再談物理觀念及其培養

沈峰，黃網官

摘要：理解物理觀念，需要先理解觀念及其表征。物理觀念是內隱的，判斷學生是否具有物理觀念，可以基于學生面對現實世界時所表現出來的意見、思想、觀點、看法等來反推。培養學生的物理觀念重在培育他們的科學意識和理性精神。物理觀念培養過程中，必須關注學生原先具有哪些非物理觀念，以確定物理觀念培養的起點，然后以物理知識的掌握為基礎，以物理知識的直接應用來強化，用物理知識的遷移應用來鞏固。物理觀念培養的重點環節在于應用實踐和遷移創新。

關鍵詞：物理觀念;核心素養;非物理觀念;應用實踐;遷移創新

《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”），在“課程目標”里闡述了“核心素養內涵”，其中明確指出物理課程要培養學生的物理核心素養，主要包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任。每項核心素養的內涵如何理解，教學中又應當如何培養，需要研究。本文試從物理觀念開始探索。

一、對觀念的理解

顯然，物理觀念是觀念的下位概念。理解物理觀念，不妨先理解觀念。《現代漢語詞典（第7版）》對“觀念”的解釋有二：①思想意識;②客觀事物在人腦里留下的概括的形象（有時指表象）。在教學的視域中，觀念是需要培養才能生成的，因此應取“思想意識”之意。既然觀念是思想意識，那就意味著觀念是內隱的。當人面對具體事物或實際問題時，觀念會影響人的判斷與選擇。這有點類似于默會知識，雖然是內隱的，但又確確實實會影響人的言行。那么，一個隨之而來的問題是：如何判斷人是否形成了觀念呢？回答這個問題，涉及觀念的表征。先來看一個例子：

1980年，陳省身先生在北京大學講學。陳先生語出驚人：“人們常說，三角形的內角和等于180°，但是，這是不對的。”面對大家的驚愕，陳先生說：“說‘三角形的內角和等于180°不對，不是說這個事實不對，而是說這種看問題的方法不對，應該說‘三角形的外角和為360°。”陳先生進一步解釋：“不同多邊形的內角和是不等的，用公式表示為（n-2）×180°，而所有多邊形的外角和是定值，都是360°。顯然，后者是更為一般的規律。”

《義務教育數學課程標準（2022年版）》闡述“核心素養內涵”的時候，提到了“會用數學的眼光觀察現實世界”。“數學家的眼光”體現在學生的數學學習中，自然就對應著“數學的眼光”。什么是“數學的眼光”？在我們看來，數學眼光就是數學觀念的一種體現，有什么樣的數學觀念，就有什么樣的數學眼光，就有什么樣的判斷結果。所以借助這一例子，我們可以認為，觀念的表征就是一個人看待事物時的眼光、視角，以及所做的判斷、選擇等。

關于概念與觀念的區別，高瑞泉教授指出：觀念的用法要寬泛得多，可以表示概念，也可以泛泛而論地表示意見、思想、觀點、看法等等復雜的意思。這是一個非常通俗的闡釋：人們在生活中的多種場合，常常會表達自己的意見、思想、觀點、看法，那從這些元素中，就可以反推觀念的成色。

二、對物理觀念的理解

既然“觀念”取“思想意識”之意，即應認為物理觀念就是關于物理的思想意識，或可理解為以物理（科學）為內核的思想意識。在新課標中，物理觀念被描述為“是從物理學視角形成的關于物質、運動和相互作用、能量等內容的總體認識，是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎”。從基本語法的角度解讀，這樣的描述可以進一步抽象為“物理觀念是……總體認識”“是……提煉與升華”“是……基礎”。這樣的抽象結果至少說明了一個事實，即對物理觀念的理解可以是多角度的：從內容上看，物理觀念是關于物質、運動和相互作用、能量等內容的認識;從形成途徑上看，物理觀念是通過對物理概念和規律的提煉與升華得來的;從功能上看，物理觀念是用來解釋自然現象和解決實際問題的。

上文提到了可以從意見、思想、觀點、看法中反推觀念，但要注意的是，這種反推本身并不是嚴格的邏輯推理，其結果并不必然正確。例如，在“聲音是由于物體的振動產生的，聲音的傳播需要介質”這一規律性闡述中，有物質觀念——離開了物質（體），就無法產生和傳播聲音;也有運動和相互作用觀念——振動才能產生聲音，發聲的物體必然處于振動狀態;還有能量觀念——一個原本不發聲的物體要發聲，使其振動的過程也是賦予其能量的過程，聲音傳播時所傳遞的既是振動這種形式，同時也有借助聲波傳播的能量。但是，學生能夠說出“聲音是由于物體的振動產生的，聲音的傳播需要介質”，并不意味著學生已經形成了相關的物理觀念，因為學生有可能只是機械的記憶與復述。

這說明，僅知其名等于一無所知。判斷學生是否形成物理觀念，應突破線性思維，少看表面現象，更多地從科學意識、理性精神兩個維度來進行。意識是人判斷事物時的起始感覺，決定著判斷事物的方向。科學意識意味著從科學（而非經驗、宗教或其他）的視角去判斷事物，理性精神意味著遵循科學的邏輯去判斷事物的起因、發展與結果。比如，關于上面提及的“聲現象”，《劉賓客嘉話錄》曾經記載過這樣的一個小故事：

唐朝時期，洛陽某寺內一僧房中掛著一種樂器——磬。該磬經常自鳴作響，該僧以為是妖作祟，驚恐成疾，求醫無治。其友曹紹夔，是朝中管音樂的官員，聽聞此事，特去看望該僧，正好聽見寺內敲鐘聲時，磬也作響。曹紹夔掏出懷中鐵銼，在磬上銼磨數處，磬再也不作響了……

“磬自鳴作響”是一種共鳴現象，對應的物理知識是共振，但在僧人眼里卻屬靈異事件;曹紹夔之所以能夠解決問題，則在于其具有相關的經驗，知曉其中的原理（實際上，此類現象在我國古籍中多有記載）。此時就算物理觀念的概念尚無影蹤，但在曹紹夔的舉措中已經能夠看到物理觀念的端倪。這也再次說明，真正的物理觀念的表征，不在于概念本身，而在于面對現實世界及物理現象時，能夠表現出科學的意識與理性的精神，并在此基礎上表現出科學的意見、思想、觀點、看法。

三、物理觀念培養的路徑探尋

既然物理觀念是物理核心素養的組成要素，也就意味著在教學中需要發展學生的物理觀念。而學生在生活、學習的過程中，會形成各種各樣的觀念，這些觀念當中必然存在著非物理觀念。這樣的判斷既符合事實，也符合史實：從物理學史的角度來看，物理觀念是動態變化的，“地心說”向“日心說”的演變等無數事例足以說明其演變特征。物理學的發展，從某種程度上講正是物理觀念的發展。

再將物理觀念培養的目光投射到學生身上，可以先來重溫奧蘇伯爾的經典判斷：“假如讓我把全部教育心理學僅僅歸納為一條原理的話，那么，我將一言以蔽之曰：影響學習的唯一最重要的因素，就是學習者已經知道了什么，要探明這一點，并應據此實施教學。”我們以為，在培育學生物理觀念的時候，也必須關注學生原先具有哪些非物理觀念，只有如此，才能確定物理觀念培養的起點。可以認為，物理觀念培養的過程，就是學生放棄某一非物理觀念，進而建立相應的物理觀念的過程。

上文已經提及，非物理觀念更多地體現為建立在淺層經驗基礎上的低水平直覺，體現為不講科學邏輯與原理的主觀判斷，甚至是臆斷。對于學生而言，非物理觀念更多的與錯誤的前概念相關，但又有所區別——前概念更多的是靜態的認識，而非物理觀念則影響著學生對事物的動態判斷。如果學生基于錯誤的前概念而隨意判斷，那就可以理解為非物理觀念在起作用。

高瑞泉教授認為，“（觀念）表達了觀念者的信念，是認識與信念的統一”。這是一個非常重要的論斷，其說明觀念的培養應當以培養學生的“認識”為基礎，以確定“信念”為目標。顯然，將物理觀念作為物理核心素養，所追求的就是讓學生形成信念，讓學生運用物理觀念對自身的言行施加積極的影響。

蔡鐵權等人對物理觀念進行了深入的研究，并提出物理教學中物理觀念養成的架構（如圖1所示）。根據這一架構，物理觀念有著承上啟下的地位。該架構對應的教學過程可以通俗地理解為：教師引導學生通過對事實經驗的加工獲得概念和規律，然后在此基礎上提煉出核心概念，再升華為物理觀念;形成物理觀念之后，再將之反作用于實踐并追求創新。如果只從物理觀念的培養角度來看，從事實經驗到概念規律再到核心概念，就是物理觀念培養的前置過程。三者是物理觀念的基礎，之間具有明顯的階梯性;三者之間逐步演繹，伴隨著的是學生思維的步步深入。這樣的解讀，可以給一線教師指明物理觀念培養的基本途徑。而且，這一架構與傳統的物理教學范式基本一脈相承，因此教師很容易將其納入已有的教學思路，從而讓教學變得高效。

需要注意的是，在理解這一架構的時候，要防止與教師的教學慣性產生沖突：教學慣性源自當前的物理教學范式，其主要特征是“在物理范圍內教物理”，追求的是物理知識的掌握與運用（解題），即使偶有從生活事例出發，也會在教師的“引導”之下很快進入物理知識的范圍。這樣的教學范式對應試是高效的，但又會使得學生在學習物理的時候，感覺到物理與生活、與自己原有的認知之間存在著明顯的界限。這對于學生來說，導致的學習結果往往是：在物理課堂上，能夠熟練地運用物理知識解答物理習題;走出物理課堂，仍然會用原來的經驗看生活、看世界。顯然，這樣的狀況意味著學生的物理觀念并沒有真正養成。

這樣的教學，恰恰是費曼所反對的“用字解釋字”。用字解釋字，實際上就是在概念的基礎上演繹概念。當物理教學在物理知識的范圍內“兜圈”時，物理知識的價值只能體現在解題上，這也就意味著物理概念和規律難以被學生內化，更難以被提煉、升華為物理觀念。因此，物理觀念的培養需要突破傳統的教學范式，需要將物理教學的重心向學生的生活，尤其是原有的非物理觀念偏移，要引導學生在改造原有非物理觀念的過程中，實現物理觀念的養成。

同時，我們還以為，基于對蔡鐵權等人提出的物理觀念養成架構的深度思考，物理觀念培養的重點應當放在“應用實踐”和“遷移創新”環節。這是因為只有經過這兩個環節，知識層面的物理觀念才能被洗禮，才能被學生所內化，才能轉識成智，才能真正成為核心素養層面的物理觀念。

四、物理觀念培養的案例分析

培養物理觀念應當落實在日常的教學中，教師要以鐵杵磨成針的功夫，用“數日之寒”去成就學生的“三尺之冰”。限于篇幅，本文僅以“一日之寒”的例子來闡述我們對物理觀念培養的基本理解。

相信很多二十世紀七八十年代出生的人小時候曾經有這樣的疑惑：掛在墻上四四方方的廣播箱里，說話的那個人是怎樣藏身的？怎么每個人家廣播箱里都是同一個人？認為“發聲的廣播箱里躲著一個人”，是兒童的一個極為簡單的推理：生活中能說話的只有活生生的人，廣播箱里傳出人聲，必定是那里藏有一個人——盡管這樣的推理漏洞百出，但當時就是執著于這一判斷。顯然，這樣的判斷就是非物理觀念的產物——在有了疑問又沒有掌握相關知識的情形下，只能基于簡單的直覺進行推理。這說明物理知識是物理觀念形成的基礎。當后來知道廣播只不過是聲、電信號之間的轉換時，知道廣播箱中聲音產生的原因只是喇叭振動時，固然讓童年時的那點天真的想象消失殆盡，卻確認了在遇到聲現象時，要從振動的角度進行分析。尤其是對于一個物理教師而言，聲現象是如此的熟悉，以至于這已經是一種直覺了，這種直覺是能夠遷移到生活中其他任何相關場景中的。

從這樣一個例子也可以看出，物理觀念的培養，當以物理知識的掌握為基礎，以物理知識的直接應用來強化，用物理知識的遷移應用來鞏固。對于“聲現象”的教學而言，知識的掌握與直接應用，都是傳統教學落實得比較好的，此處不再贅述。至于遷移應用，最關鍵的就是要給學生提供陌生的情境，看學生能否順利地運用聲現象相關知識去判斷、分析。比如，以“聲現象的未解之謎”為關鍵詞在網絡上搜索，可以發現很多介紹自然中難以解釋的聲現象的例子。這些現象發生在世界各地，各自不同，很是奪人眼球。如果讓學生面對這些例子，那會出現怎樣的情形呢？可以預料的是，必然會有一部分學生不假思索地接受搜索到的解讀，而且如果有機會，還會繪聲繪色甚至添油加醋地轉述。顯然，這種不加判斷、人云亦云的情形并非物理教學所期待的，因為這種情形正說明學生在學習了聲現象的知識之后，并沒有形成真正的物理觀念。

作為教師，面對這樣的情形，應意識到這是學生的非物理觀念在起作用。從這一教學起點出發，教師應該做的是引導學生剝離那些解讀中的主觀臆測成分，然后從聲音的產生與傳播角度去研究：所有聲音，其發生必然存在聲源，其傳播必然需要介質，因此對這些所謂奇異聲現象的解釋，重在找出聲源并判斷傳播路徑——即從物質（聲源）、相互作用（聲源的振動）、能量（聲音的傳播）等角度去判斷。當然，作為來源于現實的復雜聲現象，對其分析可能還需要考慮其他因素。但只要抓住這兩個要點，無論結論能否順利出現，學生都會經歷一個知識提煉、升華的過程，在此過程中所形成的觀念就是物理觀念。

最后順便說一句，我們認為，真正學過物理的人，對各種騙術應當是有“抗體”的，這個抗體的“抗原”就是物理觀念（或是科學觀念、數學觀念等）。物理學原理與一些社會科學也有關聯。物理觀念不僅會讓人在遇到自然現象時產生科學判斷的意識，同時也會讓人在遇到社會現象時產生理性判斷的意識——那些詐騙之舉，十之八九是運用語言編造符合受眾期待的故事，但認真分析則可以發現其明顯不符合邏輯，與規律相悖，沒有相信的理由。