著物理觀念的結構與變化,反之物理學家對物質世界的看法(物理觀念)也可以指導物理知識的發(fā)展．正如,愛因斯坦堅持了他對時空的看法,才創(chuàng)建了相對論．

圖2 物理觀念、物理知識與物質世界關系示意圖

綜上所述,物理觀念是在物理知識的基礎上建立的,每一個物理觀念都對應于相應的物理知識體系．因此,沒有物理知識支持的物理觀念是沒有生命力的．此外,物理學的發(fā)展史也顯示出物理觀念能夠促進與引導物理知識的發(fā)展,因為物理觀念覆蓋人類關于物質世界的總的看法．具體到中學階段,重要的物理觀念包括物質觀、能量觀,及其運動與相互作用觀,而支撐這些物理觀念的是中學物理知識．

3 物理觀念教學的意義與實施

現行中學物理課程目標是“知識與技能”、“過程與方法”、“情感、態(tài)度與價值觀”三維目標,新近修訂的高中《物理課程標準》圍繞著物理核心素養(yǎng)設定了4方面的目標,分別是“物理觀念”、“科學思維”、“科學探究”和“科學態(tài)度與社會責任”．顯然,原有三維目標中的“知識與技能”維度的內涵,被“物理觀念”、“科學思維”與“科學探究”所覆蓋,其中“物理觀念”覆蓋了物理知識的內容．因此,中學物理教學應該將現行的、圍繞知識與技能進行的教學提升至物理觀念教學．而要達成這一目標,就必須從以下方面著手．

3.1 正確認識在中學物理教學中引入物理觀念的意義

從物理觀念與物理知識的區(qū)別可以看出,現行中學物理教學是物理知識層面的教學．要實現物理觀念教學,應對現行物理教學目標進行擴展,將其提升至物理觀念層面．值得注意的是:物理觀念教學應建立在物理知識教學之上,不應排斥物理知識教學,因為物理觀念需要物理知識來支撐,物理觀念和物理知識的結構與體系密切相關．中學物理教學目標從物理知識到物理觀念的轉變,對中學物理教學來說無疑是一個新課題．比如,所講授的物理知識(物理概念與物理規(guī)律)與哪些物理觀念相對應、這些物理知識如何支撐對應的物理觀念;以及物理觀念內在的結構和體系是怎樣的,支撐它的物理知識間具有怎樣的結構與體系?等等．這一系列問題均需要進行深入研究．

以能量觀為例．物理教學研究發(fā)現學生關于能量的前概念非常之多,例如:有些學生認為“能量”就是“力”,因為人吃了飯才有力量;一些學生同時混用“能量”、“力”以及一些運動來表現能量概念．前概念與學生的生活經歷,認知水平及其個性發(fā)展相關．要讓學生建立正確的能量觀念,首先需要做好以知識為載體的能量概念教學,讓學生正確理解和掌握能量概念,這是物理觀念教學的起點．教師需要明確能量觀念由哪些與之相關的觀點組成?能量雖然可以感受,但看不見,摸不著,因此,能量觀念教學的首要問題便是要回答:能量是什么?答案是:能量是做功的本領、物質等,由能量的形式與其轉化等物理知識來支撐這一觀點．其次,教學中還要回答能量存在于什么地方,有什么形式?由動能、勢能、光能等物理知識來支撐能量存在于物質中、且有不同的形式．第三:能量怎樣變化?由能量守恒定律來支撐能量可以在不同的形式間轉化,但總量一定,不能產生、也不能消滅．由熱力學第二定律來支撐不同形式的能量間不能隨意轉換,轉化具有方向性．這些物理知識支撐著能量是如何變化的能量觀．

除以上3個主要觀點外,還有能量存在的形式有多少種,人類全部都找到它們了嗎?還是目前只發(fā)現了一部分?這些關于能量的觀點形成了能量觀的內在結構,從而組成了整體的能量觀．顯然,只有深入研究每個物理知識點背后的物理觀念及其相應的物理觀點,才能夠確定合適、科學、正確地提升每節(jié)物理課的物理觀念教學目標．

3.2 重新定位中學物理教學 “教會”與“學會”的標準

新近修訂的高中《物理課程標準》將物理觀念作為課程的重要目標之一．這是因為,物理觀念是根植于人們的頭腦中的,即使遺忘了物理知識,但相應的物理觀念仍能長存在于學生的頭腦中,并影響他們對于世界的看法、行為和解決問題方式．因此,物理觀念教學不應以課堂上是否“教會”與“學會”物理知識為標準,而應給出新的、更加全面科學的標準．

進行物理觀念教學需要關注每個學生的文化背景、生活經驗、認知水平和認知方式,從學生的“已有水平”出發(fā),將已有的知識和經驗作為新知識的生長點和建立物理觀念的起點,采用最合適的教學方法引導和幫助學生建立物理觀念、構建物理觀念體系．教師“教會”的標準也應改變?yōu)橐詫W生是否接受物理觀念,并能用自己建立的物理觀念看待自然和生活中的現象、指導其行為,也就是學生應能像物理學家一樣用物理觀念解釋現象和解決物理問題．

同樣,對于學生的“學會”也不應以是否學會物理概念和規(guī)律,前概念是否消除為標準,而應給予新的標準:學生是否會用物理的觀點來看待自然和生活中的現象;是否能主動用物理觀念對物理現象進行解釋;在分析和解決問題時,是否能夠正確提取物理課程學習的、在其頭腦中形成的物理概念和知識體系,并能在物理觀念的指導下正確和創(chuàng)造性地使用．顯然,“會教”和“學會”的新標準是提高物理課堂教學質量,實現培養(yǎng)和發(fā)展學生的物理核心素養(yǎng)的課程目標．

3.3 在中學物理教學中恰當引入考查物理觀念的測評方式

進行物理觀念教學,必須建立與物理觀念教學相符合的測評體系．因此,就需要在現有以知識與技能為主要內容的中學物理測評體系中,增加與物理觀念相關的測評．

一是引入開放性題型．目前的物理考試采用的題型大多是選擇題、填空題和計算題,這些題型都屬于封閉題型,試題均有正確的、科學的、唯一的答案．這種具有唯一性答案的物理試題顯然不適合對于學生物理觀念的探知．因為學生對同樣的事物或現象的看法是多樣的、復雜的,學習過程中對于物理現象和物理問題的看法同樣也是多樣的、復雜的．要想全面了解和探知學生的物理觀念,就需要引入能夠對于同一問題有多種答案的測評工具,也就是要引入開放性試題．

二是引入形成性測評．與終結性評價相比,形成性評價更加關注學生學習過程中的表現,以促進學生的全面發(fā)展,發(fā)現和挖掘不同學生的潛能,促進學生的個性化發(fā)展;更加尊重學生的差異和成長規(guī)律,通過學習過程的測評與指導,使不同層次的學生都能樹立自信心、不斷進步;更加重視突出學生的主體地位,讓學生參與到評價過程中,激發(fā)學生的內驅力,從“要我進步”變?yōu)椤拔乙M步”,發(fā)揮學生的主觀能動性,提高學習的效率,實現學生更好更快的發(fā)展．與形成性測評特點相匹配的手段與方式多種多樣,例如訪談、問卷調查等,這些測評多是開放性的,以探查被試的真實想法為目的．同時形成性測評以學生物理學習過程的表現為測評期間,其測評結果更能反應學生的真實狀態(tài),更有利于測查學生物理觀念的形成與變化．只有這樣,才能實現對學生物理觀念的測評,并將中學物理教學從以物理知識為主的教學提升至物理觀念教學的高度．