提升科学素养，重视物理观念

张健 宋白珂 李春密

摘 要：本文通过分析科学素养的提出背景，提出了物理观念在科学素养中的重要作用，并从物质观念、运动观念、相互作用观念与能量观念的发展过程出发，论述了这四个核心物理观念的重要意义及如何在初高中教材中体现，最后对促进物理观念建构提出了几点建议与思考。

关键词：科学素养；物理观念；教学策略

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）4-0009-5

2012年3月，世界经合组织发表了《为21世纪培育教师提高学校领导力：来自世界的经验》报告。报告中介绍了“21世纪技能评估与教学项目组”汇集的来自世界各地60多个研究机构的250多名研究者的意见，指出21世纪学生必须掌握“思维方式、工作方式、工作工具和生活技能”这四方面的技能，并首次提出了“核心素养模型”。

我国教育部2014年4月印发了《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》（以下简称《意见》），提出了要“统筹各学科，进一步提升数学、科学、技术等课程的育人价值，加强学科间的相互配合，不断提高学生综合运用知识解决实际问题的能力”，而且明确提出了“研究制定学生发展核心素养体系和学业质量标准”。

北师大林崇德教授率领其团队开展符合我国国情的核心素养模型建构与研究工作，以核心素养为基础推动基础教育和课程改革。林教授指出：核心素养是学生在接受相应学段的教育过程中，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力；是关于学生知识、技能、情感、态度、价值观等多方面的结合体；发展核心素养指向过程，关注学生在其培养过程中的体悟，而非导向结果。林教授强调：核心素养主要是后天学习的结果，可以通过各教育阶段的课程设计与教学实施加以培养。鉴于此，中学物理课程对发展学生核心素养的贡献就是提升其物理科学素养，物理科学素养是物理学科教育价值的集中体现。

1 物理核心素养与物理观念

1.1 物理核心素养

物理核心素养是学生科学素养的重要组成，是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，也是学生通过物理学习培养起来的带有物理学科特性的品质，这种心理品质决定了学生面对物理问题时的行为表现。物理核心素养主要包括：物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。

1.2 物理观念

物理观念是物理世界在人脑中留下的概括的形象，是物理概念和规律在头脑中的提炼和升华，是人对物理世界的根本认识，是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。物理科学的发展，最集中地反映在物理观念的变更上。经典力学建立的基本观念是机械论的物质观念和时空观念；电磁场理论的基本观念是媒介作用的场的观念；相对论则提出了依赖于物质和运动的空间和时间、相互联系的质量和能量、任何参照系对于物理定律的描述都是有效的等基本观念；量子理论的发展，提出了微观现象不连续的量子化观念、波粒二象性观念，采用具有几率意义的波函数作为运动状态的描述，等等。物理观念的更新与发展，一方面不断加深了人们对自然的认识，使物理科学向着客观世界的终极真理无限逼近；另一方面也在不断修正人类对于自然的直觉认识，使物理科学逐步摆脱有限的直觉约束而形成研究范围愈来愈广的科学体系。

物理观念是物理核心素养的内核，在物理科学体系中占有重要地位。美国物理教育家霍尔顿曾形象地对此进行描述，他用三维坐标系来说明物理科学中的三个主要因素及其相互关系。x轴表示经验事实的叙述即经验叙述维度，y轴表示逻辑和数学的演算即分析表述维度。如果只局限在xy平面内考虑，概念可以看成是xy平面上的诸点，规律可以看成是xy平面中的线。例如，力的概念，力可以定性地被人发现，也可以被定量地测量，因此力在x轴上是有意义的；力的计算符合平行四边形定则，因而在y轴方向上也是有意义的。“但要理解科学，研究科学，必须走出xy平面”，科学中还有第三个要素——z轴，霍尔顿称其为“选题”，即指物理观念。在这个三维“空间”中，概念和规律分别被看成是三维空间中的点和线，它们是物理观念在xy平面上的投影。不同的物理观念即不同的z轴对同一物理现象会作出不同的解释。例如，关于力，亚里士多德观念说力是维持物体运动的原因；伽利略-牛顿观念则说力是改变运动状态的原因；现代物理观念则用四种基本相互作用来解释力。

中学物理学习内容中的物理觀念同物理学史中的各种物理观念既有区别又有联系。物理学习中学习的观念是物理学发展史中形成的观念，学生在学习中，物理观念的革新与进阶认识同物理学发展中观念的演变往往具有对应性。但是，没有必要让学生对物理观念的认识也重复一遍历史上观念的演变过程。因此，在教材编写或教学实践中可以通过改变学习内容的呈现次序来避开已经陈旧了的物理概念。比如，我国现行教材中就避开了“以太”的概念。鉴于社会发展需求和中学生的学习特点与认识水平，新课程改革在物理观念中提出“物质观、运动观、相互作用观和能量观”，以这四种观念为核心开展概念的进阶教学，初高中教学一而贯之。

2 物理观念的内涵理解

2.1 物质观念

物理学研究自然界最基本的物质结构与最基本的运动规律，对于物质的研究包括物质的结构、物质的存在形态与物质的运动等。

“物质结构之谜”是物理学亘古的课题。早在周代，我们的祖先就提出“五行”说，认为世界万物由金、木、水、火、土五种物质原料构成；战国时期的老子又提出了“阴阳”学说，至汉代唯物主义哲学家王充进一步提出了“天地合气，万物自生”的元气说，把元气看成宇宙万物的本源。古希腊哲学家泰勒斯认为水是宇宙本源，赫拉克利特则认为是火的变化产生了万物。古希腊哲学家德谟克利特提出了“原子说”，认为宇宙万物由大量微小物质粒子构成的，这种粒子被称为“原子”。它们性质上没有差异，只有形状、大小的不同，原子是守恒的。同时提出原子在“虚空”中向各个方向运动，互相碰撞、互相结合，形成世界万物，这种原子说虽然不完善却对现代原子论产生了很大的影响。直至19世纪初，道尔顿引入化学元素原子量的概念，明确提出了原子的质量（原子量）是最基本的特征。自此，近代原子论真正建立起来，对物质结构的认识进入一个新阶段。到19世纪末，卢瑟福发现了阴极射线，英国物理学家J·J·汤姆逊巧妙测定出阴极射线在磁场和电场中的偏转度，求出这种粒子的荷质比并命名为“电子”。电子被发现后，人们开始对原子的结构进行探索，1904年汤姆逊首先提出了“葡萄干枣糕模型”，1911年汤姆逊的学生卢瑟福设计了α散射实验，据此提出了原子的核式结构模型。但是，核模型不能用经典理论分析，1913年玻尔提出了轨道量子化假说进行修正。既然原子是可分的，是由原子核和电子组成的，那么，人们自然会想到原子核是不是也是可分的呢？1919年卢瑟福发现了质子，1932年查德威克发现了中子，中子的发现标志着人们完成了对物质原子核层次的基本认识。随着高能粒子加速器的发明，人们开始向粒子世界进军，迄今为止已经发现了40余种基本粒子，包括电子、光子、中子、质子、反中子、中微子、π介子等。1964年，美国物理学家盖尔曼提出了夸克模型，认为基本粒子也不是物质结构的最终实体，基本粒子是由夸克组成的，寻找“自由的夸克”是物理的前沿课题。物质结构的探索伴随着物质观念的发展与革新，物质观念是我们分析和解决物理问题的出发点，从这个意义上讲，物质观念是物理观念的核心。

物质形态从实物粒子到场，并认识到场是一种特殊的物质且具有能量和动量，是一次飞跃。表1列举了初高中物理教学中物质观念的具体内容。

2.2 运动观念

描述物体的运动并发现运动规律是物理学的重要任务之一。在运动的描述过程中伴随着对时间、空间、参考系的认识的深化，即时空观的发展。

早在亚里士多德时代就提出每个物体都有自己的天然位置，重的下落、轻的上升是自然运动，天体绕地球的圆运动也是天然运动，其余运动则是强迫运动。惠更斯对摆的运动和圆周运动进行了研究，提出了向心加速度的概念；伽利略通过逻辑推理与实验结合研究了落体运动及其规律，提出了瞬时速度、位移等概念并定义了匀变速直线运动。牛顿在前辈研究的基础上，提出了力的概念并总结了力与加速度的关系，说明力是改变物体运动状态的原因。哥白尼提出日心说，改变了人们千年的宇宙观，布鲁诺为真理殉道，探索天体运动的奥秘成为当时的焦点。第谷用眼观天20多年，积累了大量的资料，其学生开普勒通过对资料的分析得出了行星运动的三大定律。胡克、哈雷等曾对行星运动的原因进行探索，直到牛顿通过月地检验提出万有引力定律，将地上物体的运动与天上物体的运动统一起来。牛顿还认为存在各向同性的“绝对空间”、均匀流逝的“绝对时间”，物体初态一旦确定，根据运动定律，物体在任意时刻的位置、速度都是确定的，这就是机械决定论。马赫最早批判了牛顿的绝对空间与绝对时间。爱因斯坦建立了狭义相对论后否定了以太的存在，同时也就排除了优越参考系，各个惯性系是平权的，狭义相对论提出了新的时空观念。

在运动的描述中总结运动规律，探讨运动背后的原因，这是对变化类问题的一般化研究方法，可以将这种科学方法迁移到社会现象的研究中。表2列举了初高中物理教学中运动观念的具体内容。

2.3 相互作用观念

自然界中物质间存在着普遍的联系与相互作用，人们对于物体与物体之间的相互作用经历了从直觉观察到思辨分析、从宏观世界到微观世界、从实物到场、从超距作用到近距作用等观念上的重大转变。

牛顿在《自然哲学的数学原理》前言中写道：“我奉献这一作品，作为哲学的数学原理，因为哲学中的全部责任似乎在于——从运动现象中去研究自然界中的力，然后从这些力去说明其他现象。”牛顿本人正是践行这样的研究思路提出了牛顿运动定律，并发现了万有引力定律。牛顿以后的四百年来，物理学家们从各种自然现象中，寻找支配这些运动现象的力。目前，物理学界公认自然界中存在四种基本相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用与弱相互作用。

在宏观世界里，引力与电磁力显示作用。引力是所有物体之间都存在的一種相互作用，是通过引力场实现并传递的，引力定律支配着天体的运动。对于微观世界，因为引力常量G很小，引力相互作用可忽略。电磁相互作用是一切带电粒子或具有磁矩的粒子之间的相互作用，通过电磁场这一媒介相互作用，电磁力是一种交换力，光子是交换子。引力和电磁力都是长程力，从理论上说，它们的范围是无限的。但是，电磁力比引力弱得多。宏观物体间的相互作用，除引力外，所有接触力都是大量原子、分子之间电磁相互作用的宏观表现。

弱相互作用和强相互作用是短程力，作用范围在原子核尺度内。强相互作用只在10-15 m范围内有显著作用，弱相互作用范围不超过10-16 m。弱相互作用是在原子核的β衰变中发现的，核子（质子、中子）、电子和中微子等参与弱相互作用。强相互作用是介子和重子（包括质子、中子）之间的相互作用，因为这种力把核子束缚在一起，核物理学家又把它称为核力。

尽管四种相互作用差别巨大，物理学家正在积极寻求它们的统一。弱电统一理论已经建立并被实验证实，弱、电、强的大统一理论则是物理学家目前的努力方向。

在高中物理教学中，应该帮助学生认识并理解四种基本相互作用及其作用方式、作用特点，运用物质间相互作用的机制来理解物质世界的存在、发展和演化，运用相互作用的观点去思考运动现象，发现隐含在现象背后的规律。表3列举了初高中物理教学中相互作用观念的具体内容。

2.4 能量观念

能量是物理学乃至整个自然科学领域最核心的概念之一。从机械运动中提出了动能的概念，从流体研究中提出了重力势能；通过对热现象的研究提出了内能的概念；通过对电场和磁场的研究与物质性的认识，提出了静电能、磁场能、电磁场能，这是对能量认识的进阶发展。自然界存在不同形式的能量，能量总量保持不变，这就是能量守恒定律。

能量守恒定律是隐藏在自然界各种形式运动与不同类型相互作用背后的支配规律，自然界一切物理过程的发生必须遵从能量守恒定律，违背能量守恒的现象是不会发生的。能量守恒定律是人类对自然规律认识的又一次飞跃，是指导人类探索自然的方法论与新视角。在高中阶段应该能够运用能量的观点对物理现象、自然界的运动与变化进行分析。表4列出了初高中物理教学中能量观念的具体内容。

3 物理观念发展水平及教学策略

物理观念的形成经历了从学习理解、应用实践，到迁移创新的发展过程，这三个维度的发展存在重叠，因此以“整合”思想为主线确定了物理观念学习水平的大致划分和描述。

水平1 知道一些与生活密切相关的物理概念；能提取简单情景中的直接信息，与相关的物理概念直接对应。

水平2 了解重要的物理模型、概念与规律，能够在熟悉的情境中运用；能对常见的物理现象进行简单解释。

水平3 能够说明重要物理模型、概念和规律的内涵、外延、适用范围和条件；能运用物理学视角解释现象、进行有序地推论预测。

水平4 能关联整合物理模型、概念和规律，对综合问题、真实问题进行分析与推理判断，获得结论并解释；能把已学习的知识和方法迁移到陌生情境中解决问题。

水平5 能综合运用物质观念、运动观念、能量观念和相互作用观念，经历系统的科学推理，解释自然现象；能在陌生环境中构建恰当的物理模型，解决实际问题或创意设计。

通过高中物理教学，应帮助学生形成物质观念、运动观念与相互作用观念、能量的观念，并能够从经典物理到近代物理中体会物理观念的发展与变化；能够从物理学的视角正确描述和解释自然现象，综合运用所学的物理知识解决实际问题；能有效地指导工作和进行生活实践。

物理观念的形成于教学中的渗透，基于进阶理论的教学设计是一种有效手段。在教学中注重从学生已有认识入手，循序渐进地教学，逐渐渗透物理观念，使学生体会观念的生成与发展。要创设能给学生提供支撑性的事实经验的真实情境；要引导学生经历概念的建构或探索规律的完整过程，促进能力的发展与知识体系的建构；最后，要让学生解决真实的物理问题，并从中认识物理学的价值与社会、生活、科技间的联系。

参考文献：

[1]林崇德.21世纪学生发展核心素养研究[M].北京：北京师范大学出版社，2016.

[2]梁树森.物理学习论[M].南宁：广西教育出版社，1996.

[3]霍尔顿.张大卫，译.物理科学的概念和理论导论（上）[M].北京：人民教育出版社，1983.

[4]郭玉英.基于学生核心素养的物理学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2017.