基于物理學科核心素養的觀念建構

李先渝

（重慶市九龍坡區西彭一中 重慶 401326）

一、問題的提出

歷經十年之久的新課程教學改革，經過許多物理教育界權威專家的呼吁，我國的基礎物理課堂教學已經由傳統的“知識本位”正在向著“知法合一”的教學模式轉變，物理科學方法教育由被人忽視到逐漸被人重視，由隱性教育逐漸逐漸向顯性教育轉化，這對于培養學生科學的思維方式、提高學生的學科核心素養是非常有意義的，但深入到中學物理課堂，總覺得物理課堂教學似乎少了點“點睛之筆”——課的結尾雖然對知識和方法進行了梳理，但絕大多數物理教師沒有將知識和方法進一步提煉、升華到物理觀念的層面！

二十世紀物理學大師愛因斯坦認為：“在建立一個物理學理論時，基本觀念起了最主要的作用。物理書中充滿了復雜的數學公式，但是所有的物理學理論都是起源于思維與觀念，而不是公式。”我國著名物理學史教授申先甲也認為：“了解物理學中的復雜的數學公式和定義等，都不過是基本觀念的表達形式和演繹工具，基本觀念才是先導的、本質的東西。”然而，物理觀念具有內隱性，單憑學生自己通過物理知識的學習去領悟、生成物理學觀念，對我國絕大多數中學生來說是不可行的；與物理科學方法教育一樣，同樣需要物理教師不斷地進行挖掘、提煉、點化和顯化[1-2]。

二、構建中學物理基本觀念體系

所謂觀念，就是客觀事物在人腦中留下的概括性認識。物理基本觀念，是通過一代代物理學家的辛勤勞動所揭示出來的對自然界的物質結構、物體之間的相互作用及其運動變化規律的一種最具概括性、整體性的認識。物理基本觀念來源于具體物理知識，但又不同于具體物理知識，它是具體物理知識在人們頭腦中的提煉與升華。

由于物理學揭示的是物質的基本結構、最普遍的相互作用、最一般的運動規律，作為人類智慧和文化的結晶，物理學理論的每一次重大研究成果及研究方法必然會影響著人們對客觀世界的整體認識。但由于不同的人所接受的物理教育程度可能有所不同、對物理知識的感悟可能就不一樣，從而不同的人形成的物理觀念也就不一樣，觀察、處理問題的視角也會有所不同。但從理論發展的角度看，“物理學的發展總是以物理觀念、物理思想的突破為先導和基底的。”正是由于伽利略運用邏輯、數學和實驗的手段否定了亞里士多德關于自然運動和強迫運動的擬人運動觀，才把力學的研究引上正確的途徑。正是法拉第突破了物質間具有超距作用的束縛，提出了近距作用場的觀點，才為麥克斯韋建立宏偉的電磁學理論大廈奠定了堅實的理論基礎。科學史上類似的例子不勝枚舉。

從教學的角度看，中學生物理基本觀念的產生和形成主要來自三個層面：知識層面、方法層面和情意層面。知識層面的物理基本觀念主要包括時空觀、物質觀、運動觀和因果觀，方法層面的基本觀念主要包括系統和要素、整體和局部、結構與功能、宏觀和微觀、對稱和守恒、簡單和復雜、線性和非線性等思想觀念，這些來源于物理學的核心概念，經過許多科學哲學家的抽象概括，早已上升為唯物辯證法的范疇，為人們從事各種科學研究和社會實踐活動提供方法論指導。來自情意層面的物理基本觀念主要包括科學真理觀和科學價值觀。這三個層面的基本觀念構成了中學物理基本觀念體系[3]。

1.知識層面的物理基本觀念

（1）時空觀

時間和空間是物質存在的兩種基本形式，物體運動狀態的變化都是在一定的時空里進行的。牛頓的絕對時空觀認為，時間、空間是不依賴于物體的運動而獨立存在的，而且彼此之間沒有任何關聯（這種時空觀雖然已被愛因斯坦的相對論證明是錯誤的，但它卻是牛頓力學賴以建立的理論框架，絕對時空觀在宏觀、低速的范圍內與人們的經驗相符）。愛因斯坦的狹義相對論指出，時間、空間與物體的運動密不可分，具有相對性，空間不再是平直的，而是彎曲的。

（2）物質觀

自然界的物質分實物和場兩種不同的物質形態。實物由粒子組成，呈現不同層次的結構，從里到外分別由夸克→強子→原子核→原子→分子組成；場是一種特殊的物質，場具有力和能的特性，中學物理涉及的場有重力場、靜電場和靜磁場。

（3）運動觀

自然界一切物質都處在永恒的運動和變化中，運動是絕對的，靜止是相對的；不同物體的運動形態各異，有的做規則的、有序的運動（如行星的運動），有些運動是無序的、雜亂無章的，如分子的熱運動；物體運動的規律是可知的，人們可以憑借實驗的手段和理性的思考揭示物體運動的規律。

（4）因果觀

任何物理現象的發生、任何物理狀態的改變都有其產生和變化的原因和條件。按照經典力學的觀點，力是物體運動狀態變化的原因，只要給出物體運動的初始條件和受力情況，就能準確地預測物體以后的運動情況，這就是所謂的機械決定論的觀點。但量子力學理論卻指出，由于電子等微觀粒子具有波粒二象性，因此對于微觀粒子的位置和動量的測量具有不確定性，這就是所謂的概率論的因果觀。

2.方法層面的物理基本觀念

（1）系統和要素

研究大量的具有相互作用的物體組成的系統，需要采用系統論、信息論和控制論的觀點進行研究。高中階段涉及到這類問題，如研究太陽系各個行星的運動規律、研究各種熱力學系統、研究復雜電路的結構和功能，都需要采用系統的觀點，通過分析系統內部各個要素之間的相互聯系和相互作用，弄清系統整體的功能和屬性。力學分析中常使用的整體法和隔離法本質上就是系統和要素、分析和綜合方法的具體運用。

（2）簡單與復雜

牛頓在他的《自然哲學的數學原理》一書中把簡單性原則作為發現方法論的四大基本原則之一，可見他對簡單性的重視。愛因斯坦在一次演講中對簡單性原則進行了解釋，他說：“所謂的簡單性，并不是指學生在精通這種體系時產生的困難最少，而是指這體系所包含的彼此獨立的假設和公理最少……”他創立的《狹義相對論》和《廣義相對論》正是用簡單性原則構造科學理論的典范。許多著名的物理學家，如狄拉克等人還把簡單性作為科學美的標準之一。

牛頓用一個公式F=ma就把力和物體運動狀態之間的關系定量地表示出來，用一個公式就把地上和天上物體之間的相互作用規律統一起來，愛因斯坦用一個公式E=mc2就把物體的質量和能量之間的關系揭示出來，這些公式何其簡單，其物理意義又何其豐富！

然而，自然現象卻是復雜的、隨機的、非線性的和不可逆的。當研究對象是由無限多個相互作用的物體組成的系統（如混沌）時，像經典力學這樣傳統的簡單性理論就力不能及了。于是20世紀80年代，復雜性理論就應運而生。在學習熱學相關理論的同時，讓學生適當了解復雜性理論，既能開闊學生的知識視野，又能形成辯證唯物主義的自然觀。

（3）對稱和守恒

自然界中許多物體的形狀和結構具有對稱性，如金剛石、雪花等晶體的結構具有高度的對稱性；有些運動形式具有對稱性，如豎直上拋運動、簡諧運動等等；有些物體的物理性質具有對稱性，如平面鏡成像，等量同種電荷的電場、等量異種電荷的電場線分布等等。學生通過物理知識的學習，不斷接觸形式多樣的對稱性，對稱性的觀念就會逐漸形成。

在物理學中，守恒的思想也是物理學最重要的思想觀念之一。在高中物理教學中涉及到守恒定律有機械能守恒定律、能量守恒定律、動量守恒定律、質量守恒定律、電荷守恒定律、核反應中的質量數守恒和電荷數守恒等等。現代物理學揭示出：每一種守恒量都與某種對稱性相聯系。隨著物理學習和研究的不斷深入，對稱和守恒的觀念將越來越深入人心。

（4）宏觀與微觀

對于同一物理現象，從宏觀和微觀兩個不同的角度進行研究，找出其內在聯系是物理學研究常用的思想方法。例如，高中物理選修3-3教材中，用了很大篇幅研究布朗運動，通過布朗運動的研究，人們推斷出分子運動的永動性和無規則性；通過鉛塊引力實驗和物質的不可壓縮性，推斷出分子之間既有引力又有斥力的作用力特點。從方法論的角度看，分子運動論的研究生動地體現了“宏觀反映微觀，微觀決定宏觀”的物理思想觀念。也只有從分子運動這個微觀角度出發，才能深刻地理解“溫度”概念的微觀意義，才能深刻地理解氣體壓強的微觀本質，才能透徹地理解自然界物態變化的根本原因。現在，從宏觀和微觀兩個角度研究問題的方法已經從物理學的研究延伸至化學、生物學、醫學甚至社會學、心理學和政治經濟學等人文學科的研究中，成為一種普適性的思想方法。

3.情意層面的物理基本觀念

（1）科學發展觀

從托勒密的地心說到哥白尼的“日心說”再到現代的宇宙大爆炸理論，從經典力學和電磁學理論到相對論力學和量子力學，科學理論的發展生動地說明了真理是相對的，任何真理都有一定的適用范圍和適用條件，超出這個范圍，真理就變成了謬誤。認識這個道理，學生就不會盲從書本上的現成結論，而會將理論與實踐相結合，最終成為一種具有批判性思維的創新型人才。

（2）科學價值觀

“真”“善”“美”是物理教育的最高境界。對未知世界的探索謂之“求真”，對科學研究服務于人類社會的生產和生活的價值追求謂之“求善”，“美”是合規律的“真”和合目的的“善”與完美的形式之間的和諧統一。只有在“善”的指導下，對自然進行“美”的認識和改造，人類才能達到更高的“真”。只有讓學生通過物理知識的學習，體驗物理學知識的“善”、感悟物理學知識的“美”，新課標的“情感、態度和價值觀”目標才算真正落到實處。

一旦學生形成了“真”“善”“美”的科學價值觀，對學生未來從事科學研究會形成持久而強烈的內驅力，這種內驅力將驅使研究工作者克服一切困難，直至到達真理的彼岸。科學史上，布魯諾、伽利略、開普勒、居里夫人、愛因斯坦、狄拉克等一大批物理學家都是追求物理學“真”“善”“美”的典范。

三、從知識建構到觀念建構的意義

由于物理基本觀念對物理知識的獲得具有自上而下的引領作用，所以，新課程背景下的基礎物理教學的目標和任務應該是：讓物理知識和研究方法升華為物理學的思想觀念，讓物理學的思想觀念統領物理教學和科學探究。

較之“知識本位”的教學，“觀念建構”教學能夠有效地激發學生深層次的思維活動，增進學生對物理知識內在本質的深刻理解。這是因為物理基本觀念是以物理知識為載體而存在的，它的形成是以對具體物理知識的深刻理解為前提的。而要深刻地理解物理知識，建構物理觀念，就有必要對物理學的核心概念和規律進行歷史的考察，弄清核心概念產生和發展的歷史背景，了解物理規律發現和建立的歷史過程，因為“物理學發展的歷史，本質上就是物理學基本觀念演變的歷史。”

例如，初中生學習了熱量和熱容量的概念后，再經過一定時間的習題訓練，大部分學生能夠熟練地運用熱量公式計算物體吸收和放出的熱量。那么，這是否意味著學生真正理解熱量和熱容量的概念了呢？我看未必。試問，熱量和熱容量的概念是在什么歷史背景下提出來的，物理學家引入這個概念是為了描述或說明什么物理現象？如果不對這兩個物理概念進歷史考察，學生就不可能深刻理解這兩個概念的內涵和外延。從物理學史中我們了解到，這兩個概念其實是十七、十八世紀人們在探索熱的本性的過程中提出來的。關于熱的本性，歷史上曾出現了兩種對立的學說：熱質說和熱動說。熱量和熱容量則就是熱質說這一理論的產物。1732年，英國化學家布萊克做了等量的水銀和水的混合實驗，結果發現，平衡溫度的數值不等于二者初始溫度的平均值，由此，他提出了熱容量的概念。或許，初中物理不要求學生了解這些物理史實，但到了高中，學生在學習“功和內能”的概念時，再對熱質說和熱動說的發展過程進行歷史考察，學生對熱量和內能這兩個概念的區別和聯系就有了深刻的理解，對科學理論曲折的發展過程也有了更深刻的認識。

綜上所述，只有讓學生頭腦中的物理知識上升到物理觀念的層次，才能真正發揮物理文化的育人功能，才能真正影響學生的思維方式和行為方式，更快促進學生辯證思維能力的形成，切實提高中學生的學科核心素養。從這個意義上說，促進物理教學從“知識建構”向“觀念建構”的轉變刻不容緩。