初中生物理觀念發展層次的實證分析和啟示

【專家介紹】

范佳午（1986-），男，北京教育科學研究院課程教材中心教研員，數字課程室主任，物理課程與教學論博士。教育部初中物理課標修訂測試組成員，初中物理教材（北京版）編寫組成員。多次主持教育部基礎教育質量監測中心專項課題、北京教育科學規劃課題。北京市中學生物理競賽委員會委員。獲北京市基礎教育教學成果獎一等獎2次。主要從事物理教育、STEM教育、課程等方面研究。

摘 要：物理觀念具有層次和結構。物理觀念發展需要經歷從積累事實經驗，到零散地認識概念規律，再到以核心概念組織相關概念規律形成良好知識結構，最后進一步提煉與升華形成觀念。基于對中考試題實測數據的分析，發現較大比例中低學業水平的學生頭腦中存在前概念，尚處于從積累事實經驗過渡到認識概念規律階段。部分較高學業水平的學生還需優化物理知識間的聯系，處于從認識概念規律走向以核心概念組織相關概念規律形成良好知識結構階段。通過教學發展物理觀念要尊重學生的認知發展規律，基于學生物理觀念實際發展層次采取針對性措施。

關鍵詞：物理觀念；前概念；實證；初中；核心素養

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）11-0001-4

物理觀念是重要的物理核心素養。《普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）》和《義務教育物理課程標準（２０２２年版）》頒布以來，學者和教師對物理觀念進行了大量理論探討和實踐探索。然而，關于物理觀念發展層次的實證研究相對較少，尤其是針對初中生的實證研究目前還少見。從理想的教育追求上，學者和教師希望學生不僅能掌握物理概念規律，還能建立不同概念規律間的聯系，并進一步提煉、升華形成更高層次的物理觀念。從現實角度，學生對物理的理解需要時間、過程和積累，需要逐步提升，不可能一蹴而就。在初中、高中乃至大學，不同學段的學生對物理觀念的領悟一般能發展到什么層次？理論設想無法回答這一問題，需要實證研究收集數據分析。從教學實踐角度，教育教學不能脫離學生的現實水平而空談理想追求，落實物理觀念需要基于學生學情并在最近發展區中開展教學。

對學生物理觀念發展層次的實證研究，是合理設置物理觀念培育階段性目標、設計教學活動、落實課程標準對物理觀念要求的關鍵。由于《義務教育物理課程標準（２０２２年版）》新頒布，目前關于初中生物理觀念發展層次的實證pAo3qoAIBl86JsLBODlWB2NwXyuQ653++H8gWOz+eAo=分析還較少。本文通過分析相關中考試題實測數據，初步探索初中生物理觀念的發展層次，并探討教學啟示。

１ 作為核心素養的物理觀念的發展階段和層次

關于核心素養的一般特征，辛濤等學者指出，核心素養的發展具有連續性和階段性［１］。連續性是指核心素養可終身發展，在小學、初中、高中、大學等不同學段可以持續地向更高水平發展，未來在工作生活中還可終身發展。階段性是指在不同教育階段核心素養培育的側重點和目標層次不同，在不同學段需要遵循學生的身心發展一般規律合理設置核心素養目標，不能跨越，更不能顛倒。

物理觀念作為一種物理核心素養，其發展也符合核心素養的一般特征，具有連續性和階段性。同時，物理觀念的發展又有自身特點。蔡鐵權等認為，物理觀念具有層次和架構，物理觀念的形成需要經歷從事實經驗，到概念規律，再到核心概念，然后形成物理觀念［２］。曹寶龍認為，大概念教育對物理觀念形成很重要，大概念不僅是概念本身的大小問題，更要注重形成概念間的聯系、概念與實際情境的聯系［３］。基于上述研究，本文認為，物理觀念的形成要經歷從積累事實經驗，到零散地認識概念規律，再到以核心概念組織相關概念規律形成良好知識結構，最后進一步提煉與升華形成觀念。

分析初中、高中物理課程標準對物理觀念的要求，也體現出物理觀念發展的連續性和階段性。首先，初中、高中課程標準中對物理觀念內涵的表述相同：“從物理學視角形成的關于物質、運動和相互作用、能量等的基本認識；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。”可以理解為這是對物理觀念的界定，是不同教育階段都錨定的長遠目標（體現連續性），但不是對初中或高中的具體階段性課程目標要求。其次，初中課程標準中對物理觀念的課程目標要求為“認識物質的形態、屬性及結構，認識運動和力、聲和光、電和磁，認識機械能、內能、電磁能及能量的轉化與守恒；能將所學物理知識與實際情境聯系起來，能從物理學視角觀察周圍事物，解釋有關現象，解決簡單的實際問題。初步形成物質觀念、運動和相互作用觀念、能量觀念。”［４］高中課程標準中對物理觀念的課程目標要求為“形成物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等，能用其解釋自然現象和解決實際問題。”［５］可見，在課程目標要求中體現出初中、高中對物理觀念要求層次水平的階段性差異：初中側重認識核心規律、核心概念，并初步形成物質、運動和相互作用、能量觀念；高中則提出更高的形成物質、運動與相互作用、能量等觀念的要求。

綜上所述，理論研究和課程標準要求均指出：核心素養的發展具有連續性和階段性。然而，僅靠理論和文本分析不能回答“現實中初中生的物理觀念發展到了什么層次水平”“基于實際學情，初中發展物理觀念的階段性教學目標應如何定位”等問題，只有基于實證數據的分析才能加以回答。

２ 基于中考實測數據的初中生物理觀念發展層次分析

中考于初中教育教學完成后施測，考生盡最大努力作答，選取其中考查物理觀念的試題實測數據進行分析，能反映義務教育結束時學生頭腦中物理觀念的實際狀況和特點。下面通過分析某教育較發達地區的兩道中考試題實測數據（物理考生總人數近７萬），初步探索初中生物理觀念發展達到的實際層次水平。

２．１ 中低物理學業水平的學生仍持有前概念

下面的試題對運動和相互作用進行考查，試題情境和推理過程都不復雜，選項針對前概念設計，深入考查對核心概念、規律的理解。

（１）試題及實測數據

人用水平方向的力推物體，使物體在粗糙程度相同的水平面上做勻速直線運動，下列說法正確的是（ ）

Ａ．人對物體的推力大于水平面對物體的摩擦力

Ｂ．若增大推力，物體所受摩擦力也將增大，物體仍做勻速直線運動

Ｃ．若撤去推力，物體在繼續運動過程中所受摩擦力大小不變

Ｄ．若撤去推力，物體的運動狀態不會發生改變

答題數據顯示，選擇Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ的考生比例分別為１３％、２８％、５５％、４％。將考生按物理試卷總分從低到高排序后，劃分到人數相等的１０個組中，分別標記為Ｇ１組（低物理學業水平）到Ｇ１０組（高物理學業水平），各組考生選擇Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ選項的比例如圖１所示。

（２）對試題及數據的分析

分析試題：Ａ選項涉及“力（合力）是物體運動的原因”前概念（物體向前運動，就需要有向前的合力作為原因，因此推力大于摩擦力）。Ｂ選項“所受摩擦力也將增大”迎合前概念“物體速度越大，受到的摩擦力越大”，同時其中“如果推力、摩擦力均增大，物體可仍做勻速直線運動”（假想增大后的推力和摩擦力再次二力平衡）的推理過程又符合運動和力的關系，能自圓其說，因此是一個既包含前概念又部分利用了科學規律、學生在具體情境下建構的心理模型（ｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅｌ）［６］。Ｃ選項正確。Ｄ選項既不符合物理觀念，又不屬于前概念。

分析學生答題數據：不能排除錯誤選項Ａ的考生占比為１３％，可以推測這部分學生頭腦中“力（合力）是物體運動的原因”的前概念占上風。進一步分析圖１，選Ａ的主要分布在物理總分排在后面５０％的考生中，而且從Ｇ４組開始選Ａ的考生比例逐漸減少。選Ｂ的考生占比為２８％，可以推測這部分學生知道運動和力的關系，在他們頭腦中正確的科學概念和錯誤的前概念“物體速度越大，受到的滑動摩擦力越大”同時存在。在真實情境下，他們無法激活影響滑動摩擦力大小的因素的科學知識，建構了部分來自前概念、部分符合科學規律的混合的心理模型［７］。進一步分析圖１，選Ｂ的主要分布在物理總分排在后面８０％的考生中，而且從Ｇ６組開始選Ｂ的考生比例逐漸減少。在不同組別中，選Ｂ的考生比例均高于選Ａ的考生，說明頭腦中存在前概念的學生中多數是前概念與科學概念并存，僅有少數處于前概念占上風狀態。本題中，受到前概念影響導致答題失敗（選Ａ或選Ｂ）的考生比例達到４１％，在Ｇ１組到Ｇ５組中選Ａ和選Ｂ的考生比例之和均超過選正確選項Ｃ的考生比例，說明對于中低學業水平的學生頭腦中存在前概念的占多數。

測試數據說明，到初三畢業時，前概念仍然存在于物理中低學業水平的學生頭腦中。其中，前概念占上風、用前概念思考為主的學生不多，主要分布在低學業水平的學生中。更常見的是在思考問題時部分使用科學概念、部分用前概念，構建混合的心理模型，主要分布在低學業水平的學生和中等學業水平的學生中。由于篇幅所限，本文僅以一道試題實測數據為例說明，在其他類似中考試題的答題數據中，筆者發現選擇題中如果有選項針對前概念設置，那么該選項的誘答效果一般都較強，這是常見的現象。

本題實測數據對教學的啟示：幫助初中生從前概念轉變為科學概念，是發展物理觀念的重要過程，尤其要重視物理中低學業水平的學生的概念轉變。運動和相互作用是重要的物理觀念，對于小部分中考時仍認為“力（合力）是物體運動的原因”的學生，他們還不能從物理學視角解釋自然現象。對于那些頭腦中前概念和科學概念共存的學生，在面臨實際問題時，他們常常還不能將所學物理知識與實際情境聯系起來解決問題，而容易表現出在做練習過的習題時用科學概念，在新穎情境中又激活前概念。概念轉變是一個發展進階的長期過程，從以前概念為主，到前概念和科學概念共存，再到傾向于激活和運用科學概念，對初中階段而言落實物理觀念的一項重點工作是通過教學實現前概念向科學概念的轉變。

２．２ 較高物理學業水平的學生尚需優化知識間的聯系

下面的試題對壓力和重力的辨析、壓強計算進行考查，采用學生較熟悉的情境和設問，然而答題結果表明，即使Ｇ９組較優秀的考生也有近２５％在壓力和重力辨析上出錯。

（１）試題及實測數據

如圖２所示，把小桌甲倒放在海綿上，其上放一個物體乙，它們靜止時，物體乙的下表面和小桌甲的桌面均水平。已知小桌甲重Ｇ１，桌面的面積為Ｓ１；物體乙重Ｇ２，下表面的面積為Ｓ２。下列說法正確的是（ ）

Ａ．甲對海綿的壓力就是甲受到的重力

Ｂ．乙對甲的壓力就是乙受到的重力

Ｃ．甲對海綿的壓強大小為

Ｄ．乙對甲的壓強大小為

答題數據顯示，選擇Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ的考生比例分別為３％、２８％、６５％、４％。Ｇ１組到Ｇ１０組的考生選擇Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ選項的比例如圖３所示。

（２）對試題及數據的分析

分析試題及學生答題數據：本題Ａ、Ｂ選項主要考查對壓力和重力的辨析，Ｃ、Ｄ選項考查壓強的計算。本題主要誘答選項為Ｂ。除Ｇ１０組外，Ｂ選項對其他所有組別考生均有明顯的誘答效果，即使是Ｇ９組仍有近２５％的考生誤選Ｂ。雖然選項設置順序使考生先看到Ｂ選項，但誤選Ｂ仍說明考生不能果斷排除“乙對甲的壓力就是乙受到的重力”，對壓力和重力的區分理解不到位。

本題實測數據對教學的啟示：區分壓力和重力是教學中的難點，造成該難點的重要原因是部分學生片面地僅從力的大小、方向相同就得出壓力和重力相同的錯誤結論，而沒意識到壓力和重力的作用點、施力物體和受力物體不同。他們不能全面地從力的三要素、施力物體和受力物體去分析和認識力。因此，不能區分壓力和重力，不僅是壓力這節課上對壓力和重力辨析的教學問題，更本質上是學生對剛接觸力學時就學習的力的三要素等核心概念理解不到位，不能將壓力和重力辨析與之前學過的知識建立有效聯系的問題。即使對于物理學業水平較高的Ｇ９組學生，仍有相當一部分不能有效建立知識間的聯系，從而導致對知識的理解不夠深入、精細。

在運動與相互作用觀念中，能從矢量角度（初中力的三要素即是矢量觀的初步）認識力是其中的重要觀念。能從力的三要素、施力物體、受力物體出發清晰地認識力，受力分析才能清楚，而受力分析是力學的關鍵。可以說，力的三要素是核心概念，而壓力和重力辨析是具體的細節知識。學生頭腦中理想的知識結構應該是：用力的三要素這一核心概念，統領壓力和重力辨析等細節知識——辨析壓力和重力是不同的力，是力的三要素在具體情境下的運用。

３ 初中生物理觀念發展層次實證分析帶來的啟示

物理觀念發展具有連續性和階段性。物理觀念形成需要經歷從積累事實經驗，到零散地認識概念規律，再到以核心概念組織相關概念規律形成良好知識結構，最XGs6QaZspS/Hc1yVNbAlEA==后進一步提煉與升華形成觀念的過程。基于對中考試題實測數據的分析，發現較大比例中低物理學業水平的學生頭腦中還存在前概念，尚處于從積累事實經驗過渡到認識概念規律階段，對這部分學生落實物理觀念培育要關注概念轉變。部分較高物理學業水平的學生還需優化物理知識間的聯系，形成合理結構，他們處于從認識概念規律走向以核心概念組織相關概念規律形成良好知識結構階段，對這部分學生物理教學要關注知識間的聯系，引導學生以核心概念統領細節知識。

物理觀念的發展不是一蹴而就的，需要長期過程。在初中階段通過教學發展物理觀念要尊重學生的認知發展規律，基于學生物理觀念的實際發展層次，不可脫離現實操之過急。基于實證的研究對推進物理觀念落實有重要意義，關于初中生物理觀念的發展層次，未來還需展開進一步深入、系統的實證研究。

參考文獻：

［１］辛濤，姜宇，林崇德，等．論學生發展核心素養的內涵特征及框架定位［Ｊ］．中國教育學刊，２０１６（６）：３－７，２８．

［２］蔡鐵權，鄭瑤．物理觀念的內涵、層次和架構——關于物理觀念教育的思考［Ｊ］．物理教學，２０１９，４１（６）：２－５，７０．

［３］曹寶龍．用大概念教育促進高中物理觀念的形成與發展［Ｊ］．物理教學探討，２０１９，３７（１）：１－６，１１．

［４］中華人民共和國教育部．義務教育物理課程標準（２０２２年版）［Ｓ］．北京：北京師范大學出版社，２０２２：５－６．

［５］中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（２０１７年版２０２０年修訂）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０：５．

［６］Ｖｏｓｎｉａｄｏｕ Ｓ．Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｃｈａｎｇｅ［J］．Ｌｅａｒｎｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ（ｓｐｅｃｉａｌ ｉｓｓｕｅ），１９９４，４（１）：４５-６９．

［７］范佳午．知識的碎片觀及其對教學的啟示［Ｊ］．中小學課堂教學研究，２０１６（２）：２３－２６．

（欄目編輯 廖伯琴）