物理观念建构的方式和途径

蔡铁权 郑瑶

摘   要：高中物理教学中达成物理观念培养的目标，可行的教学方式有隐性教学和显性教学，对此提出了教学结构并作了阐述。适切的教学途径有顺次教学和逆溯教学，对其教学的基本环节和关系也作了论述。根据高中物理课程标准和高中物理教科书，对上述方式和途径作出了示例并提出了教学建议。

关键词：学科核心素养;物理观念;教学方式;教学途径

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）6-0010-5

在以前的几篇文章中，我们已经论述了物理观念的物理教育价值，物理观念的历史演进，物理观念的层次、架构等。因此，物理观念有效的实施问题就提到日程上来了，即需要寻求物理观念教学适切的方式和途径。这种探究基于这样几方面的思考：物理观念的形成需要学生在深刻理解概念、规律、原理的基础上，概括、提炼、升华而成;绝不是口号式的呈现，形式主义的标示，而是融入心灵的感悟，这是一个复杂的、长时期的渐进过程。物理观念相对于一般概念是一种上位概念，是综合的、交叉的、多元的，不可能简单地传授和灌输，需要在复杂的情境中建构而成。物理观念具有不同的层次，而且要有历史的视角，要从哲学的层面去深度认知，这对教学提出了明确的全新的要求。基于这样的认识，我们提出物理观念教学的方式可以有隐性方式和显性方式[1]，教学的途径可以有顺次途径和逆溯途径，下面对此作出论述。

1    隐性的教学方式

隐性方式是一种“润物细无声”式的潜移默化，是一种渗透。根据物理观念的架构，按照学生的认知规律，凭借高中物理教学内容的结构，步步深入，水到渠成。在思维的培养、探究的进行、科学本质的理解中，自然地领悟到物理观念的真谛。在这过程中教师并不是有意地、明显地揭示或强调物理观念的名称和相關概念，更不是形式主义地反复诱导学生机械地得到结论，反复不断地呈示观念的内容。

高中物理教学是不能脱离高中物理教科书的，也不能置高中物理课程标准于不顾，但这两者并不是用来束缚实施物理观念教学的，而是我们必须充分依赖以及遵从的。教科书的编撰一方面固然不能脱离课程标准的指导，这自然地要努力体现学科核心素养的目标。作为教科书，物理学科知识内在的逻辑结构是严密而有序的，物理学科的科学规律也是不能违背的，不同学段学生的认知水平和认知特点也必须体现。物理观念的形成过程有历史演进性[2]，这种演进性和物理学的发展有内在的相关性，也与学生的认知过程有一定的拟合。尽管物理观念是复杂的，对物理观念的深入理解也是不容易的，学生形成物理观念也不可能一蹴而就，一步到位，甚或一劳永逸。但是，教科书的编撰依据课程标准的目标，为物理观念的教学实施提供了材料与路径，两者是可以统一的。这种统一，是需要教师对教科书实行二次开发，正确阐明教学目标，适当选择单元学习主题，合理进行课堂教学活动设计而达到的。例如运动观念，在高中物理一开始学匀速直线运动时，是不可能在这时就形成运动观念的，也不适宜在这时就向学生呈示运动观念，而只能是指向运动观念，为学生的思维活动指明方向，隐含运动观念。有关具体的教学策略，我们拟另行撰文阐述。

2    显性的教学方式

显性方式是指在高中物理教学时，明确地呈现出这种物理观念的名称，阐述其内涵，表述其特征，讲解其应用的条件、范围和方法。也就是教师公开宣称这是一种物理观念的教育，学生处于有意识、有目的的学习和探究物理观念的状态。物理观念的教学完全是外显形式的，明确地彰显出来的，因此称之为显性的教学方式。

令人遗憾的是，物理观念的形成或在物理学发展史上的演化过程，并不与教科书编写的物理学知识的逻辑顺序吻合得天衣无缝，也就是说，物理学的发展不是按照严格的逻辑进化的。正如日本著名的物理学家汤川秀树（Hideki Yukawa）所坦言的，那些探索未知世界的人是不带地图的旅行者，地图是探索的结果。他们不知道目的地的方位，笔直通向目的地的路尚未开辟……在我们到达目的地后，我们才会说：“我们走过艰难的道路才到达这儿的！”事后找出捷径并非难事[3]。教科书的编写，为了简明，为了知识逻辑的严密和顺理成章，是用“捷径”来呈现的，使用的是事后诸葛亮的高明手段，这对形成学生真正的物理观念的过程和形象是背离实际的，但这恰恰是符合教学的原则和需要的。物理观念的得到，本应该是从“隐”到“显”，从未知到已知，从混沌到清晰，是自然而然的结论，这是隐性方式的实践依据。教科书编制的“捷径”模式，却是反其道而行之，而这样做，倒是符合学生的认知规律，容易被理解和接受。显性方式的不足是，学生一时无法比较深刻地理解物理观念，又只能是点到为止，然后将观念用于实际物理问题的分析和解决，在此基础上，反过来加深对物理观念的认知。例如量子观念，一开始就对量子观念的形成、特征、基本内容作简明的介绍，并需要学生形成初步的量子观念，然后去解释、解决具体的物理问题，而且在此后的全部学习内容中都是要对量子观念时时呈现、不断强调的。

隐性教学方式与显性教学方式并不是对立的，而是相互交叠的。由于物理观念形成的复杂性、长期性，有的物理观念的最终完整的形成，是在高中物理学习结束时才可能。因为这种观念会贯穿在力学、热学、电磁学、光学和原子物理学中，例如能量观念、相互作用观念。因此，不是说隐性方式是一直深藏不露、不动声色，显性方式也不是一见面就亮出底牌，这种运用之妙就取决于物理教师的教学智慧了。

3    顺次的教学途径

我们在《物理观念的内涵、层次和架构》一文中，对物理观念的教学构建了具体的活动结构。其基本思路是在事实经验的基础上，运用各种方法和手段形成相关的物理概念、规律和原理，然后对有内在紧密联系的、特征相似的内容结合而形成核心概念，在一系列规律相同、本质一致的核心概念中，经过概括、归纳、提炼、升华成为物理观念，并将其运用于分析、解决具体物理问题的实践，进而培养学生的迁移创新能力，达到深度学习的程度，实现物理核心素养培养的目标。

根据这一架构，我们提出的一种教学途径为顺次教学，其结构如图1。

这一结构为我们提供了课堂教学实施的基本途径，适应顺次教学的形式。综观这个结构，在情境中产生疑难，在疑难中产生问题，激发学生的认知冲突，引起学生积极思维，这对于核心素养的培养至关重要。近年来，各种技术支持的基于模型的教学情境的开发已得到广泛重视，通过模拟一系列科学现象，帮助学生以合作、探究等学习方式，达到对科学现象的感知和科学本质的理解。

运用观察和实验来展示有关事物发生、发展和变化的现象和过程。因此，观察、实验是获取信息和证据的重要途径，尤其是物理学作为以实验为基础的学科。通过情境和适当的提问，引起学生对已有经验的回忆，对已有知识的回顾，也是不可忽视的。

在众多的信息和证据中，我们必须从中提取反映事物特征和关键属性的内容，这常常需要通过比较和分类来实现。建模方法是科学研究的常用方法，模型思维是一种重要的科学思维，合理的模型的建立，可以正确地分析、理解和解释物理现象，为概念、规律的获得提供依据。科学推理是根据一个判断得出另一个判断的思维形式，各种推理方式的运用，可以从分裂的表象中得到统一的特征，从表面的现象中得到本质的认识。论证是指利用一些证据来支持自己或反对他人意见、主张或结论的过程。物理学是实证科学，任何结论的得出和验证都必须建立在可靠的证据之上，论证是重要的思维方式，是有效的物理教学策略，也是科学探究最重要的特征。交流是课堂互动的重要形式，也是常用的教学方式，师生、生生之间的积极交流促进了认知的发展和情感的激发。反思是自我监控思想的基本要求，反思是发扬成绩、纠正错误的过程，是积极参与展示思维的过程。学生开始时形成的见解一般会受到个人知识和经验的影响，导致认识的局限性和片面性，通过反思，可以对已有的认识实现纠偏。通过这一系列的教学环节，概念的获得、规律的得出、原理的形成就得到实现。同时，在这过程中经历了探究，培养了科学思维，提升了科学的态度与责任。同时，另一条线路也是存在的，即通过观察与实验对获取的信息进行归纳和演绎，从而得到概念、规律和原理[4]。

20世纪后期，国际上对概念学习的研究主要集中在概念发展、概念转变和概念图三个方面。进入21世纪以来，核心概念的研究得到重视，我们认为在物理观念的形成中，核心概念是中介。通过类化共性，找出一类概念的共同特征和统一属性，得到核心概念。核心概念在单元学习中起着突出主题、凝聚学生注意焦点的作用，对核心概念的深入理解是单元教学的中心环节，一方面它能整合一系列的概念、规律和原理，另一方面能把学生的科学思维引向更为深入的对物理内容的理解。更重要的是，核心概念是通向物理观念形成的桥梁。因此，对核心概念进行本质抽象，又从物理学整体的视角进行提炼和升华，由此形成物理观念，作为解释自然现象和解决实际问题的基礎。

根据物理学科能力研究的结果看，应用实践能力是学生应用物理学科核心知识和科学思维分析和解释物理现象、解决实际问题的能力。学生能对物理情境问题进行分析，运用证据和科学推理对研究的问题进行描述、解释和预测，是物理观念和科学思维的基本体现。

迁移创新能力是学生利用物理观念、科学思维和科学探究等方法，解决陌生的和不确定的问题，以及发现新知识和新方法的能力。基于形成的物理观念，基于证据，进行科学推理，对不同观点和结论提出质疑和批判，进而提出创造性的见解[5]。

4    逆溯的教学途径

逆溯的教学途径是相对于顺次途径而言的，是指先了解物理观念的基本内涵，形成初步的理解，然后运用这一物理观念分析解决物理问题，在应用的过程中深化对物理观念的认识，建立完整的理解。其基本的教学结构如图2。

根据这一教学途径，我们认为，创设情境仍是关键的教学环节，在情境中聚焦问题，随着问题的解决，导致物理学的革命性发展，新的物理观念产生或重要的物理观念进入我们的视野。对这一物理观念作出概要的介绍，学生形成初步的了解。有了这样的基础认识，就应用来解释相应的物理现象或解决相应的物理问题，这种解释或解决过程，当然也需要构建模型、获取概念或规律，也需要运用推理、论证、解释等科学思维方式，即经历科学探究的过程。在这种教学过程中，逐渐形成对物理观念的进一步理解，实现对物理观念本质的认识。然后，又运用物理观念解释物理现象和解决物理问题，形成对物理观念的深入理解，并能在新的情境和条件下，分析、解决新的问题，发展质疑创新的能力，养成物理学科核心素养。同时也存在着另一条途径，即对概念规律的提炼与升华，形成对物理观念的深化理解。

5    讨论与建议

我们对物理观念养成的方式和途径在理论上作出了阐述，对基本的结构提供了我们的思考，下面拟结合具体的高中物理教学内容进行讨论并提出一些教学实施的建议。

物理观念的形成需要以一系列概念、规律和原理作基础，例如能量观念，在力学中有机械能及其转化、守恒的众多内容，我们在最基本的概念学习时，如学习动能、势能、弹性势能、波动能时，对能量观念来说，尚未达到观念形成的时机，教学的目标只是指向物理观念，而不应该是达成物理观念，只要形成概念就是了，这时实行的就是隐性的教学方式。当机械能部分内容中相关能的概念、规律全部学习结束时，应及时地形成机械能中能量的核心概念，是能量观念形成的中介，此时也尚未达成能量观念，仍是隐性教学的阶段。如果从能的概念形成就开始不断地重复能量观念，会使学生产生对“观念”的误解，而且实质上只是在进行形式主义的空头教学。

在观念达成时，是显性教学阶段，要及时把教学目标指向物理观念，要把物理观念的形成落实在课堂教学之中，并且要切实地让学生体会到物理观念的丰富内容和巨大的解释力，统摄物理学整体内容的强大功能。

顺次途径的教学比较容易理解，课标有提示，我们也作出了详细的阐述，如能量观念、相互作用观念，应该使用这种教学途径。

逆溯途径的教学好多老师认为不理解，我们提出了基本的教学结构，并对结构作了简要的解释，如量子理论及有关内容就应该使用这种教学途径。我们先初步形成对量子观念的了解，明白了什么是量子世界，什么是能量量子化，什么是能量子，这才能利用这些观念去理解、解释光电效应，得出光电效应方程，理解波粒二象性，不确定关系，等等。而绝不可以反其道而行之。但对量子观念的进一步深入理解却又不是这样简单的，是相当长而且困难、复杂的过程。当然，这不仅仅是中学物理教学的任务。

还要强调的是，这两种教学途径也存在着交替使用，如物质观念，在力学中我们对物质、质量有了认识，形成初步的物质观念，在遇到电场、磁场、电磁场时，我们才可能用已经具有的物质观念去理解、解释“场也是一种物质”，实现物质观念的扩展和延伸。发展到了现代物理，进一步理解现代物理学中的物质观念，如构成物质的一个独立微观结构层次的强子。1964年盖尔曼（M.Gell-Mann）等人又提出了强子结构的夸克模型。根据规范场论，光子是传递电磁作用的粒子，而传递弱作用的粒子是矢量弱玻色子，规范理论的成功需要确证希格斯子，于2013年已成功地发现了希格斯子。人们认为，轻子、夸克、规范粒子和希格斯粒子都还有亚结构，它们由下一层次的基本粒子复合而成[6]。与此相类似的，如运动观念，也还有其当代的发展。目前统一场论的发展表明物质、运动与时空特性是密切相关、不可分割的，任何将三者分裂开来的统一场论都是不正确的。这种理论的基本思想是杨振宁和他的学生米尔斯（R.L.Mills）提出的。与此相应的还有现代物理的时空观念，包括狭义相对论的时空观念、广义相对论的时空观念、粒子物理中的时空观念、现代宇宙学的时空观念[7]。

最后，我们还想指出，物理观念的形成不可能在高中物理教学中就毕其功于一役，随着物理学的突飞猛进，随着当代技术科学的飞速进步，也随着学生进入高等学校的学习，物理观念也将进一步深化，不断向高深的观念认识发展。因此，我们不能将观念“封杀”，把学生的认识封闭在中学物理阶段，而必须为下一步的学习与发展留下足够的空间，预备好“接口”和“窗口”。未来物理学的发展难以预测，在中学阶段匆促地作出结论会制约学生的发展，限制学生的（下转第18页）（上接第13页）视野，窒息学生的思维，贻误学生的成长。

6    结  语

物理观念课堂教学实施涉及的因素比较复杂，包括物理观念自身的发展历程，物理学的进化史，物理思想的演变，科学哲学的发展，认识论的流变，科学方法论的进展，等等。而课程理论、学习理论、教学理论的改革与发展，教科书的编制方式，学生认知理论的影响都是不可忽视的。我们提出的是一般的基本的教学方式和教学途径，在真实的物理教学过程中，还要根据具体情况作出选择、调整和变化。建构物理观念的教学在基础教育课程改革推进的过程中会不断地得到发展。

参考文献：

[1]徐承楠.高中物理方法教育研究[M].杭州：浙江教育出版社，1995：176-184.

[2]蔡鐵权，郑瑶.物理观念的演进与教学启示[J].物理教学探讨，2018，36（12）：4-7.

[3]汤川秀树.旅人——一个物理学家的回忆[M].保定：河北科学技术出版社，2000：216.

[4]廖伯琴.普通高中物理课程标准（2017年版）解读[M].北京：高等教育出版社，2018：201-205.

[5]郭玉英，姚建欣，张玉峰.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，2017：75-94.

[6]张会，鲍淑清.现代物理学的物质观[J].河南师范大学学报（哲学社会科学版），1993，20（1）：36-40.

[7]鲍淑清，张会.现代物理学的运动观和时空观[J].河南师范大学学报（哲学社会科学版），1992，19（2）：11-16.

（栏目编辑    赵保钢）