“質量”概念學習進階的初步研究

安 秋 王長江

(安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241002)

1 問題提出

通過中國知網(China National Knowledge Infrastructure, CNKI)對關鍵詞“質量”和“物理”進行高級檢索，發現目前關于“質量”概念的研究主要表現在質量概念的演變、質量概念的教學、質量概念的分支研究等幾個方面，但對于質量概念學習進階的研究還未曾出現.“質量”是物理學科的基本概念之一，在物理、化學、數學等學科以及生產、生活中應用極廣.在物理學發展的進程中，“質量”的概念是不斷演變的，并且不斷演變的“質量”概念均有學習研究的意義，因此，“質量”概念作為中學物理學科的基礎內容和重要內容，在中學物理學科教學內容中具有占比較大、應用極廣的特點，是學生學習的重要內容.在“學習進階”作為科學教育研究中的熱點議題的教育背景下，以學習進階為研究方法對我國中學物理教學中的“質量”概念進行研究，能夠發現我國中學物理教育中“質量”概念的相關學習進階路徑劃分.那么現有中學物理學科教學安排是否符合學生的認知發展？若不符合又有怎樣的改進方法？這些將是中學物理教育研究者共同面臨的問題.

2 研究背景

2004年學習進階第一次在科學教育領域被正式提出.[1]學習進階(Learning Progressions)是指學生在一個領域內，從初級到高級的思維發展過程中，與核心思想和原則相關的思維發展過程模型.[2]學習進階的研究主要集中在數學教育和科學教育領域.[3]越來越多的研究表明，學習進階可能成為指導教師以引出、解釋和回應學生想法的有效工作手段.[4]學習進階的理念已經在一些國家的教育部門和商業實體中得到了廣泛的歡迎，并產生大量的檢查與評估關于教師使用學習進度證據的工具，如伯克利評價研究系統(Berkeley Evaluation and Assessment Research)評估系統以及相應的試卷質量分析軟件Bond & Foxsteps、Wright map等、[5-6]基于模型的探究法(Model-Based Inquire Approach).[7]另外，Wilson 2009年就學習進階框架的開發流程從定量測量的角度進行了介紹，并指出相應的研究步驟為從構建學習進階框架、到開發測試題目、到確定結果空間、到形成實證證據、再到構建學習進階框架的循環過程.[8-9]

關于學習進階主題的確定在教育界中眾說紛紜，有學者認為，并不是所有的科學概念都可以作為進階變量，進階變量必須是核心概念或核心實踐能力；[10]還有學者認為，學習進階是對概念的進階研究.[11]筆者在研究學習過程中追根溯源，發現早在2007年，美國國家研究委員會(National Research Council)發表文章提出在科學中，學習進階被定義為“對于一個可以作為學生長期學習的主題，學習進階就是對學生在學習這個主題過程中產生的連續且越來越復雜的思維方式的描述”.[12]

綜上，學習進階的研究對象并不唯一確定，可以是基本概念或者是核心概念，也可以是一門學科或學科分支，表現為一個具有伸縮性的主題.作為學習進階的主題選取方面，需要考慮兩個方面的特點：學習時間較長、學習過程中學生的思維方式有發展變化.以物理學史為研究依據，“質量”作為一個物理概念已經具有很長一段時間研究的歷史背景，并且其概念具有發展變化的特點，應用十分廣泛.下面將以我國中學物理(7年級-12年級)“質量”概念為研究主題，進行相關的學習進階探究.

3 物理學史中質量概念的進化

質量是物理學研究對象之一.在物理學史中，“質量”概念主要歷經了多次演變，通過閱讀喬際平先生的《重要物理概念規律的形成與發展》一書發現，17世紀20年代、17世紀80年代和20世紀初3個時間段對質量概念的發展有著里程碑性的意義.其中具有代表性的弗蘭西斯·培根、艾薩克·牛頓和阿爾伯特·愛因斯坦3位物理學家通過細心研究和歸納，分別提出了質量、靜質量、引力質量、慣性質量以及動質量的相關質量概念，對這些“質量”概念做了具體描述.[13]尤其是牛頓的靜質量、引力質量和慣性質量等“質量”概念，是支撐經典力學大廈的有力根基，對現代社會科技的發展具有十分重要的作用；而愛因斯坦關于動質量概念的提出，更是為未來科技的發展和高速運動物質的探索提供了寶貴的理論基礎.另外，“質量”概念的發展在歷經多次科學家的探索后，又做出了其他補充，1881年J.J.湯姆生首次提出帶電體應具有更大的質量，后來人們用“電磁質量”表示這部分增加的質量.隨后，1904年洛倫茲得到電子質量與速度之間的關系.[14]

物理學家對質量的研究不僅僅局限于概念的探索，在對基本粒子(如電子、α粒子等)質量的測量和不同變化過程中質量所遵守的規律(如質量守恒定律、質能方程等)等方面均有所涉獵.因此，“質量”概念具有強的知識遷移能力，具有極大的學習和研究價值.下面將以時間軸的順序對“質量”概念在物理學史中的發展做出相應的梳理(表1).

4 現行教材中質量概念的呈現順序

我國中學生(7年級-12年級)對質量概念的認知演變，可以從我們的基本教學干預參考——教科書和課程標準中尋找出基本路徑.隨著基礎教育的改革推進，“一綱多本”是我國教育發展的現狀，課程標準方面，本著與時俱進的教學環境需要，筆者將選取《義務教育物理課程標準》(2001年版)和《普通高中物理課程標準》(2017年版)作為研究對象；教科書方面，根據教科書的適用范圍廣度和普及度，筆者將選取2012年初中、2010年高中人教版物理教材作為研究對象，對“質量”概念的學習要求和內容編排進行梳理.

表1 質量概念的演變

階段1：初一年級.

根據我國教育安排，7年級的學生還沒有開設物理學的相關課程學習，這一階段的學生處于物理教學干預之前.由于“質量”這一概念與現代生活和學習的緊密聯系，學生會受生活經驗和其他學科知識的影響，形成一定的與“質量”概念相關的前概念.對這一年級學生對“質量”概念進行前概念測查，有助于了解學生的社會綜合學習基礎，有助于發現學生的迷思概念，從而為教師教學提供學情參考，輔助教學.

通過調查發現，學生在小學人教版義務教育教科書數學3年級上冊的學習過程中學習認識了“質量”的單位“克、千克、噸”及換算；[15]在日常生活中，學生比較易于接觸和了解到“兩、斤”等質量單位；“重量”與“質量”混用等等情況都存在于學生對“質量”的前概念之中.

階段2：初二年級.

依據《義務教育物理課程標準》對初中物理學科課程目標的要求，8年級學生在學習完相關內容后，應做到認識“質量”，包括基本概念“物體所含物質的多少叫做質量”和單位；[16]會用簡單的實驗儀器測量“質量”的大小；能對物質做出相關“質量”的描述.其中，將“用天平測量物體的質量”設置為學生必做實驗之一.[17]

查閱8年級物理教科書，8年級上冊第6章將“質量”作為一級主題，對“質量”進行概念、符號表示、單位、測量、計算、簡單運用6個方面進行一章的系統闡述，8年級下冊第7章探究了重力與質量的關系，第8章簡單介紹了慣性，并沒有深入探究慣性與質量間的聯系，第10章介紹了浮力與質量間的聯系，第11章介紹了能與質量間的聯系.

階段3：初三年級.

結合《義務教育物理課程標準》，9年級學生對“質量”概念并沒有相應的變化與發展，屬于在8年級學習到的“質量”概念基礎上，加以運用和遷移.通過翻看相應的9年級物理教科書，能夠發現內能、比熱容、熱值等與“質量”概念相關的知識安排.

階段4：高一年級.

由于新版課標《普通高中物理課程標準》(2017年版)已頒布而新版教材還未使用，筆者將以新課標新思想來探究現用教材，對其中的“質量”概念相關表述進行梳理.新課標強調要以發展學生物理學科核心素養為教學宗旨，注重對物理概念本質的探索、研究與學習.因此，對于“質量”概念需要有深入性的研究發展.

翻看高中物理必修1，發現在第4章牛頓運動定律中對“質量”概念做出新表述，將質量定義為“描述物體慣性的物理量”,并且介紹了“動力學方法測質量”的新方法，[18]高中物理必修2中，第6章萬有引力與航天相關內容介紹了“引力質量”和萬有引力定律，是稱量天體質量的有效方法.

階段5：高二年級.

根據我國高中物理教育采取的“必修+選修”的課程結構，高中學生一般在高二年級完成物理選修部分知識的學習.選修電學部分(3-1，3-2)只介紹了電子質量的大小，對“質量”概念的發展并沒有相關表述，熱學部分(3-3)也屬于對原“質量”概念的應用部分，相對論部分(3- 4)提出了“相對論質量”也叫“動質量”并指出“物體運動時的質量m總要大于靜止時的質量m0”，[19]原子物理部分(3-5)提出了“質量”概念的遷移概念“質量數”，以及在介紹結合能時提出質量虧損.

階段6：高三年級.

高中三年級對學生來講是復習與沖刺的階段.這個階段對學生學業質量水平的要求要達到較完備的水平，學生對“質量”概念應形成系統的認識，以及對其遷移概念、規律要學會理解與運用.

通過按教學時間階段的劃分，可以看出我國物理教育對“質量”概念預期的學習進階路徑如表2.

表2 現行教材安排“質量”概念學習進階路徑

5 “質量”概念學習進階的層級再劃分

以上對現行人教版中學物理教材中“質量”概念學習進階安排的路徑分析是以學年劃分的.可以看出初中階段(7-9年級)對“質量”概念的學習進階層級安排跨度較小，而高中階段(10-12年級)對“質量”概念的學習進階層級安排跨度較大.這也造成大部分學生認為在從中學階段上升到高中階段時，對物理學科學習的認知跨度較大，從而對物理學科失去學習的希望.因此，從學生的認知角度出發，現行人教版物理教科書關于“質量”概念的教學安排還有改進與提高的空間.

下面筆者將結合學習進階的相關研究對中學物理教學中質量概念的教學安排進行分析.我國有關學習進階研究專家郭玉英、姚建欣等人在經歷一系列有關學習進階的研究過程后，提出科學理解的進階發展層級：事實經驗、映射概括、系統關聯，為進階變量的確定提供了重要參考.[20]在考慮學生學習知識、建構物理觀念時的系統與完整，筆者在前人研究的基礎上，搭建事實與經驗、經驗與映射、映射與概括、概括與系統、系統與關聯、關聯與整合6層學生學習理解物理概念與形成物理觀念的學習進階層級，并將“質量”概念重新以質量的“經驗”、“宏觀”、“實驗”、“推理”、“微觀”、“聚合”6層表述來進行再劃分，構建新型“質量”概念學習進階研究路徑，具體劃分情況如表3.

表3 “質量”概念學習進階的初步制定

續表

6 小結

本文通過對“質量”概念的物理學史發展分析、“質量”概念的中學物理教科書教學安排分析、“質量”概念的學習進階分析，制定了初步的“質量”概念學習進階模式.在后續的工作中，筆者將進行相應測試問卷的編制，并確定結果空間，然后回收測試結果，對質量概念的學習進階模型加以修正.