中学物理之“难”：溯源、探微、建模与主张

陈祖标

摘 要 本文針对中学物理之“难”的时代叩问，从物理学本原入手，以多学科交叉融合的视角，直击问题形成的过程、缘由及机制。

先是提出在“物”与“理”之间搭建一座“木栈桥”的构设喻意，继而结合教改实践推进“新式课堂+教师发展”的探索实验，在 此基础上创建了“物理实验统合作用模型图”和“物理思维‘三重融合'模型图”，并藉由模型建构，提出破解物理之“难”的 方法和路径，再由此提出物理新思维的教学主张。

关 键 词 物理之“难”;物理新思维;模型建构;物理核心素养;教学主张

在中学教育界，对“物理之‘难'”的认知，主要源 于对常识和经验的判断，鲜见有人对此展开系统性的 学理研究。此问题在文理分科“二元选择”的年代尚 不突显，主要原因在于广大普罗大众对于高考分科制 度下的既有安排已不持异议（物理划归理科）;同时， 由文理分科制度带来的问题和弊端，也没有给当时的 社会带来实质性的冲击和影响。当历史的车轮驶入 2014 年 ，以国务院发布“高考综合改革意见”为标志， 我国高考制度改革开始走向“多元选择”的新时代。^[1] 然而，人们始料未及的是，在先行试水高考改革的个 别省市，却接连出现了大面积考生“弃选物理”的罕见 现象，这在惊动教育界的同时也引爆了全社会的关 注，连带将所谓的“物理之‘难'”问题，第一次“全景 式”地呈现在公众的面前。人们不禁要问，物理果真 如此之“难”吗？为什么偏偏是物理而不是别的科目， 先是充当文理分科“拦路虎”的角色，继而又成为“新 高考”选考科目最大的“弃选项”？物理究竟怎么啦？

一、本源追溯

寻根溯源，人们首要之问是，何谓“物理”？笔者 认为，如果抛开学理定义不谈，而以认知心理学的观 点来看，所谓“物理”，其实可以简单的理解为“物+ 理”。所谓“物”，即世间万物，大到宇宙，小到粒子，看 得见摸得着的谓之“物”（实物化），透过“物”，能够发 现和通达“物”之运动的本质和规律，就是“理”（抽象 化）;既看不见也摸不着的，则通过科学实验或理论计 算（模象化），也能够找到和发现其中“物”之运动的本 质和规律，同样也是“理”（符号化）。在现实物理世界 中，既可以透过具物化或具象化的呈现方式，并辅之 以概念、判断、推理等形式，从而分析、归纳、总结得出 高度抽象化的“理”;同样，也可以通过理论计算或科 学实验，将“理”反向“还原”为或具物或具象的一个过 程。从科学意义讲，只要“物”与“理”二者是可逆的， 便构成“真理性”的关系，换句话说，这个“物”与那个 “理”，就一定存在着某种规律性的联系（详见图1）。

图示中不难看出，不管是从“物”到“理”，还是从 “理”到“物”，二者之间似乎横亘着一道深深的“鸿 沟”。而模型的样态和“鸿沟”的喻意，恰好与所谓的 “物理之‘难'”问题，极其生动形象地“贴合”在了一 起。假如以这一模型为基准，藉此来考察和分析“教” 与“学”之间的互动关系及特点，又会有怎样的发 现呢？

从二者外显性行为特征来看，教师在教学中往往 扮演“先行者”的角色，而学生则充任“跟学者”的角 色。教师想要把物理“教好”，就必须自己先行跨越 “物”与“理”之间这道“鸿沟”，并且练就跨越“鸿沟”的 高强本领，在教起课来时，才能够做到“从容不迫”和 “游刃有余”;而学生，在初次面对这道“鸿沟”时，则是 亦步亦趋地跟着教师“学样做样”，稍有不慎，就会跌 进“鸿沟”里爬不起来。如果从“教”与“学”的内在机 理来进一步加以分析，人们还会发现，不管是从“物” 到“理”，还是从“理”到“物”，跨越“鸿沟”之所以显得 有些难度，本质上是二者之间的“跳跃性”实在是太大 了，以至于“教”与“学”之间很难做到“完全同步”“无 缝对接”和“同频共振”。譬如说，从“物”到“理”，就是 从原来很“具物化”的元初认知阶段，一下子跃升至完 全“抽象化”的逻辑演绎之中，学生即便不晕了，肯定 也会被搞懵了;而从“理”还原到“物”时，则是从高度 “抽象化”的状态中，一下子又跳回到非常“具物化”的 初始形态之中，跨度实在是太大了！这充分说明了， 在“物”与“理”之间，似乎缺少了某种必要的“过渡”， 抑或说缺失了某种必要的“铺垫”。

如此看来，假如教师能够想方设法在“物”与“理” 之间为学生铺设几个“木柱墩”，或者在“木柱墩”上面 再架设起一座“木栈桥”，或许大部分学生就可以比较 从容地跨越这道“鸿沟”了！现在的问题是，在物理课 的实际教学中，这个“木柱墩”喻义的对象物究竟是什 么？“木栈桥”又应该怎么来架设呢？

二、教改探微

2012年夏，福建师范大学一行志同道合的“物理 人”相约成立了“物理新思维工作室”。七年来，团队 秉承“还原物理本来之面目、弘扬物理实践之精神、问 计物理革新之路径”的新思维理念，边研究、边实践、 边探索，在与基层一线中学物理教师广泛开展合作教 研和协同实践中，期许能够从中寻得破解物理之“难” 的路径或启示。具体而言，团队在实践层面上先后做 了三项基础性的教改实验。

1. 编撰《物理就这么好玩》试验性读物 目标是尝试编写一套与物理教材相配套的供八 年级学生课外同步阅读使用的“入门级”物理小说。 这本读物在经过一年多集体努力下，完成了第一稿的 编撰工作，随即于2015年秋季起以推荐读物（内部使 用）的形式，在实验校的实验班级里投入试用。试用 结果令人惊喜，尽管读本看起来还相当的粗糙和稚 嫩，却广受学生的欢迎和喜爱。之后的试验结果也进 一步证实了，这本读物配套教材来使用，确实有助于 初二学生“入门”物理时，即能建立起对物理的兴趣和 认知，甚或在一定程度上还起到了促进学生提高课业 质量的功效。这一试验结果同时也给团队带来了两 点启示：一是提出了一个疑惑，即现行教材的编写体 例在生活性和趣味性方面是不是距离学生“稍稍远了 一点”？二是促使研究团队的工作重心发生偏转，即 由教材研究转向课堂实验。
2. 创建“新式课堂”和新思维课例体系 工作室成立伊始，团队就一直琢磨着，相对于传 统课堂而言，有没有存在着一种有助于破解物理之 “难”的所谓“创新课堂”，抑或“新式课堂”？此时恰逢 晋江市大力推进“教育强市”建设之际，双方一经商 洽，共同决定以物理作为先行试点学科，通过开展校 地协同，一起来合作推进“中学物理教育协同创新工 程”项目建设。该工程一共包括5个子专项，涵盖初中 物理新思维教改实验、新型数字化实验系统培训（简 称“DIS培训”）、实验示范平台建设、物理尖子生培养 和教具研制开发五个方面，其中第一个项目是核心， 也是重点。从 2015年秋季起，团队以“初中物理新思 维教改专项”的研究与实践为龙头，并且融入其他项 目的相关要素，在晋江市一南一北各选取一所学校作 为项目实验校（南片是一所完中校、北片是一所初中 校），并在每所实验校里特别选取一个初二平行教学 班作为实验班（南片区A班、北片区B班），同时将《物 理就这么好玩》作为实验班的配套读物来使用，在确保两个实验班与本年级平行班《物理》“课内课”（即纳 入教学计划要求开设且须开足规定课时的主干必修 课）保持同等要求、同一进度的前提下，分别对A、B两 个实验班实施两种不同的校本课“嫁接”方式，其中A 班采用“并列式”做法，即在“课内课”的基础上，同进 度、同节奏另行开设一个自成体系的“物理新思维”标 本课系列;B班则采取“嵌入式”的做法，即在保持物 理总课时不变的情况下，按照“课内课”行进的节奏， 将“物理新思维”校本课，分专题、分模块适时嵌入“课 内课”之中去，同时保持“课内课”与“校本课”始终处 于一种良性互动的“齿合”状态之中。

团队之所以将上述试验称之为创建“新式课堂” 的实践，主要是基于团队研制的这种物理新思维课 例，既不是一般意义上的常规课，也不是传统意义上 的复习课，而是一种新式的“统合课”。团队从帮助学 生构建科学的“物理思维”和形成正确的“物理观念” 出发，尝试采用一种特殊的“统合”方式，将一个章节 或涉及多个章节内容但具有相同主题意义的知识模 块（知识团）进行整体构设与“再造”，力求将其中要求 学生必须掌握的“核心知识点”以及必须养成的“关键 能力”等要素内容有机地整并在一起，在此基础上设 计成一个个典型的课例，最终形成一个将“知识逻辑 构架”与“思维逻辑构架”合二为一的新思维课例 体系。

几年来的试验结果同样让人欣喜不已。主要创 新点有三：一是这种“课”的形态是全新的，如前所述 它是一种有别于过去常规课堂形态的新式的“统合 课” ;二是“课”的内容是“有机杂糅”的，一切根据需要 而定，有的课例可能是单元性质的，有的则涉及多个 单元的内容，有的甚至是跨年段跨学科整合而成的; 三是“课”的呈现形式也是“包罗万象”的，有讲授、有 实验、有讨论、有互动，更有一种新创的“新思维具象 图”（参见图2）运用在其中。这种图示既是一种全新 的板书设计，也是一种融“知识逻辑构架”与“思维逻 辑构架”于一体的创新构设，既可以作为教师开展综 合化教学（如综合课例、专题课例、复习课例等）的“图 示式教案”和“整体式板书” ，同时也可以作为学生进 行课后复习和拓展提升的“图示式学案”和“可视化提 纲”。实践证明，“新式课堂”的探索和新思维课例体 系的创建，得到了一线师生的充分肯定和广泛赞许。

1. 附着在“新式課堂”之上，探索构建一种教师研 修培训新模式

这种“融课改研训、课题研究和教具研发于一体” 的“创新课堂+教师发展”的研训新模式，与传统的教 师培训模式相比较，具有三个特点：一是新思维课例 的承载性和先导性，如前所述，新思维课例的研制，本 身就是创建“新式课堂”的一种大胆而有益的尝试，其 新的教学理念、教学模式、教学方法和手段等，均可以 透过课例展示和课例分析得以全面而直观地呈现出 来;二是以课堂为中心，将课例展示、教学研究与教师 研训三者有机统合起来，既体现了“课训结合”的要 求，也达致了“研训一体”的目标，这是传统师资培训 一直想做却始终没能做到的，堪称是新时代条件下教 师研修培训的新探索和新范式。三是围绕课例研制 自然结成的“研究共同体”，实质上也是一个“学习共 同体”，可以向高校职前培养端来延伸和拓展，有助于 高校方面将在读教师教育专业学生纳入其中，让这些 未来教师和“未来名师”得以在真实的课堂教学实践 中学习与成长，不啻是一种职前职后一体化的新 探索。

三、模型建构

团队在边实践边研究的同时，也尝试从模型构设 上寻求问题的突破口，主要工作有二：

其一，通过构设“物理实验统合作用模型图”（见 图3） ，揭示实验是架设起“物”与“理”之间互联通道的 首选工具和最佳手段。

众所周知，物理作为一门经典的实验科学，是实 验构筑起了物理学最广泛亦最为深厚的学科基础。 从“物”+“理”模型图中可以看出，不管是从“物”到 “理”，还是从“理”到“物”，实质上都是探究“物”之运 动本质和规律的复杂认知过程。学生认为物理很 “难”学，从模型标示上看是因为“物”与“理”之间的 “跳跃性”太大了，但究其本质而言，则是因为物理问 题的探究过程相对比较复杂且“不易控制”，以至于他们必须借助一个特别的“工具”来辅助，而这个“工具” 又必须同时具备“双向互逆”的功能，才足以支撑来实 现。很显然，实验就具备有这样一种特殊的功能。通 过实验，学生能够从具体的事物或现象中归纳出一般 规律，这是归纳推理，是概念的形成过程，即形成 理”;同样，通过实验，学生也可以将一般规律应用到 具体事物和现象中去解决问题，这是演绎推理。从特 殊到一般，从一般到特殊，不仅双向可逆，还符合认知 发展规律。从这个意义上讲，实验好比是铺设在“物” 与“理”之间的一个个“木柱墩”，是帮助和支撑起学生 顺利跨越“物”与“理”之间“鸿沟”的首选工具和最佳 手段。

同时，藉由上述模型图的构设，人们或可发现，物 理实验之于“科学探究”的意义其实远不止于此，实验 不仅是“科学探究”的基础，还是“科学探究”最重要、 最基本的要素成分。在此基础上，人们或许还可藉此 进一步推及开来，从促进学生学科核心素养形成与发 展的高度，充分认识到物理实验的特殊性及重要意 义，即物理实验不仅是学生“科学思维”发展的关键支 撑和主要路径，同时也是学生形成正确“物理观念”， 养成科学态度和科学精神的实践基础和必要条件（详诚然，物理教师在实际教学中能否“不折不扣”地 开好实验课，这又是问题的另一面了。而恰恰在这 里，最能体现出一个教师是不是真正重视实验，能不 能精确设计实验，以及实验能力水平高不高。从认知 心理学的角度讲，学习的实质就是学生对于教学材料 的认知加工，它会占用学生的认知资源，如果教师设 计的实验晦涩难懂，抑或以“说实验”来代替“做实 验”，显然会大大增加学生的认知负荷，极有可能将学 生主动探究的兴趣给“浇灭”掉，并使学习过程变得无 趣和无效。久而久之，学生理所当然会认为物理很 “难”学了。相反，如果广大教师都能够直观、准确、简 洁地设计实验，而且能够按要求开好实验课，岂不大 大减轻了学生的认知负荷，并且在“物”与“理”之间布 设了一个个方便行走的“木柱墩”了吗？此时的“物理 之‘难'”，或许就不再是“难事”了。

其二，通过构设“物理思维‘三重融合'模型图” 见图4），从理论层面上揭开了“物理之‘难'”问题，究 竟是“因何而‘难'”和“‘难'在哪里”的关键性答案。

如上所述，既然实验是物理学的基本属性，是否 可以就此断言它同时也是物理学的学科特性呢？答 案：非也。属性能否等同于特性，关键在于它的唯一 性。在自然科学中，实验是众多学科的共有属性，并 非物理学所独有。那么，物理学特有的学科特性又是 什么呢？

团队在常年深入中学一线的调研中，基于对大量 样本的观察和分析，总结出一个带有普遍现象的规律 性问题。大家发现，对于大多数学不好物理的学生来 说，其学习物理最大的困难是理解上的困难。而理解 上的困难，则集中体现在学生解决物理实际问题过程 中存在着三个思维上的“堵点”：第一个“堵点”情况最 严重，表现在学生连起码的看题和读题都搞不懂，当 然也就谈不上画图建模和列式计算了;第二个“堵点” 的情况尽管稍稍好一些，但也问题不少，表现在学生 看题读题和理解题义已不存在任何困难了，但要他们 画图建模要不是画不出来了，即使能画出来很大可能 性也是画错了;第三个“堵点”的情况稍稍让人安慰一 些，这部分学生总体上看读题和画图都会做了，在解

题的方向把握上也大致没有问题了，但最终要不是不 懂得列式运算，就是运算的结果做错了。

这一现象无疑给了团队以极大的启示：三个思维 上的“堵点”，恰如三个“障碍”一般，横亘在学生的面 前。而学生解决物理问题的整个过程，就像是跨栏跑 一样，必须越过这三道“路障”，如果跨越过去了，就说 明学生解决物理问题的能力已经具备了，假如跨越不 过去，则说明学生在解决物理问题时确实存在着现实 困难。由此可见，要真正学懂弄通物理，学生必须具 备跨越这三道“路障”的心智、技能和本领！

团队在更深一层的观察和分析中还发现，学生在 思考和解决物理问题过程中遇到的这“三个堵点”（即 “三道路障”的升级版），除了物理本身概念、定理和公 式一般说来都较为抽象难懂外，其实也跟教师“教”的 思维方式及输出模式与学生“学”的接入模式及思维 方式，二者之间的适切状态和紧密程度相关联。如果 二者处于“正相关状态”之中（即契合度高 ，耦合度 大），说明学生对教师的“教”是比较适切的;反之，如 果二者处于“负相关状态”之中（即契合度低、耦合度 小），则表明学生对教师的“教”不仅“不适应” ，而且很 有可能已经感到“吃力”了。后者也从一个侧面充分 说明了，此时学生表现出来的学习物理之“难”，不仅 存在着跨越“三道路障”的能力之“难” ，很大可能性还 叠加了“教”与“学”之间因“错配”造成的相互适切之 “难”。

这是团队从现象分析中得到的两个重要结论。

而当团队从现象分析深入到模型建构时，又相继 获得了两个重要的发现。

在心理学中，根据思维任务的性质、内容和解决 问题的方法不同，一般将思维分为实践思维（具物思 维）、形象思维（具象思维）和逻辑思维（抽象思维）。^[2] 實践思维是指以实际动作为支柱的思维;形象思维是 指以事物的具体形象和表象为支柱的思维;逻辑思维 则是以概念、判断、推理等形式进行的思维。

当团队将思维的三种形态，与学生遇到的上述思 维上的三个“堵点”，交互分析比对时，大家惊奇地发 现，三种思维与“三个堵点”恰好一一对应起来了。第 一个“堵点”对应实践思维，第二个“堵点”对应形象思 维，第三个“堵点”对应逻辑思维。第一个“堵点”呈现 出来的情况，说明是学生的实践思维出了问题，而实 践思维出问题的原因，则可以合理性的推断是由于 “以实际动作为支柱”的实践性教学环节（主要是实 验）要么是缺失了，要么是学生还没有从实验教学和 实验操练中真正理解和掌握实验的目的与要义;第二 个“堵点”的情况，则说明是学生的形象思维出了问 题，而形象思维出问题的原因，则是要求“以事物的具 体形象和表象为支柱”的物理建模（主要是画图、作图 和图示）出问题了，学生要不是不会画图建模，要么就 是在图示中没能准确地表达出来;第三个“堵点”的情 况 ，对应的是逻辑思维出了问题 ，而逻辑思维出问题 的原因，往往是要求“以概念、判断、推理等形式进行” 的逻辑演算（主要是公式、定理及列式运算）出问题。

团队在模型推演中进一步发现了，学生解决物理 问题的整个过程，就像是穿越了三个不同的“场景”。 第一个场景是“现实场景”，即看题读题，掌握问题的 要领;第二个场景是“物理场景”，即画图建模，找到解 决问题的方法和路径;第三个场景是“数理场景” ，即 列式运算，求得问题的最终结果。学生在解决物理问 题过程中自然生成的这“三个场景”，不仅与上述三种 思维活动相适配，同时还与“三个堵点”的表现情况相 吻合。现实场景对应实践思维，与第一个思维“堵点” 的情况相适配;物理场景对应形象思维，与第二个思 维“堵点”的情况相适配;数理场景对应逻辑思维，与 第三个思维“堵点”的情况相适配。一般说来，这自然 生成的这“三个场景”，从一开始就有可能给学生“设 置”三道无形的“障碍”;而三道无形的“障碍” ，如果没 能及时得以排解，则很可能进一步发展成为三道有形 的“路障”;而一旦形成了三道“路障”，则完全有可能 进一步演变成为三个思维上的“堵点”，甚至演变成为 学生不可逾越的学习上的三个“难点”。这不就是整 个研究团队一直在苦苦追寻的所谓的“物理之‘难'”， 究竟是因“何”而难和“难”在哪里的关键性答案吗？

找到了问题的症结，当然要对“症”来下“药”了。 简而言之，就是要求教师和学生必须结成“学习共同 体” ，将解决物理问题时需要穿越的“三个场景”以及 由此可能生成的三道无形的“障碍”，在有可能形成有 形的“路障”之前，要千方百计把它排除掉 ，让“障碍” 不再形成“路障”;而没有了“路障” ，当然也就没有了 “堵点”;没有了“堵点” ，学习也就不存在困难和问题 了， “三个场景”不就因此“三重融合”成了单一的“大 物理场景”了吗？（详见图4）

由此看来，正是物理学的这种“思维特质”，决定 了物理课的“教”与“学”或许是一个特殊的案例，它不 仅需要实践思维做基础，也需要形象思维来支撑，更 须臾离不开逻辑思维来协同配合并发挥作用。或许 在别的学科的教与学过程中，也不同程度地存在着类

似的“三个场景”“三个堵点”甚或“三重融合”的情况 和特征，但可以肯定地说，它们都没有物理学科来得 这么突出、这么鲜明、这么有学科特点。同时，正是物 理思维递次呈现出来的“具物性”“具象性”和“抽象 性”的“三阶思维”特性，不仅体现了一个人认识物理 世界从低阶向高阶不断躍进的发展过程，而且与其相 对应并在其中起关键性支撑作用的三种思维活动以 及三种思维能力，则完美构设了物理学科“科学思维” 所特有的“三阶思维内核构架”（参见图4）。这不就是 研究团队一直梦想着要为学生搭建起一座跨越“物” 与“理”之间“木栈桥”的真正目的及意义吗？

如此一来，在“木柱墩”之上架设起“木栈桥'，不 就成了一座“希望之桥”了吗？

有意思的是，团队构设的上述模型，恰恰与教育 部2017年印发《普通高中物理课程标准（2017年版）》 以下简称“新课标”）的精神是相契合的。新课标指 出，学科核心素养是学科育人价值的集中体现，是学 生通过学科学习而逐步形成的正确价值观念、必备品 格和关键能力。物理学科核心素养主要包括“物理观 念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方 面。^[3]可以说，物理课的教与学，其实就是在教师的指 导下，学生经历科学探究，掌握学习方法，锻造科学思 维，形成物理观念，养成科学态度，并为日后担当作为 甚或科学发现奠基铺路的过程。

以上的发现和结论，其实也是团队在实践层面上 探求破解物理之“难”的逻辑起点和实践遵循。

四、物理新思维的教学主张 首先，从具物化的思维特性来看，实践思维强调 以物表征” ，交互通道是“观察”和“实验”。对教师来 说，就是要使物理课的教学，尽可能采取“具物化”的 方式方法来进行，以让学生在学习中或可近距离地观 察，或可真实性地感知，或可有凭借物地想象，譬如， 教师应该将教材中那些体现重要物理思想的教学实 例，凡适宜搬到大自然当中去观察与实践的，就要尽 可能地把课堂搬到大自然里去（自然实验）;不能搬到 大自然去的，就要尽可能地采用演示实验来进行;对 于那些不能用演示实验来进行的，则要尽量采用直观 的语言、形象的比喻、风趣的讲解，来给学生建立近似 具物化”的场景，以让学生易理解、可感知、能想象， 增强教师“输出模式”与学生“接入模式”的“同频共 振”。而对学生来讲，则应将自己在“观察”和“实验” 中的所见所闻所悟，时时汇聚在与教师的交流互动之 中，以让自己的思维“节律”，能够跟上教师教学行进的“节奏” ，构建起师生之间“同频共振”的理想“节拍 详见图5中的左边列）。

其次，从具象化的思维特性来看，形象思维强调 “以图示意”，交互通道是“模具”和“图示”。对教师而 言，就是要使物理课的教学，尽可能的采取“具象化” 的方式方法来进行，以让学生在学习中或可真实性地 模拟，或可表列式地归纳，或可图像式地表达，或可采 取拟人化或拟物化的场景图示来进行综合呈现等，譬 如自制教具，虽制作简易，但表现力超强，不仅可以巧 妙解决教学中的诸多难题，也可让学生在真实性的模 拟中产生极大的震撼与启迪，这就是心理学上常讲的 “模具”的作用与意义;又譬如运用图表式呈现方式 往往教师“略施巧计”，就可以将一大堆看起来杂乱无 序、枯燥乏味的数据（包括实验数据） 、公式、定理、结 论等，一下子直观的“勾连”出其中的意义和要领;再 譬如，团队创建的“新概念具象式思维导图”（简称“新 思维具象图”，参见图2） ，就是一个成功的可视化教学 案例。这些方式方法，不仅是贯通教师“输出模式”与 学生“接入模式”相互适切的有效手段，还是实现师生 交相互动达致最高“契合度”和最大“耦合度”的理想 途径。

再次，从抽象化的思维特性来看，逻辑思维强调 “以式达义” ，交互通道是“数形结合”“数理演算”“数 学建模”和“数理直觉”。对教师来说，就是要使物理 课的教学。