物理核心素养研究: 物理知识与物理观念

罗 莹

(北京师范大学物理系，北京 100000)

21世纪以来,世界各国的基础教育都进入到改革新阶段．2013年,美国《新一代科学教育标准》NGSS正式颁布．基于学习进阶发展的表现,使科学课程的3个维度——实践、共通概念和核心概念紧密联系、相互促进,从而将以往的科学课程线性、零散、互不相关的内容组成系统的、相互联系的体系,并使之与社会生活领域息息相关．

在我国,新近修订的高中《物理课程标准》将现行高中物理课程的三维目标提升至物理核心素养,明确提出了高中物理课程应在义务教育的基础上,进一步促进学生物理核心素养的养成和发展．物理核心素养是物理学科育人价值的集中体现,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关键能力和必备品格,主要包括“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”、“科学态度与责任”4个方面．显而易见,现行高中物理课程目标中的“知识与技能”维度被物理核心素养中的“物理观念”、“科学思维”等涵盖．由此就产生了新的问题:物理知识和物理观念是等同的吗?它们有什么区别?在物理教学中如何进行物理观念教学?这些问题都是目前物理教学中亟需解决的问题．本文在仔细辨析知识与观念概念的基础上,分析了物理知识与物理观念的区别与联系,探讨了中学物理教学目标从物理“知识与技能”等提升至“物理观念”的意义与实施,以期对物理教学中培养与提升学生的物理核心素养以有益的启示．

1 知识与观念

对于什么是知识,上海辞书出版社2014年出版的《大辞海》一书给出的界定为:知识是储存在人脑中的,用于完成已习得任务的任何信息及其构成的各种复杂的网络结构．知识在个体与环境的相互作用中,通过不断的构建和重构过程获得并得以重组和精致化．知识一般可分为陈述性知识和程序性知识．[1]也可以概括为知识是人类认识的成果, 是在实践的基础上产生又经过实践检验的对客观现实的反映．[2]美国哈佛大学社会学家贝尔在《知识的规范》一书中,将知识定义为一组对事实或概念的条理化阐述, 可表示一个推理出来的判断或者一种经验结构, 也可以通过某种信息工具以某种系统的方式传播给其他人．[3]从这些文献对知识的论述可以看出, 知识可以视为理性化了的人类经验, 是人类理性认识的结果;是对一系列相关的事实的条理化、重组与阐述．

对于观念,《大辞海》给出的表述为:是思想意识,是客观事物在人脑里留下的概括形象．[4]也就是说,观念属于思想意识范畴,是客观事物在人们头脑中留下概括的形象与表象,是对事物或客观世界一系列系统观点的总称,是多个、彼此相关观点的集合．

比较知识与观念两个概念可以发现:知识往往与事实相联系,而观念则与观点相联系．众所周知,事实与观点是日常生活中常常碰到的两类不同的事物,它们之间既有区别,又有联系．对事实、观点、知识和观念这4个概念间的区别与联系进行分析研究,是理解物理知识与物理观念之间区别与联系的基础．

对于事实这一概念,《大辞海》的表述为:事实有两种含义,一是指事情的真相,另一是事情的确实所在．[4]百度百科表述为:事实是事情的真实情况,包括事物、事件、事态,即客观存在的一切物体与现象、社会上发生的不平常的事情和局势及情况的变异态势．概括来说,事实是事物、事件等的客观存在,其特点是能被证明真假,经常被作为证据．

从前述对知识、事实的分析与讨论可知:一般情况下,知识可以看作是一系列相互联系的、具有内在结构的事实形成的,也就是说,事实或对于事实的描述(概括)可以通过条理化、重组提炼后形成知识,图1所示的就是事实与知识的关系．从这个意义上讲,知识更具有客观性,因为事实是客观的;知识也具系统性和内在的结构性．

图1 观点、事实、观念、知识关系示意图

对于观点,《大辞海》的表述为:观点有两个含义,一是观察事物时所处的位置或采取的态度,二是指对事物或问题的看法．[4]百度百科表述为:观点是观察事物时的立场和出发点．可以概括为,观点是表达一种信念、感觉、看法的陈述,其特点是:观点无须证明．

从上述对观点和观念这两个概念的分析可知,在一系列相关的观点基础上经对其的概括提升构成的体系,就是观念．也就是说,观念是对一系列、相关的观点进行提炼概括形成的,图1反映了观点与观念的关系．从这个意义上讲,观念是主观的,因为观点更具有主观性．

总体上来看,观点、事实、观念、知识间的关系可以概括为图1所示．

若不能分清观点与事实,就会引起争论．因此,辨别事实和观点,学会用事实支持观点,是进行论证与深度思考的基础．同样,辨别知识与观念,深刻理解知识与观念的区别,对于物理观念教学也是非常重要的．例如:在中学物理教学中,学生即使能够依据物理知识计算出飞机起飞的加速度约为4 m/s2、推断出起飞后1 s时的速度为4 m/s,人起跑加速度约为7 m/s2、起跑后1 s时的速度为7 m/s,尽管计算结果显示人的起跑速度明显快于飞机,但当生活中被问到:“飞机和人相比,谁起跑得快”时,学生通常还会回答是“飞机”．这一现象表明,即使学生学习了物理知识、学会使用物理公式估算飞机和人分别从静止开始运动后1 s时的速度,且此时人的速度几乎接近飞机的2倍，但是学生头脑中对飞机和人运动快慢的观点,仍然停留在生活中飞机比人运动得快的认识上．这一示例不仅明确显示出物理知识与物理观念的区别、辨别知识与观念的重要性,而且显示出让学生树立正确的物理观念比让学生学会物理知识更加困难．因此,课标的修订将物理观念作为新课程标准课程目标的重要原因就在于:通常来说,知识的遗忘程度是很高的,而观念却不是．一旦学生树立了正确的科学观念,对于学习与行为更具有方向性的指导意义,更能够影响学生终身的学习与发展．

2 物理知识与物理观念

物理知识是人类用物理的思想、观点和方法在描述和研究物质世界的变化规律过程中所获得的认识和经验的总和,是对物质世界的描述,由众多的物理事实组成的,包括物理概念、物理规律和物理理论等．因此,物理知识具有以下特征．

(1) 从某种意义上讲,物理知识具有客观性．物理知识反映的是物质世界,不依赖于人的主观意识,由客观的物质世界决定．(2) 物理知识具有内在的逻辑与结构．例如,物理学是由经典物理和现代物理构成．(3) 物理知识是随着物理学的发展而不断变化的．

对于物理观念,研究者从不同角度对其进行了界定,其中有代表性的如下.

(1) 物理观念是人们对物理现象和物理过程形成的认识和看法,是对物理现象和过程的理性认识,即学习主体头脑中形成的物理概念和物理规律．

(2) 物理观念是物理学家经历长期的实践和理论研究,概括总结出的对物理世界的根本认识．这种认识指导人们继续解释不同的现象并预言其发展规律,随着物理学科的发展而发展．[5]

(3) 物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动、能量和相互作用等的基本认识,主要包括物质观、时空观、能量观、相互作用观,[6]是从物理学视角形成的关于物质、运动、能量和相互作用等的基本认识,是物理概念和规律在头脑中的提炼和升华,具有范围广、概括度高的特征,具体表现为运用物理思想、观点和方法看待、认识事物,处理和解决问题的意识和习惯．[7]

分析和比较对物理观念的不同界定可以发现,物理观念可以概括为物理学家在长期的理论和实验研究中所获得的基本认识,是在科学实践中被证实正确性的认识,是公认的、正确的对物理世界的根本认识．物理观念通常包括物质观、相互作用观、能量观、时空观等．

物理观念具有以下特点:一是主观性．物理观念是物质世界在人头脑中的反映,在加工、沉淀过程中必然要受到认识主体的知识水平、认识能力及其倾向、嗜好兴趣等主观因素的影响,进而打上认识主体的烙印．这就使得物理观念具有主观性．二是物理观念有内在的结构．物理观念是认识主体对物质世界的认识在头脑中的固化．物质世界是有层次的,反映物质世界的物理观念也是有层次的．例如:物质世界中有宏观和微观世界,相应的物理观念则有对应于宏观世界的微粒观与波动观、对应于微观世界的波粒二象观;物理世界是有结构的,反映物质世界的物理观念也是有结构的,表现在物理观念是以核心观念来构建结构的．如:物理学中重要的观念——能量观,它由对能量存在的形式、能量的转换、能量守恒及其能量变化等问题的看法与观点所组成．这些观点相互关联、彼此互为支撑,形成能量观的内在结构．由此可见,物理观念的结构由组成其的物理观点形成,这些物理观点彼此密切相关,构成物理观念的内在结构．三是物理观念具有变化性,例如：人类对宇宙的观念经历了从地心说到日心说,再到宇宙无中心说．

物理观念是物质世界在人头脑中的反映,是与客观世界相符合的、被公认的正确观念,具有一定的客观性,但人们对物理世界的看法或观点却是主观的．在这些看法或观点中,有些与客观世界相符合、是科学的,有些则与客观世界不相符合、是错误的．人们对物理现象和物理过程形成的认识和看法均被称为物理观点,因此在物理观点中,既有正确的、科学的,也有错误的、不科学的．那些科学的、正确的物理观点能够形成具有系统和内在的逻辑结构体系,将这些体系进行概括、提升后就形成了物理观念．它是人们对物理世界的根本认识,是物理学家经过长期的研究与实践所获得的、是与物理知识不同的体系．如,物质观、能量观．

通过分析与比较物理观念与物理知识,可以看出它们既有明显的区别,又有密切的联系．物理学的发展历程表明,尽管物理观念与物理知识是不同的,但物理观念与物理知识总是相互影响、相互作用．例如:在物理学发展过程中,人类对于时空的认识有两类不同的看法．一个是牛顿的时空观,另一个是爱因斯坦的时空观．在这两个时空观下,牛顿与爱因斯坦分别创立了不同的、反映物质世界的物理知识体系．牛顿建立的是牛顿力学,爱因斯坦建立的是相对论．对物理学的研究对象——物质个体的特征,将其看成了微粒、波或波粒二象性,其他的物理学家在时空观和对物质个体特征看法的基础上,创建了经典物理学和相对论量子力学等物理学理论,如表1所示,从而极大地丰富了物理知识的宝库．

表1 时空观、物质观对应的物理理论

表1显示,粒子概念为牛顿力学所拥有,而波的概念为电磁学所覆盖．粒子与波是相互排除的,明确而不能混淆的．正如将一块小石头投入水中,水波从石头的投入点向外传播,石头和水波显然是两类不同的世界,但都可以从一个地方向另一个地方输送能量与动量．粒子不具有空间叠加性,而波则具备空间叠加性,具有区别于粒子特征的干涉与衍射现象．

在经典物理中,电子的行为与粒子一样,具有电荷和质量,用动量与能量来描述．但在微观世界,一些物理实验说明电子的行为与粒子的特性相同,如电子在电场中的运动行为;还有一些物理实验说明电子与波的行为特性相同,如:电子的衍射实验．此外,物理实验也显示出电磁波具有粒子行为(如康普顿散射实验),因此物理学中引入了关于物质世界个体特征的另一种观点,波粒二象性观,也就是说,微观世界的个体既具有波动性,也具有粒子性,相应的研究微观世界的物理学在牛顿时空观下是薛定谔量子力学,而在爱因斯坦时空观下则是狄拉克量子力学,如表1所示．这3个对物质世界个体特征的观念与其它对物质世界体的看法(或观点),一起组成了物理学中的物质观．

由此可见,物理观念具有主观性,是人类对物质世界根本的认识与看法,是能够被物理学所证实的、正确的、科学的;而物理知识则更具有客观性,是人类对物质世界描述,更是必须被物理实验所验证、是科学的、正确的．显然,物理观念与物理知识具有密切联系、相互作用、相互影响,可用图2来表示物质世界、物理知识、物理观念的层次关系．物理观念是人们对物质世界的根本看法与认识,需要由物理知识来支撑物理观念,借助物理知识来证实物理观念科学性与正确性;物理知识与物理观念之间具有一定的对应关系,物理知识的结构与变化密切影响着物理观念的结构与变化,反之物理学家对物质世界的看法(物理观念)也可以指导物理知识的发展．正如,爱因斯坦坚持了他对时空的看法,才创建了相对论．

图2 物理观念、物理知识与物质世界关系示意图

综上所述,物理观念是在物理知识的基础上建立的,每一个物理观念都对应于相应的物理知识体系．因此,没有物理知识支持的物理观念是没有生命力的．此外,物理学的发展史也显示出物理观念能够促进与引导物理知识的发展,因为物理观念覆盖人类关于物质世界的总的看法．具体到中学阶段,重要的物理观念包括物质观、能量观,及其运动与相互作用观,而支撑这些物理观念的是中学物理知识．

3 物理观念教学的意义与实施

现行中学物理课程目标是“知识与技能”、“过程与方法”、“情感、态度与价值观”三维目标,新近修订的高中《物理课程标准》围绕着物理核心素养设定了4方面的目标,分别是“物理观念”、“科学思维”、“科学探究”和“科学态度与社会责任”．显然,原有三维目标中的“知识与技能”维度的内涵,被“物理观念”、“科学思维”与“科学探究”所覆盖,其中“物理观念”覆盖了物理知识的内容．因此,中学物理教学应该将现行的、围绕知识与技能进行的教学提升至物理观念教学．而要达成这一目标,就必须从以下方面着手．

3.1 正确认识在中学物理教学中引入物理观念的意义

从物理观念与物理知识的区别可以看出,现行中学物理教学是物理知识层面的教学．要实现物理观念教学,应对现行物理教学目标进行扩展,将其提升至物理观念层面．值得注意的是:物理观念教学应建立在物理知识教学之上,不应排斥物理知识教学,因为物理观念需要物理知识来支撑,物理观念和物理知识的结构与体系密切相关．中学物理教学目标从物理知识到物理观念的转变,对中学物理教学来说无疑是一个新课题．比如,所讲授的物理知识(物理概念与物理规律)与哪些物理观念相对应、这些物理知识如何支撑对应的物理观念;以及物理观念内在的结构和体系是怎样的,支撑它的物理知识间具有怎样的结构与体系?等等．这一系列问题均需要进行深入研究．

以能量观为例．物理教学研究发现学生关于能量的前概念非常之多,例如:有些学生认为“能量”就是“力”,因为人吃了饭才有力量;一些学生同时混用“能量”、“力”以及一些运动来表现能量概念．前概念与学生的生活经历,认知水平及其个性发展相关．要让学生建立正确的能量观念,首先需要做好以知识为载体的能量概念教学,让学生正确理解和掌握能量概念,这是物理观念教学的起点．教师需要明确能量观念由哪些与之相关的观点组成?能量虽然可以感受,但看不见,摸不着,因此,能量观念教学的首要问题便是要回答:能量是什么?答案是:能量是做功的本领、物质等,由能量的形式与其转化等物理知识来支撑这一观点．其次,教学中还要回答能量存在于什么地方,有什么形式?由动能、势能、光能等物理知识来支撑能量存在于物质中、且有不同的形式．第三:能量怎样变化?由能量守恒定律来支撑能量可以在不同的形式间转化,但总量一定,不能产生、也不能消灭．由热力学第二定律来支撑不同形式的能量间不能随意转换,转化具有方向性．这些物理知识支撑着能量是如何变化的能量观．

除以上3个主要观点外,还有能量存在的形式有多少种,人类全部都找到它们了吗?还是目前只发现了一部分?这些关于能量的观点形成了能量观的内在结构,从而组成了整体的能量观．显然,只有深入研究每个物理知识点背后的物理观念及其相应的物理观点,才能够确定合适、科学、正确地提升每节物理课的物理观念教学目标．

3.2 重新定位中学物理教学 “教会”与“学会”的标准

新近修订的高中《物理课程标准》将物理观念作为课程的重要目标之一．这是因为,物理观念是根植于人们的头脑中的,即使遗忘了物理知识,但相应的物理观念仍能长存在于学生的头脑中,并影响他们对于世界的看法、行为和解决问题方式．因此,物理观念教学不应以课堂上是否“教会”与“学会”物理知识为标准,而应给出新的、更加全面科学的标准．

进行物理观念教学需要关注每个学生的文化背景、生活经验、认知水平和认知方式,从学生的“已有水平”出发,将已有的知识和经验作为新知识的生长点和建立物理观念的起点,采用最合适的教学方法引导和帮助学生建立物理观念、构建物理观念体系．教师“教会”的标准也应改变为以学生是否接受物理观念,并能用自己建立的物理观念看待自然和生活中的现象、指导其行为,也就是学生应能像物理学家一样用物理观念解释现象和解决物理问题．

同样,对于学生的“学会”也不应以是否学会物理概念和规律,前概念是否消除为标准,而应给予新的标准:学生是否会用物理的观点来看待自然和生活中的现象;是否能主动用物理观念对物理现象进行解释;在分析和解决问题时,是否能够正确提取物理课程学习的、在其头脑中形成的物理概念和知识体系,并能在物理观念的指导下正确和创造性地使用．显然,“会教”和“学会”的新标准是提高物理课堂教学质量,实现培养和发展学生的物理核心素养的课程目标．

3.3 在中学物理教学中恰当引入考查物理观念的测评方式

进行物理观念教学,必须建立与物理观念教学相符合的测评体系．因此,就需要在现有以知识与技能为主要内容的中学物理测评体系中,增加与物理观念相关的测评．

一是引入开放性题型．目前的物理考试采用的题型大多是选择题、填空题和计算题,这些题型都属于封闭题型,试题均有正确的、科学的、唯一的答案．这种具有唯一性答案的物理试题显然不适合对于学生物理观念的探知．因为学生对同样的事物或现象的看法是多样的、复杂的,学习过程中对于物理现象和物理问题的看法同样也是多样的、复杂的．要想全面了解和探知学生的物理观念,就需要引入能够对于同一问题有多种答案的测评工具,也就是要引入开放性试题．

二是引入形成性测评．与终结性评价相比,形成性评价更加关注学生学习过程中的表现,以促进学生的全面发展,发现和挖掘不同学生的潜能,促进学生的个性化发展;更加尊重学生的差异和成长规律,通过学习过程的测评与指导,使不同层次的学生都能树立自信心、不断进步;更加重视突出学生的主体地位,让学生参与到评价过程中,激发学生的内驱力,从“要我进步”变为“我要进步”,发挥学生的主观能动性,提高学习的效率,实现学生更好更快的发展．与形成性测评特点相匹配的手段与方式多种多样,例如访谈、问卷调查等,这些测评多是开放性的,以探查被试的真实想法为目的．同时形成性测评以学生物理学习过程的表现为测评期间,其测评结果更能反应学生的真实状态,更有利于测查学生物理观念的形成与变化．只有这样,才能实现对学生物理观念的测评,并将中学物理教学从以物理知识为主的教学提升至物理观念教学的高度．