物理觀念建構(gòu)的方式和途徑

蔡鐵權(quán) 鄭瑤

摘? ?要：高中物理教學(xué)中達(dá)成物理觀念培養(yǎng)的目標(biāo)，可行的教學(xué)方式有隱性教學(xué)和顯性教學(xué)，對此提出了教學(xué)結(jié)構(gòu)并作了闡述。適切的教學(xué)途徑有順次教學(xué)和逆溯教學(xué)，對其教學(xué)的基本環(huán)節(jié)和關(guān)系也作了論述。根據(jù)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)和高中物理教科書，對上述方式和途徑作出了示例并提出了教學(xué)建議。

關(guān)鍵詞：學(xué)科核心素養(yǎng);物理觀念;教學(xué)方式;教學(xué)途徑

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）6-0010-5

在以前的幾篇文章中，我們已經(jīng)論述了物理觀念的物理教育價值，物理觀念的歷史演進(jìn)，物理觀念的層次、架構(gòu)等。因此，物理觀念有效的實(shí)施問題就提到日程上來了，即需要尋求物理觀念教學(xué)適切的方式和途徑。這種探究基于這樣幾方面的思考：物理觀念的形成需要學(xué)生在深刻理解概念、規(guī)律、原理的基礎(chǔ)上，概括、提煉、升華而成;絕不是口號式的呈現(xiàn)，形式主義的標(biāo)示，而是融入心靈的感悟，這是一個復(fù)雜的、長時期的漸進(jìn)過程。物理觀念相對于一般概念是一種上位概念，是綜合的、交叉的、多元的，不可能簡單地傳授和灌輸，需要在復(fù)雜的情境中建構(gòu)而成。物理觀念具有不同的層次，而且要有歷史的視角，要從哲學(xué)的層面去深度認(rèn)知，這對教學(xué)提出了明確的全新的要求?；谶@樣的認(rèn)識，我們提出物理觀念教學(xué)的方式可以有隱性方式和顯性方式[1]，教學(xué)的途徑可以有順次途徑和逆溯途徑，下面對此作出論述。

1? ? 隱性的教學(xué)方式

隱性方式是一種“潤物細(xì)無聲”式的潛移默化，是一種滲透。根據(jù)物理觀念的架構(gòu)，按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，憑借高中物理教學(xué)內(nèi)容的結(jié)構(gòu)，步步深入，水到渠成。在思維的培養(yǎng)、探究的進(jìn)行、科學(xué)本質(zhì)的理解中，自然地領(lǐng)悟到物理觀念的真諦。在這過程中教師并不是有意地、明顯地揭示或強(qiáng)調(diào)物理觀念的名稱和相關(guān)概念，更不是形式主義地反復(fù)誘導(dǎo)學(xué)生機(jī)械地得到結(jié)論，反復(fù)不斷地呈示觀念的內(nèi)容。

高中物理教學(xué)是不能脫離高中物理教科書的，也不能置高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)于不顧，但這兩者并不是用來束縛實(shí)施物理觀念教學(xué)的，而是我們必須充分依賴以及遵從的。教科書的編撰一方面固然不能脫離課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)，這自然地要努力體現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)的目標(biāo)。作為教科書，物理學(xué)科知識內(nèi)在的邏輯結(jié)構(gòu)是嚴(yán)密而有序的，物理學(xué)科的科學(xué)規(guī)律也是不能違背的，不同學(xué)段學(xué)生的認(rèn)知水平和認(rèn)知特點(diǎn)也必須體現(xiàn)。物理觀念的形成過程有歷史演進(jìn)性[2]，這種演進(jìn)性和物理學(xué)的發(fā)展有內(nèi)在的相關(guān)性，也與學(xué)生的認(rèn)知過程有一定的擬合。盡管物理觀念是復(fù)雜的，對物理觀念的深入理解也是不容易的，學(xué)生形成物理觀念也不可能一蹴而就，一步到位，甚或一勞永逸。但是，教科書的編撰依據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)，為物理觀念的教學(xué)實(shí)施提供了材料與路徑，兩者是可以統(tǒng)一的。這種統(tǒng)一，是需要教師對教科書實(shí)行二次開發(fā)，正確闡明教學(xué)目標(biāo)，適當(dāng)選擇單元學(xué)習(xí)主題，合理進(jìn)行課堂教學(xué)活動設(shè)計(jì)而達(dá)到的。例如運(yùn)動觀念，在高中物理一開始學(xué)勻速直線運(yùn)動時，是不可能在這時就形成運(yùn)動觀念的，也不適宜在這時就向?qū)W生呈示運(yùn)動觀念，而只能是指向運(yùn)動觀念，為學(xué)生的思維活動指明方向，隱含運(yùn)動觀念。有關(guān)具體的教學(xué)策略，我們擬另行撰文闡述。

2? ? 顯性的教學(xué)方式

顯性方式是指在高中物理教學(xué)時，明確地呈現(xiàn)出這種物理觀念的名稱，闡述其內(nèi)涵，表述其特征，講解其應(yīng)用的條件、范圍和方法。也就是教師公開宣稱這是一種物理觀念的教育，學(xué)生處于有意識、有目的的學(xué)習(xí)和探究物理觀念的狀態(tài)。物理觀念的教學(xué)完全是外顯形式的，明確地彰顯出來的，因此稱之為顯性的教學(xué)方式。

令人遺憾的是，物理觀念的形成或在物理學(xué)發(fā)展史上的演化過程，并不與教科書編寫的物理學(xué)知識的邏輯順序吻合得天衣無縫，也就是說，物理學(xué)的發(fā)展不是按照嚴(yán)格的邏輯進(jìn)化的。正如日本著名的物理學(xué)家湯川秀樹（Hideki Yukawa）所坦言的，那些探索未知世界的人是不帶地圖的旅行者，地圖是探索的結(jié)果。他們不知道目的地的方位，筆直通向目的地的路尚未開辟……在我們到達(dá)目的地后，我們才會說：“我們走過艱難的道路才到達(dá)這兒的！”事后找出捷徑并非難事[3]。教科書的編寫，為了簡明，為了知識邏輯的嚴(yán)密和順理成章，是用“捷徑”來呈現(xiàn)的，使用的是事后諸葛亮的高明手段，這對形成學(xué)生真正的物理觀念的過程和形象是背離實(shí)際的，但這恰恰是符合教學(xué)的原則和需要的。物理觀念的得到，本應(yīng)該是從“隱”到“顯”，從未知到已知，從混沌到清晰，是自然而然的結(jié)論，這是隱性方式的實(shí)踐依據(jù)。教科書編制的“捷徑”模式，卻是反其道而行之，而這樣做，倒是符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，容易被理解和接受。顯性方式的不足是，學(xué)生一時無法比較深刻地理解物理觀念，又只能是點(diǎn)到為止，然后將觀念用于實(shí)際物理問題的分析和解決，在此基礎(chǔ)上，反過來加深對物理觀念的認(rèn)知。例如量子觀念，一開始就對量子觀念的形成、特征、基本內(nèi)容作簡明的介紹，并需要學(xué)生形成初步的量子觀念，然后去解釋、解決具體的物理問題，而且在此后的全部學(xué)習(xí)內(nèi)容中都是要對量子觀念時時呈現(xiàn)、不斷強(qiáng)調(diào)的。

隱性教學(xué)方式與顯性教學(xué)方式并不是對立的，而是相互交疊的。由于物理觀念形成的復(fù)雜性、長期性，有的物理觀念的最終完整的形成，是在高中物理學(xué)習(xí)結(jié)束時才可能。因?yàn)檫@種觀念會貫穿在力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和原子物理學(xué)中，例如能量觀念、相互作用觀念。因此，不是說隱性方式是一直深藏不露、不動聲色，顯性方式也不是一見面就亮出底牌，這種運(yùn)用之妙就取決于物理教師的教學(xué)智慧了。

3? ? 順次的教學(xué)途徑

我們在《物理觀念的內(nèi)涵、層次和架構(gòu)》一文中，對物理觀念的教學(xué)構(gòu)建了具體的活動結(jié)構(gòu)。其基本思路是在事實(shí)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用各種方法和手段形成相關(guān)的物理概念、規(guī)律和原理，然后對有內(nèi)在緊密聯(lián)系的、特征相似的內(nèi)容結(jié)合而形成核心概念，在一系列規(guī)律相同、本質(zhì)一致的核心概念中，經(jīng)過概括、歸納、提煉、升華成為物理觀念，并將其運(yùn)用于分析、解決具體物理問題的實(shí)踐，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的遷移創(chuàng)新能力，達(dá)到深度學(xué)習(xí)的程度，實(shí)現(xiàn)物理核心素養(yǎng)培養(yǎng)的目標(biāo)。

根據(jù)這一架構(gòu)，我們提出的一種教學(xué)途徑為順次教學(xué)，其結(jié)構(gòu)如圖1。

這一結(jié)構(gòu)為我們提供了課堂教學(xué)實(shí)施的基本途徑，適應(yīng)順次教學(xué)的形式。綜觀這個結(jié)構(gòu)，在情境中產(chǎn)生疑難，在疑難中產(chǎn)生問題，激發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，引起學(xué)生積極思維，這對于核心素養(yǎng)的培養(yǎng)至關(guān)重要。近年來，各種技術(shù)支持的基于模型的教學(xué)情境的開發(fā)已得到廣泛重視，通過模擬一系列科學(xué)現(xiàn)象，幫助學(xué)生以合作、探究等學(xué)習(xí)方式，達(dá)到對科學(xué)現(xiàn)象的感知和科學(xué)本質(zhì)的理解。

運(yùn)用觀察和實(shí)驗(yàn)來展示有關(guān)事物發(fā)生、發(fā)展和變化的現(xiàn)象和過程。因此，觀察、實(shí)驗(yàn)是獲取信息和證據(jù)的重要途徑，尤其是物理學(xué)作為以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。通過情境和適當(dāng)?shù)奶釂?，引起學(xué)生對已有經(jīng)驗(yàn)的回憶，對已有知識的回顧，也是不可忽視的。

在眾多的信息和證據(jù)中，我們必須從中提取反映事物特征和關(guān)鍵屬性的內(nèi)容，這常常需要通過比較和分類來實(shí)現(xiàn)。建模方法是科學(xué)研究的常用方法，模型思維是一種重要的科學(xué)思維，合理的模型的建立，可以正確地分析、理解和解釋物理現(xiàn)象，為概念、規(guī)律的獲得提供依據(jù)?？茖W(xué)推理是根據(jù)一個判斷得出另一個判斷的思維形式，各種推理方式的運(yùn)用，可以從分裂的表象中得到統(tǒng)一的特征，從表面的現(xiàn)象中得到本質(zhì)的認(rèn)識。論證是指利用一些證據(jù)來支持自己或反對他人意見、主張或結(jié)論的過程。物理學(xué)是實(shí)證科學(xué)，任何結(jié)論的得出和驗(yàn)證都必須建立在可靠的證據(jù)之上，論證是重要的思維方式，是有效的物理教學(xué)策略，也是科學(xué)探究最重要的特征。交流是課堂互動的重要形式，也是常用的教學(xué)方式，師生、生生之間的積極交流促進(jìn)了認(rèn)知的發(fā)展和情感的激發(fā)。反思是自我監(jiān)控思想的基本要求，反思是發(fā)揚(yáng)成績、糾正錯誤的過程，是積極參與展示思維的過程。學(xué)生開始時形成的見解一般會受到個人知識和經(jīng)驗(yàn)的影響，導(dǎo)致認(rèn)識的局限性和片面性，通過反思，可以對已有的認(rèn)識實(shí)現(xiàn)糾偏。通過這一系列的教學(xué)環(huán)節(jié)，概念的獲得、規(guī)律的得出、原理的形成就得到實(shí)現(xiàn)。同時，在這過程中經(jīng)歷了探究，培養(yǎng)了科學(xué)思維，提升了科學(xué)的態(tài)度與責(zé)任。同時，另一條線路也是存在的，即通過觀察與實(shí)驗(yàn)對獲取的信息進(jìn)行歸納和演繹，從而得到概念、規(guī)律和原理[4]。

20世紀(jì)后期，國際上對概念學(xué)習(xí)的研究主要集中在概念發(fā)展、概念轉(zhuǎn)變和概念圖三個方面。進(jìn)入21世紀(jì)以來，核心概念的研究得到重視，我們認(rèn)為在物理觀念的形成中，核心概念是中介。通過類化共性，找出一類概念的共同特征和統(tǒng)一屬性，得到核心概念。核心概念在單元學(xué)習(xí)中起著突出主題、凝聚學(xué)生注意焦點(diǎn)的作用，對核心概念的深入理解是單元教學(xué)的中心環(huán)節(jié)，一方面它能整合一系列的概念、規(guī)律和原理，另一方面能把學(xué)生的科學(xué)思維引向更為深入的對物理內(nèi)容的理解。更重要的是，核心概念是通向物理觀念形成的橋梁。因此，對核心概念進(jìn)行本質(zhì)抽象，又從物理學(xué)整體的視角進(jìn)行提煉和升華，由此形成物理觀念，作為解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問題的基礎(chǔ)。

根據(jù)物理學(xué)科能力研究的結(jié)果看，應(yīng)用實(shí)踐能力是學(xué)生應(yīng)用物理學(xué)科核心知識和科學(xué)思維分析和解釋物理現(xiàn)象、解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生能對物理情境問題進(jìn)行分析，運(yùn)用證據(jù)和科學(xué)推理對研究的問題進(jìn)行描述、解釋和預(yù)測，是物理觀念和科學(xué)思維的基本體現(xiàn)。

遷移創(chuàng)新能力是學(xué)生利用物理觀念、科學(xué)思維和科學(xué)探究等方法，解決陌生的和不確定的問題，以及發(fā)現(xiàn)新知識和新方法的能力?；谛纬傻奈锢碛^念，基于證據(jù)，進(jìn)行科學(xué)推理，對不同觀點(diǎn)和結(jié)論提出質(zhì)疑和批判，進(jìn)而提出創(chuàng)造性的見解[5]。

4? ? 逆溯的教學(xué)途徑

逆溯的教學(xué)途徑是相對于順次途徑而言的，是指先了解物理觀念的基本內(nèi)涵，形成初步的理解，然后運(yùn)用這一物理觀念分析解決物理問題，在應(yīng)用的過程中深化對物理觀念的認(rèn)識，建立完整的理解。其基本的教學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2。

根據(jù)這一教學(xué)途徑，我們認(rèn)為，創(chuàng)設(shè)情境仍是關(guān)鍵的教學(xué)環(huán)節(jié)，在情境中聚焦問題，隨著問題的解決，導(dǎo)致物理學(xué)的革命性發(fā)展，新的物理觀念產(chǎn)生或重要的物理觀念進(jìn)入我們的視野。對這一物理觀念作出概要的介紹，學(xué)生形成初步的了解。有了這樣的基礎(chǔ)認(rèn)識，就應(yīng)用來解釋相應(yīng)的物理現(xiàn)象或解決相應(yīng)的物理問題，這種解釋或解決過程，當(dāng)然也需要構(gòu)建模型、獲取概念或規(guī)律，也需要運(yùn)用推理、論證、解釋等科學(xué)思維方式，即經(jīng)歷科學(xué)探究的過程。在這種教學(xué)過程中，逐漸形成對物理觀念的進(jìn)一步理解，實(shí)現(xiàn)對物理觀念本質(zhì)的認(rèn)識。然后，又運(yùn)用物理觀念解釋物理現(xiàn)象和解決物理問題，形成對物理觀念的深入理解，并能在新的情境和條件下，分析、解決新的問題，發(fā)展質(zhì)疑創(chuàng)新的能力，養(yǎng)成物理學(xué)科核心素養(yǎng)。同時也存在著另一條途徑，即對概念規(guī)律的提煉與升華，形成對物理觀念的深化理解。

5? ? 討論與建議

我們對物理觀念養(yǎng)成的方式和途徑在理論上作出了闡述，對基本的結(jié)構(gòu)提供了我們的思考，下面擬結(jié)合具體的高中物理教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行討論并提出一些教學(xué)實(shí)施的建議。

物理觀念的形成需要以一系列概念、規(guī)律和原理作基礎(chǔ)，例如能量觀念，在力學(xué)中有機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化、守恒的眾多內(nèi)容，我們在最基本的概念學(xué)習(xí)時，如學(xué)習(xí)動能、勢能、彈性勢能、波動能時，對能量觀念來說，尚未達(dá)到觀念形成的時機(jī)，教學(xué)的目標(biāo)只是指向物理觀念，而不應(yīng)該是達(dá)成物理觀念，只要形成概念就是了，這時實(shí)行的就是隱性的教學(xué)方式。當(dāng)機(jī)械能部分內(nèi)容中相關(guān)能的概念、規(guī)律全部學(xué)習(xí)結(jié)束時，應(yīng)及時地形成機(jī)械能中能量的核心概念，是能量觀念形成的中介，此時也尚未達(dá)成能量觀念，仍是隱性教學(xué)的階段。如果從能的概念形成就開始不斷地重復(fù)能量觀念，會使學(xué)生產(chǎn)生對“觀念”的誤解，而且實(shí)質(zhì)上只是在進(jìn)行形式主義的空頭教學(xué)。

在觀念達(dá)成時，是顯性教學(xué)階段，要及時把教學(xué)目標(biāo)指向物理觀念，要把物理觀念的形成落實(shí)在課堂教學(xué)之中，并且要切實(shí)地讓學(xué)生體會到物理觀念的豐富內(nèi)容和巨大的解釋力，統(tǒng)攝物理學(xué)整體內(nèi)容的強(qiáng)大功能。

順次途徑的教學(xué)比較容易理解，課標(biāo)有提示，我們也作出了詳細(xì)的闡述，如能量觀念、相互作用觀念，應(yīng)該使用這種教學(xué)途徑。

逆溯途徑的教學(xué)好多老師認(rèn)為不理解，我們提出了基本的教學(xué)結(jié)構(gòu)，并對結(jié)構(gòu)作了簡要的解釋，如量子理論及有關(guān)內(nèi)容就應(yīng)該使用這種教學(xué)途徑。我們先初步形成對量子觀念的了解，明白了什么是量子世界，什么是能量量子化，什么是能量子，這才能利用這些觀念去理解、解釋光電效應(yīng)，得出光電效應(yīng)方程，理解波粒二象性，不確定關(guān)系，等等。而絕不可以反其道而行之。但對量子觀念的進(jìn)一步深入理解卻又不是這樣簡單的，是相當(dāng)長而且困難、復(fù)雜的過程。當(dāng)然，這不僅僅是中學(xué)物理教學(xué)的任務(wù)。

還要強(qiáng)調(diào)的是，這兩種教學(xué)途徑也存在著交替使用，如物質(zhì)觀念，在力學(xué)中我們對物質(zhì)、質(zhì)量有了認(rèn)識，形成初步的物質(zhì)觀念，在遇到電場、磁場、電磁場時，我們才可能用已經(jīng)具有的物質(zhì)觀念去理解、解釋“場也是一種物質(zhì)”，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)觀念的擴(kuò)展和延伸。發(fā)展到了現(xiàn)代物理，進(jìn)一步理解現(xiàn)代物理學(xué)中的物質(zhì)觀念，如構(gòu)成物質(zhì)的一個獨(dú)立微觀結(jié)構(gòu)層次的強(qiáng)子。1964年蓋爾曼（M.Gell-Mann）等人又提出了強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的夸克模型。根據(jù)規(guī)范場論，光子是傳遞電磁作用的粒子，而傳遞弱作用的粒子是矢量弱玻色子，規(guī)范理論的成功需要確證希格斯子，于2013年已成功地發(fā)現(xiàn)了希格斯子。人們認(rèn)為，輕子、夸克、規(guī)范粒子和希格斯粒子都還有亞結(jié)構(gòu)，它們由下一層次的基本粒子復(fù)合而成[6]。與此相類似的，如運(yùn)動觀念，也還有其當(dāng)代的發(fā)展。目前統(tǒng)一場論的發(fā)展表明物質(zhì)、運(yùn)動與時空特性是密切相關(guān)、不可分割的，任何將三者分裂開來的統(tǒng)一場論都是不正確的。這種理論的基本思想是楊振寧和他的學(xué)生米爾斯（R.L.Mills）提出的。與此相應(yīng)的還有現(xiàn)代物理的時空觀念，包括狹義相對論的時空觀念、廣義相對論的時空觀念、粒子物理中的時空觀念、現(xiàn)代宇宙學(xué)的時空觀念[7]。

最后，我們還想指出，物理觀念的形成不可能在高中物理教學(xué)中就畢其功于一役，隨著物理學(xué)的突飛猛進(jìn)，隨著當(dāng)代技術(shù)科學(xué)的飛速進(jìn)步，也隨著學(xué)生進(jìn)入高等學(xué)校的學(xué)習(xí)，物理觀念也將進(jìn)一步深化，不斷向高深的觀念認(rèn)識發(fā)展。因此，我們不能將觀念“封殺”，把學(xué)生的認(rèn)識封閉在中學(xué)物理階段，而必須為下一步的學(xué)習(xí)與發(fā)展留下足夠的空間，預(yù)備好“接口”和“窗口”。未來物理學(xué)的發(fā)展難以預(yù)測，在中學(xué)階段匆促地作出結(jié)論會制約學(xué)生的發(fā)展，限制學(xué)生的（下轉(zhuǎn)第18頁）（上接第13頁）視野，窒息學(xué)生的思維，貽誤學(xué)生的成長。

6? ? 結(jié)? 語

物理觀念課堂教學(xué)實(shí)施涉及的因素比較復(fù)雜，包括物理觀念自身的發(fā)展歷程，物理學(xué)的進(jìn)化史，物理思想的演變，科學(xué)哲學(xué)的發(fā)展，認(rèn)識論的流變，科學(xué)方法論的進(jìn)展，等等。而課程理論、學(xué)習(xí)理論、教學(xué)理論的改革與發(fā)展，教科書的編制方式，學(xué)生認(rèn)知理論的影響都是不可忽視的。我們提出的是一般的基本的教學(xué)方式和教學(xué)途徑，在真實(shí)的物理教學(xué)過程中，還要根據(jù)具體情況作出選擇、調(diào)整和變化。建構(gòu)物理觀念的教學(xué)在基礎(chǔ)教育課程改革推進(jìn)的過程中會不斷地得到發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[6]張會，鮑淑清.現(xiàn)代物理學(xué)的物質(zhì)觀[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會科學(xué)版），1993，20（1）：36-40.

[7]鮑淑清，張會.現(xiàn)代物理學(xué)的運(yùn)動觀和時空觀[J].河南師范大學(xué)學(xué)報(bào)（哲學(xué)社會科學(xué)版），1992，19（2）：11-16.

（欄目編輯? ? 趙保鋼）