高中物理觀念教學閑思

王長江 盛 洋

(1. 安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241002； 2. 江蘇省橫林高級中學,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，唯以學生發展角度從長計議.物理觀念是物理學科核心素養的重要組成部分，物理觀念的形成，要求以嚴謹求實的科學態度開展科學探究活動、培養科學思維能力，可以說物理觀念的形成體現了全部物理學科核心素養的基本要求.那么，物理觀念是什么？物理觀念有哪些？物理觀念如何教？在物理學科核心教學實踐中，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涵、澄清物理觀念的內容，進而提出物理觀念的教學建議，以期對當前國內的物理觀念教學有所裨益.

1 物理觀念是什么

物理觀念教學研究，繞不開“物理觀念是什么”這個基本問題.對于“物理觀念”這一新的學科核心素養，不少一線教師反映“難以把握”.以往的相關研究，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、物理規律的本質無二，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特征,是抽象的,這與國際上關于概念的內涵并不一致；在建構物理核心素養時,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”就是物理學中最重要的科學觀念,是組織整合物理學科知識內容的少數關鍵概念,是將眾多的物理知識聯為一致整體的物理學習的核心內容，是學生理解或探究更復雜概念的關鍵工具,與學生的生活實際和重大社會議題緊密相關,貫通整個基礎教育階段的物理課程.[4]蔡鐵權對“觀念”和“科學觀念”內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，符合詞源學和哲學的界定,也與“觀念史”的發展相一致，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，是居于物理學科中心，具有超越課堂教學的持久價值和遷移價值的關鍵性概念或原理.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、規律的關系.一線教師對物理概念、物理規律等基礎物理知識是熟悉的.如果我們知曉了“物理觀念”與物理概念、物理規律等其他熟悉的物理知識的關系，“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，物理知識的層級結構如圖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、物理規律.重視觀念、規律教學是我國物理教育的優良傳統，但是，從新的知識觀來反省圖1的知識層級結構，將知識目標僅僅停留在形成物理概念、規律，傳授給學生的仍舊是支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實.在物理學科核心素養框架下，物理知識的層級結構如圖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、物理規律、物理觀念.二者的差別就在于：核心素養框架下的物理知識層級結構，位于金字塔頂端的是比物理概念性知識(物理概念、物理規律)抽象程度更高、解釋力更強的物理觀念.亦即，核心素養框架下的物理觀念力圖幫助學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、物理規律來理解物理觀念，也不能將物理觀念與物理概念、物理規律混為一談.

圖1 物理知識的層級結構(1)

圖2 物理知識的層級結構(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，物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念的具體內容分別是什么？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.

樣例學習給我們提供了思路.樣例學習是學習者從一般概念、原理、程序的例子中習得解決問題方法的一種學習方式.[6]和單純的問題解決學習方式相比,樣例學習不僅費時少、遷移效果好,還可減輕學習者學習時的認知負荷.有鑒于此，筆者以《普通高中物理課程標準》(2017版)為依據，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“樣例學習”.

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習結束后，學生應該形成的物質觀念、運動與相互作用觀念和能量觀念.

(1) 物質觀念.

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

物質觀念1：宇宙是由物質組成的，物質以實物粒子和場兩種形式存在.

物質觀念2：物質具有質量、能量等基本屬性，還具有彈性、磁性、導電性和導熱性等重要屬性.

物質觀念3：物質是有結構的，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.

物質觀念4：物質主要有固體、液體、氣體3種存在狀態.

(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：時空是物質運動的存在形式.

運動與相互作用觀念2：物質間存在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內，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：系統內部和系統之間的能量轉換永遠不會改變能量的總和.筆者參照《義務教育物理課程標準》(2011版)中對一級主題“能量”的維度劃分，并參考了相關研究成果，[9]從能量的存在形式、相互轉化、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，而是根據不同的需要以不同的形式儲存于各個物質中.

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

能量觀念4：能量既不會憑空產生，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量上未減少，但在可利用的品質上降低了，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構中3個必修、3個選擇性必修模塊學習結束后，學生應該具有的物質觀念、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構中某個主題學習結束后，學生應該具有的物質觀念、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)的課程結構中必修、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習結束后，學生應該具有的物理觀念，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是當前中學物理課堂面臨的實際難題.不少教師反映物理觀念教學“不好操作”.筆者認為，物理觀念是單元學習的預期結果；物理觀念教學重在理解；逆向設計為落實物理觀念教學提供了可行途徑.[10]逆向設計指導下的物理觀念教學，將教學目標劃分為習得知能、理解觀念；富含真實情境的實作任務，可以有效地評價學習結果；夯實物理基礎，引導學生對物理事實、物理概念、物理規律的歸納、概括，是通向物理觀念形成的進階之路.

3.1 目標確立：關注概念規律，指向物理觀念

核心素養框架下的物理教學，其目標不能僅僅停留在知道事實性知識、掌握物理概念和規律，還應指向理解物理觀念.基于此，物理觀念學習目標可以分為習得知能、理解觀念和學習遷移.

(1) 習得知能.知能指的是物理學科的事實性知識、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習習得).了解、知道乃至熟練地掌握物理事實、物理概念、物理規律等是建構物理觀念的基礎.

(2) 理解觀念.“理解觀念”是將課時學習中習得的事實性知識、常識性技能、概念性知識，經由推理、概括而得到的新的“意義”(即觀念)，通常以陳述句表述.在物理學科情景中，理解觀念指的是通過模型建構、科學推理、科學論證、質疑創新等認知過程，建立物理概念性知識之間的聯系，對已經習得的物理概念、物理規律進行推論，從而產生物理觀念.

(3) 應用遷移.學習遷移是指將習得的物理觀念應用到新的問題情境中的能力.在物理學科情景中，達到“真正理解”的學習者，能夠應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，設計的教學目標見表3.

表3 “電磁場與電磁波初步”主題的教學目標

3.2 評價方案：一般測試之外，設計實作任務

逆向設計的第2步，是尋找評估預期學習結果的證據.逆向設計認為，實作任務是評價學生是否達到持久性理解、靈活應用的恰當證據.實作任務(或稱之為表現性任務)是指仿照成人面對的議題和問題編制的復雜挑戰；要求在真實的或擬真的情境中，解決多階段、復雜的學科內或跨學科難題，可以充分反映和表現學生對包括意義理解、學習遷移等學科核心素養掌握情況.例如，在“運動與相互作用”主題學習中，可以設計如下實作任務.

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

在“電磁場與電磁波初步”主題學習中，可以設計如下實作任務.

停電了，家里有一個小燈泡，導線若干，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？請你運用產生感應電流的條件，設計電路和發電方法，讓燈泡亮起來.

3.3 活動設計：強調歸納概括，重視理解觀念

有效的物理觀念教學不僅要夯實基礎知識，還應圍繞“物理觀念”，設計“大問題”、創設“大情境”進行單元教學設計.有鑒于此，我們以“電磁場與電磁波初步”主題為例設計了物理觀念教學“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構與物理觀念教學思路

圖3中左側為“物理知識的層級結構”，“自下而上”依次由物理事實、概念、規律不斷聚合，形成物理觀念；右側為“物理觀念的教學思路”，應“自上而下”從單元教學設計的物理觀念基本問題(大問題)出發，依次設計規律基本問題、概念基本問題、事實一般問題，引導學生從物理事實、概念、規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、規律的教學，夯實物理基礎知識.通過富有吸引力的教學活動，使學生掌握扎實的物理基礎知識(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.物理觀念教學應該“厚實其基礎”，我國優良的物理教育傳統不能丟(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”，設計“大問題”、創設“大情境”進行單元教學設計.“自上而下”的問題驅動是形成物理觀念的重要路徑.應該以形成物理觀念的基本問題為統領，將其向下分解為若干個形成物理規律、概念的基本問題，通過基本問題的驅動，完成單元教學活動的設計.