高中物理观念教学闲思

王长江 盛 洋

(1. 安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽 芜湖 241002； 2. 江苏省横林高级中学,江苏 常州 213101)

闲思者，恬静而又闲适之思考也，寓意思考不受“短视”教育的羁绊，唯以学生发展角度从长计议.物理观念是物理学科核心素养的重要组成部分，物理观念的形成，要求以严谨求实的科学态度开展科学探究活动、培养科学思维能力，可以说物理观念的形成体现了全部物理学科核心素养的基本要求.那么，物理观念是什么？物理观念有哪些？物理观念如何教？在物理学科核心教学实践中，不少教师对上面3个问题颇感困惑.针对以上问题，本文将梳理物理观念的内涵、澄清物理观念的内容，进而提出物理观念的教学建议，以期对当前国内的物理观念教学有所裨益.

1 物理观念是什么

物理观念教学研究，绕不开“物理观念是什么”这个基本问题.对于“物理观念”这一新的学科核心素养，不少一线教师反映“难以把握”.以往的相关研究，对于“物理观念是什么”，也是众说纷纭.概括起来，研究者对于“物理观念是什么”的解读大体分为两种：其一，认为物理观念是公认的、正确的对物理世界的根本认识，是有别于物理知识的；[1]或者物理观念不同于物理知识，物理观念不同于“大概念”.[2]这一解读实际上“增加”了教师们理解的困惑，使得“物理观念是什么”这个问题变得更难以捉摸.其二，认为物理观念与物理概念、物理规律的本质无二，都是物理知识，是不同类型的物理知识，其抽象程度不同.胡卫平教授认为，在中国的文化中,概念是指一类事物的共同属性与本质特征,是抽象的,这与国际上关于概念的内涵并不一致；在建构物理核心素养时,没有使用物理知识,也没有使用物理概念,而使用了物理观念.[3]郭玉英认为，“物理观念”就是物理学中最重要的科学观念,是组织整合物理学科知识内容的少数关键概念,是将众多的物理知识联为一致整体的物理学习的核心内容，是学生理解或探究更复杂概念的关键工具,与学生的生活实际和重大社会议题紧密相关,贯通整个基础教育阶段的物理课程.[4]蔡铁权对“观念”和“科学观念”内涵分析进行比照后认为,我国高中物理课程标准对物理观念的确定，符合词源学和哲学的界定,也与“观念史”的发展相一致，物理观念是比物理概念更上位的概念.[5]

笔者支持第2种解读，物理观念与物理事实、物理概念、物理规律同属于物理知识，是聚合和抽象程度更高的物理知识，是居于物理学科中心，具有超越课堂教学的持久价值和迁移价值的关键性概念或原理.大家对物理观念的提法之所以“不甚了然”、“不好把握”，原因在于没有理清物理观念与熟悉的物理事实、概念、规律的关系.一线教师对物理概念、物理规律等基础物理知识是熟悉的.如果我们知晓了“物理观念”与物理概念、物理规律等其他熟悉的物理知识的关系，“物理观念是什么”这个问题就容易理解多了.物理事实、物理概念、物理规律、物理观念，都是物理知识，其差异在于抽象、聚合程度不同，4种物理知识之间的关系，可以用金字塔模型来表示，如图1、图2所示.

在大家比较熟悉的“双基”目标、“三维”目标体系中，物理知识的层级结构如图1所示，物理知识的层级从下向上依次为物理事实、物理概念、物理规律.重视观念、规律教学是我国物理教育的优良传统，但是，从新的知识观来反省图1的知识层级结构，将知识目标仅仅停留在形成物理概念、规律，传授给学生的仍旧是支离破碎、脱离生活的抽象理论和事实.在物理学科核心素养框架下，物理知识的层级结构如图2所示，物理知识的层级从下向上依次为物理事实、物理概念、物理规律、物理观念.二者的差别就在于：核心素养框架下的物理知识层级结构，位于金字塔顶端的是比物理概念性知识(物理概念、物理规律)抽象程度更高、解释力更强的物理观念.亦即，核心素养框架下的物理观念力图帮助学生形成对物理世界的更完整的认识.物理观念课程目标，是对“双基”中基础知识、基本技能和“三维”目标“知识与技能”的继承与超越，不能脱离物理概念、物理规律来理解物理观念，也不能将物理观念与物理概念、物理规律混为一谈.

图1 物理知识的层级结构(1)

图2 物理知识的层级结构(2)

2 物理观念有哪些

在《普通高中物理课程标准》(2017版)中指出，“物理观念主要包括物质观念、运动与相互作用观念、能量观念等要素”.那么，在高中物理课程中，物质观念、运动与相互作用观念、能量观念的具体内容分别是什么？课程标准中并没有明确说明，已有的研究也往往“语焉不详”.这无疑增加了教师们的认知负荷.

样例学习给我们提供了思路.样例学习是学习者从一般概念、原理、程序的例子中习得解决问题方法的一种学习方式.[6]和单纯的问题解决学习方式相比,样例学习不仅费时少、迁移效果好,还可减轻学习者学习时的认知负荷.有鉴于此，笔者以《普通高中物理课程标准》(2017版)为依据，对人教版高中物理新教材(2019年版)中涉及到的物理观念分别从整体、模块、主题3个维度进行整理，呈现不同层次的物理观念“样例”，帮助大家进行物理观念的“样例学习”.

2.1 整体层面的物理观念

整体层面的物理观念是指高中物理课程学习结束后，学生应该形成的物质观念、运动与相互作用观念和能量观念.

(1) 物质观念.

整体层面的物质观念可以描述为：物质的存在形式和特征属性取决于物质的类型、组合和以分子和原子为单位的粒子的运动.笔者以《义务教育物理课程标准》(2011版)中对一级主题“物质”的维度划分为主要依据，并参考了相关研究成果，[7]从物质的存在形式、物质的属性、物质的结构和尺度、物质的状态变化等4个维度来描述物质观念.

物质观念1：宇宙是由物质组成的，物质以实物粒子和场两种形式存在.

物质观念2：物质具有质量、能量等基本属性，还具有弹性、磁性、导电性和导热性等重要属性.

物质观念3：物质是有结构的，微观世界、宏观世界、宇观世界中的物体都是由大量分子组成的.

物质观念4：物质主要有固体、液体、气体3种存在状态.

(2) 运动与相互作用观念.

整体层面的运动与相互作用观念可以描述为：相互作用产生的力的平衡或不平衡性决定了运动的变化.笔者参照《义务教育物理课程标准》(2011版)中对一级主题“运动和相互作用”的维度划分，并参考了相关研究成果，[8]从运动与相互作用的存在形式、运动与相互作用的联系、运动与相互作用的守恒等层面来描述运动与相互作用观念.

运动与相互作用观念1：时空是物质运动的存在形式.

运动与相互作用观念2：物质间存在4种基本的相互作用：引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用、弱相互作用.

运动与相互作用观念3：力是改变物体运动状态的原因.

运动与相互作用观念4：在一个只有保守力做功的系统内，物体的能量守恒.

(3) 能量观念.

整体层面的能量观念可以描述为：系统内部和系统之间的能量转换永远不会改变能量的总和.笔者参照《义务教育物理课程标准》(2011版)中对一级主题“能量”的维度划分，并参考了相关研究成果，[9]从能量的存在形式、相互转化、守恒耗散等层面来描述能量观念.

能量观念1：能量的存在具有普遍性，不因其他条件的改变而发生改变.

能量观念2：能量并不是以一种特定的形式存在，而是根据不同的需要以不同的形式储存于各个物质中.

能量观念3：不同形式的能量之间可以相互转化，同种形式的能量也可以相互转移，能量转化或转移的过程有自然发生的，也有不是自然发生的.

能量观念4：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，能量的总量是保持不变的.

能量观念5：能源利用的过程中虽然能量在数量上未减少，但在可利用的品质上降低了，从便于利用的能源变成不便于利用的能源.

2.2 模块层面的物理观念

模块层面的物理观念是指高中物理课程结构中3个必修、3个选择性必修模块学习结束后，学生应该具有的物质观念、运动与相互作用观念和能量观念，如表1所示.

表1 模块层面的物理观念

续表

2.3 主题层面的物理观念

主题层面的物理观念是指高中物理课程结构中某个主题学习结束后，学生应该具有的物质观念、运动与相互作用观念和能量观念.需要说明的是，即便是“主题”层面的物理观念，其中的物质观念、运动与相互作用观念、能量观念之间也是重叠的，不能截然分开.

在《普通高中物理课程标准》(2017版)的课程结构中必修、选择性必修部分共有20个主题.笔者以必修3中的“静电场”主题为例，说明在这个主题的学习结束后，学生应该具有的物理观念，见表2.

表2 “静电场”主题的物理观念

3 物理观念怎么教

如何开展物理观念教学是当前中学物理课堂面临的实际难题.不少教师反映物理观念教学“不好操作”.笔者认为，物理观念是单元学习的预期结果；物理观念教学重在理解；逆向设计为落实物理观念教学提供了可行途径.[10]逆向设计指导下的物理观念教学，将教学目标划分为习得知能、理解观念；富含真实情境的实作任务，可以有效地评价学习结果；夯实物理基础，引导学生对物理事实、物理概念、物理规律的归纳、概括，是通向物理观念形成的进阶之路.

3.1 目标确立：关注概念规律，指向物理观念

核心素养框架下的物理教学，其目标不能仅仅停留在知道事实性知识、掌握物理概念和规律，还应指向理解物理观念.基于此，物理观念学习目标可以分为习得知能、理解观念和学习迁移.

(1) 习得知能.知能指的是物理学科的事实性知识、零散性技能、概念性知识等(以上这些知识往往会通过课时学习习得).了解、知道乃至熟练地掌握物理事实、物理概念、物理规律等是建构物理观念的基础.

(2) 理解观念.“理解观念”是将课时学习中习得的事实性知识、常识性技能、概念性知识，经由推理、概括而得到的新的“意义”(即观念)，通常以陈述句表述.在物理学科情景中，理解观念指的是通过模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等认知过程，建立物理概念性知识之间的联系，对已经习得的物理概念、物理规律进行推论，从而产生物理观念.

(3) 应用迁移.学习迁移是指将习得的物理观念应用到新的问题情境中的能力.在物理学科情景中，达到“真正理解”的学习者，能够应用物理观念解决实际问题.

以“电磁场与电磁波初步”主题为例，设计的教学目标见表3.

表3 “电磁场与电磁波初步”主题的教学目标

3.2 评价方案：一般测试之外，设计实作任务

逆向设计的第2步，是寻找评估预期学习结果的证据.逆向设计认为，实作任务是评价学生是否达到持久性理解、灵活应用的恰当证据.实作任务(或称之为表现性任务)是指仿照成人面对的议题和问题编制的复杂挑战；要求在真实的或拟真的情境中，解决多阶段、复杂的学科内或跨学科难题，可以充分反映和表现学生对包括意义理解、学习迁移等学科核心素养掌握情况.例如，在“运动与相互作用”主题学习中，可以设计如下实作任务.

物理学史法庭开庭审理亚里士多德“重物比轻物下落得快”的不当言论一案，你作为亚里士多德的辩护律师，请撰写辩护词，对其“不当言论”进行合理辩护.

在“电磁场与电磁波初步”主题学习中，可以设计如下实作任务.

停电了，家里有一个小灯泡，导线若干，磁铁两块，可是家里的电池都用完了.我们该如何用手里有限的工具让电灯泡亮起来呢？请你运用产生感应电流的条件，设计电路和发电方法，让灯泡亮起来.

3.3 活动设计：强调归纳概括，重视理解观念

有效的物理观念教学不仅要夯实基础知识，还应围绕“物理观念”，设计“大问题”、创设“大情境”进行单元教学设计.有鉴于此，我们以“电磁场与电磁波初步”主题为例设计了物理观念教学“双向图”，如图3所示.

图3 “电磁场与电磁波初步”主题的物理知识层级结构与物理观念教学思路

图3中左侧为“物理知识的层级结构”，“自下而上”依次由物理事实、概念、规律不断聚合，形成物理观念；右侧为“物理观念的教学思路”，应“自上而下”从单元教学设计的物理观念基本问题(大问题)出发，依次设计规律基本问题、概念基本问题、事实一般问题，引导学生从物理事实、概念、规律中进行归纳与概括，形成物理观念(大概念).还需要说明两点.

(1) 要注重物理概念、规律的教学，夯实物理基础知识.通过富有吸引力的教学活动，使学生掌握扎实的物理基础知识(包括物理事实性知识、物理概念性知识)，是形成物理观念的基础.物理观念教学应该“厚实其基础”，我国优良的物理教育传统不能丢(图中虚线框部分，多为课时活动).

(2) 要有意识、有计划地围绕若干重要的“物理观念”，设计“大问题”、创设“大情境”进行单元教学设计.“自上而下”的问题驱动是形成物理观念的重要路径.应该以形成物理观念的基本问题为统领，将其向下分解为若干个形成物理规律、概念的基本问题，通过基本问题的驱动，完成单元教学活动的设计.