物理學科能力研究的比較與啟示

董鑫鑫 翟彥芳

摘要：物理學科能力的研究是關系到物理教育變革和新時代學生發展的重點領域。當前，物理學科能力的研究百花齊放。通過對內涵、理論基礎（起點）、建構過程和構成要素幾個方面的比較，分析關于物理學科能力的各種理論的差異，得出進一步研究的有益建議。在開展物理學科能力的后續研究時，需要認真甄別與謹慎選擇建構的理論起點，盡量從物理學起點出發;應關注物理學科的“習得”過程和“應用”過程;注重建構邏輯;可將已有理論中較被認可的構成要素作為后續研究的重要基礎。

關鍵詞：物理學科能力;理論基礎;建構邏輯;構成要素

長期以來，培養學生的學科能力一直都是教育界關注的重點問題。伴隨著核心素養時代的到來，學科能力問題更加引起人們的關注。比如，物理學科能力的要素是什么？怎樣培養學生的物理學科能力？這些都是物理學科能力研究中需要回答的問題。令人欣慰的是，目前已經有許多研究者對這些問題展開了有益的探索，生成了不同的解讀和界定。為此，本文通過遴選國內近年來具有代表性的物理學科能力理論做比較分析，以期為進一步研究提供有益的建議。

一、物理學科能力研究的回顧

美國科學哲學家托馬斯·庫恩在《科學革命的結構》中提出了“范式（paradigm）”一詞，認為范式是由科學共同體所共享的信仰、理論、規則、技術和價值等要素構成的集合，其本質是一種理論體系。此后，范式理論逐漸被運用到其他社會科學領域，用以分析社會研究中的“突變”狀態。美國哈佛大學彼得·霍爾教授結合由于政策變化所引起的突變和間斷特征，提出了“政策范式”的概念。他認為，政策變化會導致社會科學研究的中心變量發生轉變。物理學科能力的研究變革，自然也是由相關政策推動的。

改革開放以來，物理學科能力的培養便在不同課程文件中被反復強調，許多研究也是圍繞課程文件展開的。進入21世紀，物理課程標準將國際科學教育中的“科學探究”引進國內，一度成為我國物理教育界討論和爭辯的主戰場。直到2010年后，我國相繼出臺了《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》等政策文件，明確了“能力為重”和“素養發展”的總體目標，物理學科能力的理論研究逐漸進入到本土化建構階段。

盡管物理學科能力的研究經歷了曲折的發展過程，但是仍然有不少研究者對物理學科能力展開過持續研究。不過，“前范式”時期的理論研究在表達“學科”特殊性上明顯要弱于范式轉變后的理論研究。因此，我們按照文章發表的時間順序，遴選了2010年以后國內具有代表性的物理學科能力的理論研究文獻，并梳理了各自對于物理學科能力要素的描述。

歐陽映在《中學物理學科能力的研究》一文中指出，物理學科能力包括：（1）物理觀察實驗能力;（2）物理符號表征能力;（3）物理模型構建能力;（4）數理推理能力;（5）物理論證能力。

張宇等人在《中學物理學科能力的核心要素構建——基于一線物理教師的實證調查》一文中指出，物理學科能力分為基礎能力、一般能力和綜合能力。基礎能力包括閱讀能力（物理教材閱讀、物理習題閱讀、物理課外閱讀）和數學能力（代數運算能力、空間想象能力、數理結合能力）等。一般能力包括觀察能力（物理現象觀察、物理儀器觀察、物理圖表觀察）、思維能力（物理形象思維、物理抽象思維、物理直覺思維）和實驗能力（實驗操作能力、實驗分析能力、實驗設計能力）等。綜合能力包括研究能力（信息獲取能力、課題選擇能力、探究課題能力）和創造能力（質疑舊觀點的能力、提出新觀點的能力、用新觀點解決實際問題）等。

郭玉英等人在《物理學科能力及其表現研究》一文中指出，物理學科能力包括學習理解能力、應用實踐能力和遷移創新能力。學習理解能力包括觀察記憶（觀察與信息提取、信息與知識對應）、概括論證（抽象概括、指向知識獲得的推理）和關聯整合（知識關系建構、核心概念整合）等。應用實踐能力包括分析解釋（分析物理問題、解釋物理現象）、推論預測（基于推理進行推論、基于推理結果預測）和綜合應用（多過程的情境問題解決、多知識的提取與綜合使用）等。遷移創新能力包括直覺聯想（遠距離聯想、估算判斷）、遷移與質疑（新情境下的應用、基于批判性思考的評價）;建構新模型（創意設計、針對新情境建構模型）等。

邢紅軍等人在《論物理學科能力的建構及其啟示》一文中指出，物理學科能力包括：（1）觀察實驗能力;（2）科學方法運用能力;（3）物理推理運算能力;（4）物理知識建構能力;（5）物理遷移創新能力。

可以看出，已有物理學科能力理論既存在著單級的能力體系，又有分級的指標體系，能力要素不盡相同。隨之而來的問題就是：究竟什么樣的物理學科能力理論更令人信服呢？

二、物理學科能力研究的比較分析

正如哲學中的“我是誰？”“我從哪里來？”“我將去往哪里？”等終極問題，任何物理學科能力理論的建構都需要回答的問題是：研究對象是什么？從哪種理論起點出發？按照何種路徑和邏輯？最后得到怎樣的能力理論？為此，我們從內涵、理論基礎（起點）、建構過程和要素構成四個方面，對遴選的物理學科能力的理論展開比較分析。

（一）物理學科能力的內涵

物理學科能力是什么？這是一個本體論問題。依照“循名責實”的認識方法，理解物理學科能力可以從“物理”和“能力”兩個方面進行解讀。 “物理”是一門科學和學科，它反映了物理學科能力的本質歸屬。“能力”屬于心理學范疇的概念，是物理學科能力的理論基底。從這個角度來看，物理能力就是指學生在物理教育教學活動中通過培養與訓練所形成的物理問題解決能力。

心理學家斯皮爾曼主張一切智力活動均由一般因素和特殊因素構成。一般因素所代表的能力能夠呈現在一切智力測驗課題中，特殊因素所代表的能力則表現于個別特殊課題中。因此，能力有一般能力和特殊能力之分。在這個意義上，物理學科能力可以認為是學生在物理科學活動中表現出來的能力。這種能力不僅包含著從事任何認知活動所共同要求的一般能力，也包含著從事物理認知活動或物理專業活動時所必需的特殊能力。

一般而言，在未進行物理學科學習之前，學生已經具有學習各類學科的基本能力，如感知、觀察、記憶、想象、言語和操作等。但是，這些能力并不能稱為物理學科能力，因為物理學科能力中的“學科”是相對于“非學科”提出的。這無疑是將物理學科能力定位為“特殊能力”，強調物理學科能力是其他學科無法培養的特殊能力，是物理學科教育價值的集中體現。因此，學生從事所有學科認知活動的基礎能力更應被稱為物理能力中的“一般能力”。

特殊能力的形成和發展又以一般能力為基礎和前提。換言之，物理學科能力無法從一般能力中完全剝離，兩者的界限就在于“學科性”的表達上。物理學科能力的“學科性”是建立在物理學科所獨有的研究對象、方法和知識領域的基礎之上的，體現在能夠滿足物理學科的特殊要求和解決物理學科的特殊問題。比如，沒有接受過物理學科學習的學生，看到機械鐘只能認識到擺錘在左右擺動。而當學生學習過相關物理學科知識后，就能夠將機械鐘的機械結構抽象為擺的模型。在這個過程中，物理學科能力就成為學生在掌握物理學科知識和解決物理學科問題時所形成和發展的獨特、必要和穩定的心理特征。

（二）物理學科能力的理論基礎

物理學科能力是一個涉及物理學、心理學和教育學三大學科范疇的研究課題，其相應的理論基礎就應當有三種，即物理學、心理學和教育學。

歐陽映的研究將物理學的本質特征和特殊要求與心理學模型相結合，從而得出物理學科能力。為了篩選和確定物理學科能力要素，他對物理學科領域的專家進行調查。總的來看，他的物理學科能力研究主要是以物理學為起點，研究方式較為綜合。張宇等人的研究通過對物理學科能力要素的整合分類，直接提出了物理學科能力。這樣，就導致很難發現其所提出的中學物理學科能力是基于什么理論建構出來的。從研究調查的對象來看，這本質上是一線物理教師對研究者所提出的物理學科能力所進行的評價綜合，然后根據一線物理教師的意見進行物理學科能力的歸納。據此，可以將其研究起點確定為教育學。郭玉英等人是以心理學為理論起點進行的研究，他們借助王磊教授提出的學習理解、應用實踐與遷移創新導向的多維整合模型，將物理學特色容納其中，從而提出了物理學科能力表現的理論框架。邢紅軍等人從物理學起點出發建構物理學科能力。他們以美國G.霍爾頓提出的物理學三維結構模型為基礎，通過對模型內在邏輯的整合，形成了以科學方法為中心的物理學“知識—能力”結構，并由此進一步深化和提煉得到物理學科能力。

綜上所述，不同研究者分別從三種研究起點對物理學科能力進行了理論建構，而不同研究起點也就呈現出了不同的特征。從心理學和教育學兩個起點生成物理學科能力，力求揭示出物理學科能力的內涵，較難排除非學科能力要素的影響，可能難以完全抽離出屬于物理學科特性的能力;而從物理學直接生成的物理學科能力則更容易反映出物理學科的本質，較少受到一般能力要素的影響。因此，我們認為，從物理學起點出發建構的物理學科能力與物理學科活動具有較強的對應性，能夠指向物理學科學習和物理問題解決。比較而言，以物理學為研究起點來生成物理學科能力更具有理論優勢。

（三）物理學科能力的建構過程

在物理學科能力的建構中，研究者往往無法回避這樣的問題：是選擇實證研究，還是選擇思辨研究？一般而言，實證研究總體上遵循歸納法的思路，即從一定的經驗事實出發，“從個別到一般，歸納出事物的本質屬性和發展規律”。而思辨研究總體上遵循演繹法的思路，即從一個宏大敘事推導出另一個相對的宏大敘事，兩個宏大敘事之間存在著明顯的從一般到個別或同類類比的特征。因此，物理學科能力的建構過程可以分為實證研究、思辨研究與混合型研究三種類型。

物理學科能力實證研究的代表為張宇等人。這種物理學科能力研究主要依據的是實證數據。他們首先以文獻分析的方式，通過整合和分類得到初步的物理學科能力，再依據一線中學物理教師的認可程度加以修正，最后通過實證研究得出物理學科能力要素。實證研究雖然有著基于數據和實證研究的優點，有助于揭示物理學科能力的要素，卻較難揭示出物理學科能力要素之間的邏輯關系，研究結果也較易被調查對象的意見所左右。因此，依據這種建構過程得出的物理學科能力往往無法令人滿意。

采用思辨研究的主要有郭玉英和邢紅軍等人。郭玉英等人將心理學的能力模型作為研究基礎，再融入物理學科特色，形成一級和二級指標，并包含了學習活動的“輸入”“輸出”以及“高級輸出”過程，從而得出物理學科能力要素。邢紅軍等人將物理學科“知識—能力”結構圖進行了動態分析，按照“實驗事實→方法論問題→數學→物理知識”和“物理知識→方法論問題→數學→延伸與應用”兩條邏輯路徑分別加以展開，從而得到物理學科能力要素。不難發現，思辨研究能夠較為順暢地說明物理學科能力要素的來龍去脈，揭示物理學科能力建構的基本邏輯。

歐陽映的研究既有理論建構的過程，又有實證調查的手段，屬于混合型研究。但是，他的研究主要是將實證數據作為支撐理論建構的輔助手段，從而增加研究的效度。可見，他的研究更傾向于以思辨研究進行物理學科能力的理論建構。當然，思辨研究也并非盡善盡美。歐陽映在物理學科能力模型中雖然提出了“獲取知識和技能”和“表征應用知識和技能”兩個階段，但是其建構邏輯主要還是側重于“物理理論的形成過程”，因而并不完備。由此可見，采用思辨研究需要研究者具有較高的理論思維水平，才能夠把握物理學科能力的建構邏輯。

（四）物理學科能力的構成要素

盡管眾多研究者所獲得的物理學科能力要素不盡相同，但他們無一例外地將觀察實驗能力、數學運用能力和思維能力作為物理學科能力中的必備要素。我們以為，正是由于伽利略采用了實驗和數學相結合的方法，物理學才得以由自然哲學中誕生，物理學研究才由思辨研究走向實證研究。因此，將觀察實驗能力、數學運用能力納入物理學科能力中是無可爭議的。心理學上一般將思維能力作為智力結構的核心。正如林崇德教授所言，任何一種學科的能力，都要在學生的思維活動中獲得發展，離開思維活動，無所謂學科能力。對學生來說，思維能力是學生形成能力最為關鍵的要素。因此，在物理學科能力的建構中就必須對思維能力加以考慮。

進一步，研究者較為認可的是建構物理知識的能力和遷移創新能力。事實上，知識和能力關系的“迷思”最早起源于“形式訓練說”和“實質訓練說”。前者認為，教育的目的不在于實質性的知識獲得;后者認為，知識的獲得本身就包含能力的培養，能力的培養離不開知識。現代心理學的研究認為，知識是能力的組成部分，學科能力必然要以學科知識為中介：一是要將知識作為教育的目的，二是要將知識作為手段進行應用。因此，物理學科能力將有關于“知識”的能力要素明確提出，可以有效避免一味強調能力培養，而忽視知識教學的弊端。對于遷移創新能力，越來越多的研究者認識到此項能力對學生發展的重要性。郭玉英和邢紅軍等人對遷移創新能力的定位并非基于現有學科發展的狀況，而是依據學生的現有認知水平提出的，主要指學生面對新問題和新情境能夠實現知識應用和方法應用的創新。這在物理教育中更切合學生物理學科能力的發展規律。

應當指出的是，研究者對物理學科能力要素的理解可能存在偏差。比如，將分析和解決物理問題的能力作為要素提出。從物理思維的角度來看，物理思維包含著分析、綜合、抽象、概括、直覺、想象等。從物理問題解決的過程來看，物理問題解決又包含識別定向、知識和方法的運用、數學運算、開展實驗等。由此可見，分析和解決物理問題的能力是一項綜合性能力。對分析和解決物理問題能力進行“窄化”處理，就有可能導致最后呈現的物理學科能力要素發生重疊。這在物理學科能力的后續研究中是需要加以注意的。

三、對后續研究的啟示

物理學科能力的研究是關系到物理教育變革和新時代學生發展的重點領域。基于上述比較和分析，我們可以得到以下對后續物理學科能力研究的啟示：

（一）合理的理論起點是物理學科能力建構的前提

物理學科能力是物理學科中的特殊能力。因此，物理學科能力的建構，首先需要考慮的就是選擇什么樣的理論起點。林崇德教授指出，要探索一種學科的學科能力， 首先要揭示這種學科的特殊性，找出最能直接體現這種學科的特殊要求與特殊問題的一般能力。這其實就已經指出，物理學科能力的建構要從學科本身出發，才能建構出與學科特殊要求相對應的物理學科能力。以此觀點來審視已有的物理學科能力理論，不難發現，除了由物理學科本身演繹而得到的物理學科能力外，其他物理學科能力的建構往往較難充分考量物理學科的特色，從而導致物理學科能力理論中的物理特征依附于其他理論框架進行滯后表達，最終使得物理學科能力較難彰顯出物理學科本質。因此，如果存在一個建構物理學科能力的最優起點選項，那么研究者需要認真甄別與謹慎選擇，從而使物理學科能力的建構由最適切的理論起點出發。

（二）完善的建構邏輯是物理學科能力建構的關鍵

一般而言，物理學科能力的建構存在演繹和歸納兩條路徑，與之對應的就是兩種建構過程。當然，每一種建構過程都具有合理之處，也存在一定的問題。然而，建構物理學科能力的決定因素并非其建構過程（范式、路徑），而是蘊含在理論背后的建構邏輯。因此，物理學科能力的建構究其根本，還是要以學生的物理認知活動為紐帶，以動態的視角審視學生通過物理學習所獲得的能力的進階發展過程。事實上，無論吉爾福特的智力三維結構模型，還是斯騰伯格的三元智力理論，他們都在能力理論中提出了能力結構的組成成分，其中的操作過程與能力體系的動態邏輯是相對應的，而內容和產品成分則是與能力活動相聯系的橋梁。從這個角度出發，將物理學習過程和能力理論相結合，物理學科的“習得”過程和“應用”過程相聯系就成為物理學科能力建構的必要環節。換句話說，完善的建構邏輯是物理學科能力建構的關鍵。

（三）科學的構成要素是物理學科能力建構的主體

應當說明的是，任何一種物理學科能力的研究均屬于理論假設，研究者試圖通過理論建構的方式，將物理學科能力要素的心理結構從“黑箱”中揭示出來，以形成物理教學實踐和學生物理學科能力發展的指南。這無疑對物理教育教學具有重要意義。然而，作為一種理論假設或理論模型，物理學科能力的建構并不能被證實或證偽，而只能通過不斷研究去逐步趨近物理學科能力的本真。這就要求研究者在物理學科能力的建構過程中，自始至終牢牢把握物理學科能力的本質，全面而又清晰地認識物理學科能力建構的環節和邏輯，把握物理學科能力的靜態要素構成與動態邏輯關聯，并通過將其運用于物理教學實踐之中，來判斷、鑒別并修正物理學科能力的構成要素。基于上述比較與分析，我們不難發現，在已有的研究中，物理觀察實驗能力、數學運用能力、物理思維能力、建構和運用物理知識的能力以及物理遷移創新能力，已基本涵蓋了物理學科認識活動的全過程，要素邏輯清晰，界限分明。這將成為后續開展物理學科能力研究的重要基礎。

參考文獻：

[1] 托馬斯·庫恩.科學革命的結構[M].金吾倫，胡新和，譯.北京：北京大學出版社，2003.

[2] Peter Hall.Policy Paradigms， Social Learning， and the State：The Case of Economic Policymaking in Britain[J].Comparative Politics，1993（3）.

[3] 課程教材研究所.20世紀中國中小學課程標準·教學大綱匯編：物理卷[M].北京：人民教育出版社，2001.

[4] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（實驗）[M].北京：人民教育出版社，2003.

[5] 王靜，邢紅軍.論原始物理問題的特性及其教育功能[J].物理教師，2004（8）.

[6] 邢紅軍，陳清梅.物理能力的基本理論研究[J].首都師范大學學報（自然科學版），2006（4）.

[7] 邢紅軍，陳清梅.論高考物理能力理論與命題導向[J].課程·教材·教法，2007（11）.

[8] 歐陽映.中學物理學科能力的研究[D].上海：華東師范大學，2014.

[9] 張宇，王晶瑩.中學物理學科能力的核心要素構建——基于一線物理教師的實證調查[J].教育導刊，2015（8）.

[10] 郭玉英，張玉峰，姚建欣.物理學科能力及其表現研究[J].教育學報，2016（4）.

[11] 邢紅軍，趙玉萍，李杰.論物理學科能力的建構及其啟示[J].課程·教材·教法，2021（4）.

[12] C.E. Spearman.General intelligence，objectively determined and measured[J].The American Journal of Psychology，1904.

[13] 余文森.論學科核心素養的課程論意義[J].教育研究，2018 （3）.

[14] 楊玉琴.化學學科能力建構的基本問題探討[J].化學教育，2016（1）.

[15] 王衛華.教育思辨研究與教育實證研究：從分野到共生[J].教育研究，2019（9）.

[16] 林崇德.論學科能力的建構[J].北京師范大學學報（社會科學版），1997（1）.

[17] 田世昆，胡衛平.物理思維論[M].南寧：廣西教育出版社，1996.

[18] 邢紅軍.自組織表征理論：一種物理問題解決的新理論[J].課程·教材·教法，2009（4）.

[19] 林崇德.智力結構與多元智力[J].北京師范大學學報（人文社會科學版），2002（1）.

*本文系全國教育科學“十三五”規劃2019年度國家一般課題“核心素養的關鍵能力構成及其表現研究”（編號：BBA190024）的階段性研究成果。