高中物理觀念教學(xué)閑思

王長(zhǎng)江 盛 洋

(1. 安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241002； 2. 江蘇省橫林高級(jí)中學(xué),江蘇 常州 213101)

閑思者，恬靜而又閑適之思考也，寓意思考不受“短視”教育的羈絆，唯以學(xué)生發(fā)展角度從長(zhǎng)計(jì)議.物理觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要組成部分，物理觀念的形成，要求以嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度開(kāi)展科學(xué)探究活動(dòng)、培養(yǎng)科學(xué)思維能力，可以說(shuō)物理觀念的形成體現(xiàn)了全部物理學(xué)科核心素養(yǎng)的基本要求.那么，物理觀念是什么？物理觀念有哪些？物理觀念如何教？在物理學(xué)科核心教學(xué)實(shí)踐中，不少教師對(duì)上面3個(gè)問(wèn)題頗感困惑.針對(duì)以上問(wèn)題，本文將梳理物理觀念的內(nèi)涵、澄清物理觀念的內(nèi)容，進(jìn)而提出物理觀念的教學(xué)建議，以期對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)的物理觀念教學(xué)有所裨益.

1 物理觀念是什么

物理觀念教學(xué)研究，繞不開(kāi)“物理觀念是什么”這個(gè)基本問(wèn)題.對(duì)于“物理觀念”這一新的學(xué)科核心素養(yǎng)，不少一線(xiàn)教師反映“難以把握”.以往的相關(guān)研究，對(duì)于“物理觀念是什么”，也是眾說(shuō)紛紜.概括起來(lái)，研究者對(duì)于“物理觀念是什么”的解讀大體分為兩種：其一，認(rèn)為物理觀念是公認(rèn)的、正確的對(duì)物理世界的根本認(rèn)識(shí)，是有別于物理知識(shí)的；[1]或者物理觀念不同于物理知識(shí)，物理觀念不同于“大概念”.[2]這一解讀實(shí)際上“增加”了教師們理解的困惑，使得“物理觀念是什么”這個(gè)問(wèn)題變得更難以捉摸.其二，認(rèn)為物理觀念與物理概念、物理規(guī)律的本質(zhì)無(wú)二，都是物理知識(shí)，是不同類(lèi)型的物理知識(shí)，其抽象程度不同.胡衛(wèi)平教授認(rèn)為，在中國(guó)的文化中,概念是指一類(lèi)事物的共同屬性與本質(zhì)特征,是抽象的,這與國(guó)際上關(guān)于概念的內(nèi)涵并不一致；在建構(gòu)物理核心素養(yǎng)時(shí),沒(méi)有使用物理知識(shí),也沒(méi)有使用物理概念,而使用了物理觀念.[3]郭玉英認(rèn)為，“物理觀念”就是物理學(xué)中最重要的科學(xué)觀念,是組織整合物理學(xué)科知識(shí)內(nèi)容的少數(shù)關(guān)鍵概念,是將眾多的物理知識(shí)聯(lián)為一致整體的物理學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容，是學(xué)生理解或探究更復(fù)雜概念的關(guān)鍵工具,與學(xué)生的生活實(shí)際和重大社會(huì)議題緊密相關(guān),貫通整個(gè)基礎(chǔ)教育階段的物理課程.[4]蔡鐵權(quán)對(duì)“觀念”和“科學(xué)觀念”內(nèi)涵分析進(jìn)行比照后認(rèn)為,我國(guó)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理觀念的確定，符合詞源學(xué)和哲學(xué)的界定,也與“觀念史”的發(fā)展相一致，物理觀念是比物理概念更上位的概念.[5]

筆者支持第2種解讀，物理觀念與物理事實(shí)、物理概念、物理規(guī)律同屬于物理知識(shí)，是聚合和抽象程度更高的物理知識(shí)，是居于物理學(xué)科中心，具有超越課堂教學(xué)的持久價(jià)值和遷移價(jià)值的關(guān)鍵性概念或原理.大家對(duì)物理觀念的提法之所以“不甚了然”、“不好把握”，原因在于沒(méi)有理清物理觀念與熟悉的物理事實(shí)、概念、規(guī)律的關(guān)系.一線(xiàn)教師對(duì)物理概念、物理規(guī)律等基礎(chǔ)物理知識(shí)是熟悉的.如果我們知曉了“物理觀念”與物理概念、物理規(guī)律等其他熟悉的物理知識(shí)的關(guān)系，“物理觀念是什么”這個(gè)問(wèn)題就容易理解多了.物理事實(shí)、物理概念、物理規(guī)律、物理觀念，都是物理知識(shí)，其差異在于抽象、聚合程度不同，4種物理知識(shí)之間的關(guān)系，可以用金字塔模型來(lái)表示，如圖1、圖2所示.

在大家比較熟悉的“雙基”目標(biāo)、“三維”目標(biāo)體系中，物理知識(shí)的層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖1所示，物理知識(shí)的層級(jí)從下向上依次為物理事實(shí)、物理概念、物理規(guī)律.重視觀念、規(guī)律教學(xué)是我國(guó)物理教育的優(yōu)良傳統(tǒng)，但是，從新的知識(shí)觀來(lái)反省圖1的知識(shí)層級(jí)結(jié)構(gòu)，將知識(shí)目標(biāo)僅僅停留在形成物理概念、規(guī)律，傳授給學(xué)生的仍舊是支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實(shí).在物理學(xué)科核心素養(yǎng)框架下，物理知識(shí)的層級(jí)結(jié)構(gòu)如圖2所示，物理知識(shí)的層級(jí)從下向上依次為物理事實(shí)、物理概念、物理規(guī)律、物理觀念.二者的差別就在于：核心素養(yǎng)框架下的物理知識(shí)層級(jí)結(jié)構(gòu)，位于金字塔頂端的是比物理概念性知識(shí)(物理概念、物理規(guī)律)抽象程度更高、解釋力更強(qiáng)的物理觀念.亦即，核心素養(yǎng)框架下的物理觀念力圖幫助學(xué)生形成對(duì)物理世界的更完整的認(rèn)識(shí).物理觀念課程目標(biāo)，是對(duì)“雙基”中基礎(chǔ)知識(shí)、基本技能和“三維”目標(biāo)“知識(shí)與技能”的繼承與超越，不能脫離物理概念、物理規(guī)律來(lái)理解物理觀念，也不能將物理觀念與物理概念、物理規(guī)律混為一談.

圖1 物理知識(shí)的層級(jí)結(jié)構(gòu)(1)

圖2 物理知識(shí)的層級(jí)結(jié)構(gòu)(2)

2 物理觀念有哪些

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017版)中指出，“物理觀念主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等要素”.那么，在高中物理課程中，物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念的具體內(nèi)容分別是什么？課程標(biāo)準(zhǔn)中并沒(méi)有明確說(shuō)明，已有的研究也往往“語(yǔ)焉不詳”.這無(wú)疑增加了教師們的認(rèn)知負(fù)荷.

樣例學(xué)習(xí)給我們提供了思路.樣例學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者從一般概念、原理、程序的例子中習(xí)得解決問(wèn)題方法的一種學(xué)習(xí)方式.[6]和單純的問(wèn)題解決學(xué)習(xí)方式相比,樣例學(xué)習(xí)不僅費(fèi)時(shí)少、遷移效果好,還可減輕學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)時(shí)的認(rèn)知負(fù)荷.有鑒于此，筆者以《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017版)為依據(jù)，對(duì)人教版高中物理新教材(2019年版)中涉及到的物理觀念分別從整體、模塊、主題3個(gè)維度進(jìn)行整理，呈現(xiàn)不同層次的物理觀念“樣例”，幫助大家進(jìn)行物理觀念的“樣例學(xué)習(xí)”.

2.1 整體層面的物理觀念

整體層面的物理觀念是指高中物理課程學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)該形成的物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念和能量觀念.

(1) 物質(zhì)觀念.

整體層面的物質(zhì)觀念可以描述為：物質(zhì)的存在形式和特征屬性取決于物質(zhì)的類(lèi)型、組合和以分子和原子為單位的粒子的運(yùn)動(dòng).筆者以《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2011版)中對(duì)一級(jí)主題“物質(zhì)”的維度劃分為主要依據(jù)，并參考了相關(guān)研究成果，[7]從物質(zhì)的存在形式、物質(zhì)的屬性、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和尺度、物質(zhì)的狀態(tài)變化等4個(gè)維度來(lái)描述物質(zhì)觀念.

物質(zhì)觀念1：宇宙是由物質(zhì)組成的，物質(zhì)以實(shí)物粒子和場(chǎng)兩種形式存在.

物質(zhì)觀念2：物質(zhì)具有質(zhì)量、能量等基本屬性，還具有彈性、磁性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性等重要屬性.

物質(zhì)觀念3：物質(zhì)是有結(jié)構(gòu)的，微觀世界、宏觀世界、宇觀世界中的物體都是由大量分子組成的.

物質(zhì)觀念4：物質(zhì)主要有固體、液體、氣體3種存在狀態(tài).

(2) 運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念.

整體層面的運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念可以描述為：相互作用產(chǎn)生的力的平衡或不平衡性決定了運(yùn)動(dòng)的變化.筆者參照《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2011版)中對(duì)一級(jí)主題“運(yùn)動(dòng)和相互作用”的維度劃分，并參考了相關(guān)研究成果，[8]從運(yùn)動(dòng)與相互作用的存在形式、運(yùn)動(dòng)與相互作用的聯(lián)系、運(yùn)動(dòng)與相互作用的守恒等層面來(lái)描述運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念.

運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念1：時(shí)空是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的存在形式.

運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念2：物質(zhì)間存在4種基本的相互作用：引力相互作用、電磁相互作用、強(qiáng)相互作用、弱相互作用.

運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念3：力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因.

運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念4：在一個(gè)只有保守力做功的系統(tǒng)內(nèi)，物體的能量守恒.

(3) 能量觀念.

整體層面的能量觀念可以描述為：系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)換永遠(yuǎn)不會(huì)改變能量的總和.筆者參照《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2011版)中對(duì)一級(jí)主題“能量”的維度劃分，并參考了相關(guān)研究成果，[9]從能量的存在形式、相互轉(zhuǎn)化、守恒耗散等層面來(lái)描述能量觀念.

能量觀念1：能量的存在具有普遍性，不因其他條件的改變而發(fā)生改變.

能量觀念2：能量并不是以一種特定的形式存在，而是根據(jù)不同的需要以不同的形式儲(chǔ)存于各個(gè)物質(zhì)中.

能量觀念3：不同形式的能量之間可以相互轉(zhuǎn)化，同種形式的能量也可以相互轉(zhuǎn)移，能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過(guò)程有自然發(fā)生的，也有不是自然發(fā)生的.

能量觀念4：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，能量的總量是保持不變的.

能量觀念5：能源利用的過(guò)程中雖然能量在數(shù)量上未減少，但在可利用的品質(zhì)上降低了，從便于利用的能源變成不便于利用的能源.

2.2 模塊層面的物理觀念

模塊層面的物理觀念是指高中物理課程結(jié)構(gòu)中3個(gè)必修、3個(gè)選擇性必修模塊學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)該具有的物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念和能量觀念，如表1所示.

表1 模塊層面的物理觀念

續(xù)表

2.3 主題層面的物理觀念

主題層面的物理觀念是指高中物理課程結(jié)構(gòu)中某個(gè)主題學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)該具有的物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念和能量觀念.需要說(shuō)明的是，即便是“主題”層面的物理觀念，其中的物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念之間也是重疊的，不能截然分開(kāi).

在《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017版)的課程結(jié)構(gòu)中必修、選擇性必修部分共有20個(gè)主題.筆者以必修3中的“靜電場(chǎng)”主題為例，說(shuō)明在這個(gè)主題的學(xué)習(xí)結(jié)束后，學(xué)生應(yīng)該具有的物理觀念，見(jiàn)表2.

表2 “靜電場(chǎng)”主題的物理觀念

3 物理觀念怎么教

如何開(kāi)展物理觀念教學(xué)是當(dāng)前中學(xué)物理課堂面臨的實(shí)際難題.不少教師反映物理觀念教學(xué)“不好操作”.筆者認(rèn)為，物理觀念是單元學(xué)習(xí)的預(yù)期結(jié)果；物理觀念教學(xué)重在理解；逆向設(shè)計(jì)為落實(shí)物理觀念教學(xué)提供了可行途徑.[10]逆向設(shè)計(jì)指導(dǎo)下的物理觀念教學(xué)，將教學(xué)目標(biāo)劃分為習(xí)得知能、理解觀念；富含真實(shí)情境的實(shí)作任務(wù)，可以有效地評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)結(jié)果；夯實(shí)物理基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)物理事實(shí)、物理概念、物理規(guī)律的歸納、概括，是通向物理觀念形成的進(jìn)階之路.

3.1 目標(biāo)確立：關(guān)注概念規(guī)律，指向物理觀念

核心素養(yǎng)框架下的物理教學(xué)，其目標(biāo)不能僅僅停留在知道事實(shí)性知識(shí)、掌握物理概念和規(guī)律，還應(yīng)指向理解物理觀念.基于此，物理觀念學(xué)習(xí)目標(biāo)可以分為習(xí)得知能、理解觀念和學(xué)習(xí)遷移.

(1) 習(xí)得知能.知能指的是物理學(xué)科的事實(shí)性知識(shí)、零散性技能、概念性知識(shí)等(以上這些知識(shí)往往會(huì)通過(guò)課時(shí)學(xué)習(xí)習(xí)得).了解、知道乃至熟練地掌握物理事實(shí)、物理概念、物理規(guī)律等是建構(gòu)物理觀念的基礎(chǔ).

(2) 理解觀念.“理解觀念”是將課時(shí)學(xué)習(xí)中習(xí)得的事實(shí)性知識(shí)、常識(shí)性技能、概念性知識(shí)，經(jīng)由推理、概括而得到的新的“意義”(即觀念)，通常以陳述句表述.在物理學(xué)科情景中，理解觀念指的是通過(guò)模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等認(rèn)知過(guò)程，建立物理概念性知識(shí)之間的聯(lián)系，對(duì)已經(jīng)習(xí)得的物理概念、物理規(guī)律進(jìn)行推論，從而產(chǎn)生物理觀念.

(3) 應(yīng)用遷移.學(xué)習(xí)遷移是指將習(xí)得的物理觀念應(yīng)用到新的問(wèn)題情境中的能力.在物理學(xué)科情景中，達(dá)到“真正理解”的學(xué)習(xí)者，能夠應(yīng)用物理觀念解決實(shí)際問(wèn)題.

以“電磁場(chǎng)與電磁波初步”主題為例，設(shè)計(jì)的教學(xué)目標(biāo)見(jiàn)表3.

表3 “電磁場(chǎng)與電磁波初步”主題的教學(xué)目標(biāo)

3.2 評(píng)價(jià)方案：一般測(cè)試之外，設(shè)計(jì)實(shí)作任務(wù)

逆向設(shè)計(jì)的第2步，是尋找評(píng)估預(yù)期學(xué)習(xí)結(jié)果的證據(jù).逆向設(shè)計(jì)認(rèn)為，實(shí)作任務(wù)是評(píng)價(jià)學(xué)生是否達(dá)到持久性理解、靈活應(yīng)用的恰當(dāng)證據(jù).實(shí)作任務(wù)(或稱(chēng)之為表現(xiàn)性任務(wù))是指仿照成人面對(duì)的議題和問(wèn)題編制的復(fù)雜挑戰(zhàn)；要求在真實(shí)的或擬真的情境中，解決多階段、復(fù)雜的學(xué)科內(nèi)或跨學(xué)科難題，可以充分反映和表現(xiàn)學(xué)生對(duì)包括意義理解、學(xué)習(xí)遷移等學(xué)科核心素養(yǎng)掌握情況.例如，在“運(yùn)動(dòng)與相互作用”主題學(xué)習(xí)中，可以設(shè)計(jì)如下實(shí)作任務(wù).

物理學(xué)史法庭開(kāi)庭審理亞里士多德“重物比輕物下落得快”的不當(dāng)言論一案，你作為亞里士多德的辯護(hù)律師，請(qǐng)撰寫(xiě)辯護(hù)詞，對(duì)其“不當(dāng)言論”進(jìn)行合理辯護(hù).

在“電磁場(chǎng)與電磁波初步”主題學(xué)習(xí)中，可以設(shè)計(jì)如下實(shí)作任務(wù).

停電了，家里有一個(gè)小燈泡，導(dǎo)線(xiàn)若干，磁鐵兩塊，可是家里的電池都用完了.我們?cè)撊绾斡檬掷镉邢薜墓ぞ咦岆姛襞萘疗饋?lái)呢？請(qǐng)你運(yùn)用產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件，設(shè)計(jì)電路和發(fā)電方法，讓燈泡亮起來(lái).

3.3 活動(dòng)設(shè)計(jì)：強(qiáng)調(diào)歸納概括，重視理解觀念

有效的物理觀念教學(xué)不僅要夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)，還應(yīng)圍繞“物理觀念”，設(shè)計(jì)“大問(wèn)題”、創(chuàng)設(shè)“大情境”進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì).有鑒于此，我們以“電磁場(chǎng)與電磁波初步”主題為例設(shè)計(jì)了物理觀念教學(xué)“雙向圖”，如圖3所示.

圖3 “電磁場(chǎng)與電磁波初步”主題的物理知識(shí)層級(jí)結(jié)構(gòu)與物理觀念教學(xué)思路

圖3中左側(cè)為“物理知識(shí)的層級(jí)結(jié)構(gòu)”，“自下而上”依次由物理事實(shí)、概念、規(guī)律不斷聚合，形成物理觀念；右側(cè)為“物理觀念的教學(xué)思路”，應(yīng)“自上而下”從單元教學(xué)設(shè)計(jì)的物理觀念基本問(wèn)題(大問(wèn)題)出發(fā)，依次設(shè)計(jì)規(guī)律基本問(wèn)題、概念基本問(wèn)題、事實(shí)一般問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生從物理事實(shí)、概念、規(guī)律中進(jìn)行歸納與概括，形成物理觀念(大概念).還需要說(shuō)明兩點(diǎn).

(1) 要注重物理概念、規(guī)律的教學(xué)，夯實(shí)物理基礎(chǔ)知識(shí).通過(guò)富有吸引力的教學(xué)活動(dòng)，使學(xué)生掌握扎實(shí)的物理基礎(chǔ)知識(shí)(包括物理事實(shí)性知識(shí)、物理概念性知識(shí))，是形成物理觀念的基礎(chǔ).物理觀念教學(xué)應(yīng)該“厚實(shí)其基礎(chǔ)”，我國(guó)優(yōu)良的物理教育傳統(tǒng)不能丟(圖中虛線(xiàn)框部分，多為課時(shí)活動(dòng)).

(2) 要有意識(shí)、有計(jì)劃地圍繞若干重要的“物理觀念”，設(shè)計(jì)“大問(wèn)題”、創(chuàng)設(shè)“大情境”進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì).“自上而下”的問(wèn)題驅(qū)動(dòng)是形成物理觀念的重要路徑.應(yīng)該以形成物理觀念的基本問(wèn)題為統(tǒng)領(lǐng)，將其向下分解為若干個(gè)形成物理規(guī)律、概念的基本問(wèn)題，通過(guò)基本問(wèn)題的驅(qū)動(dòng)，完成單元教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì).