以核心素养为课程灵魂，构建高水平初中物理课程

刘玉斌

南开大学物理科学学院，天津 300071

我国义务教育课程方案和物理等16个课程标准的修订工作历经3年完成，2022年3月25日教育部印发了《义务教育课程方案》和《义务教育物理课程标准（2022年版）》[以下简称“物理课标（2022年版）”]等16个课程标准，新修订的课程方案和课程标准在2022年秋季学期已经开始执行。物理课标（2022年版）以学生发展为本，以物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任作为核心素养的主要内涵[1]，在依托物理学知识的传授、聚焦能力培养的同时，高度重视对全体学生世界观、人生观和价值观的塑造。

义务教育物理课程在我国的教育体系中具有非常重要的地位和作用。一方面，从学生知识学习视角看，它是小学科学课程的继续和深化，是应用数学对自然界物质运动及其相互作用规律半定量以及定量的学习，因其在对自然界物质运动及其相互作用规律的描述和理解方面具有鲜明的特点，它在我国国民科学素质培养方面的地位极为重要；从课程体系构建方面看，它是其他课程无法代替的。另一方面，它是高中物理教育的基础，为实现高中学科核心素养提供了不可缺少的支撑和保障，同时也为进入职业高中学习的学生提供了来自自然科学方面的核心素养。

物理学是在人类对自然的研究过程中发展起来的，从古希腊的亚里士多德将自然科学研究从哲学研究的范畴中分离出来开始，人们对自然科学的探索逐渐形成了独特的方法。16世纪的伽利略将实验引入物理学研究，完善和凝练了经典物理学的一般研究方法，该研究方法也成为其他自然科学的重要研究方法。而与伽利略几乎同一时期的弗朗西斯·培根，在关于科学研究的论述中也认为“科学是通过归纳、分析、比较、观察和实验等方法，将经验与实验结果结合起来”，同时提出了科学规律的建立需要经过实验验证。目前，关于科学的基本描述是：科学是人们认识世界的知识体系，这个知识体系是建立在公理（或称为第一性原理）基础之上的，它需要经过严格的逻辑演绎和数学推理，而且科学理论一定要被当时最高精度的实验验证是正确的。物理课标（2022年版）关于核心素养的主要内容正是集中体现了科学在观念、思维、探究等方面的逻辑和研究历程，是培养学生科学素养不可替代的课程。

目前，基于物理课标（2022年版）新要求开展的义务教育物理课程的研究已全面启动。这些研究主要涉及如下几个方面：一是关于教学理念的调整，二是关于课程内容的重构，三是关于教学方法的创新，四是关于教学评价的深化和体系的建立，五是关于考试与评估方法的改革等。这些研究将促进我国义务教育物理课程发生根本变化。物理课标（2022年版）对物理教师提出了新的要求，它要求物理教师要高度重视课程设计与规划，站在义务教育全过程的角度设计一个学年或者一个学期甚至一个章节的课程。在课程设计、规划和实施过程中，首先，要高度注意核心素养各个方面并不是完全独立或相互无关的，它们是有机的整体，不能人为割裂，要统筹考虑；其次，除需要重点考虑物理课标（2022年版）的新要求之外，还要全面考虑地域和学校特点，考虑学生心理和生理发展实际等，全面、科学、合理设计和规划课程。

1 物理观念是构建课程的基础

物理课标（2022年版）指出，物理观念是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华，表现为客观与主观的统一[1]。物理学中的任何概念和规律的形成都不是一蹴而就的，是通过人们长期对事物的观察，在不断修正和调整的基础上总结出来的。自伽利略开始，物理学逐渐形成了“通过对典型实验的研究总结出一般规律，再应用这些规律解决未知问题”的研究模式。这种具有鲜明物理学特点的关于自然的研究模式，是自然科学的最主要方法，其中蕴含着丰富的科学哲学思想。在物理的发展过程中，科学家通过实验不断修正对自然及其运动规律的判断，使概念和规律在不断的修正中逐渐接近真理，接近自然的本质。这种观察问题的独特视角和研究问题的独特方法，使得物理概念和规律具有物理学科自身的特点，是其他学科不可代替的。在初中物理课程教学中，概念和规律的教学是非常重要的内容，带领学生思考，帮助学生在头脑中形成关于对自然的观念更为重要，这是物理观念的主要内涵，也是其他学科教学无法代替的。

关于物理观念教学，在课程设计和规划过程中，要重视将著名科学家在构建物理概念、凝练规律过程中形成物理观念的历程有机融入教学中，引领学生形成物理观念。具体来说，第一，使学生了解科学家在构建物理概念、凝练物理规律过程中的基本方法，这实际上是帮助学生掌握正确的科学方法；第二，带领学生理解科学家在建立物理概念和规律时，不断修正错误、不断自我否定、不断接近真理的探索过程，体验物理概念和规律的发展特性，这对帮助学生形成正确科学观非常重要；第三，引领学生感悟科学家对研究自然科学问题的浓厚兴趣和为解决问题不懈努力的精神。例如，质量、速度概念等都是在总结前人研究结论的基础上，通过不断凝练、不断发展形成的，如质量的概念、物质的质量是如何产生的等问题，一直到今天人们还在不断探索中。而伽利略的斜面实验及自由落体研究开启了人们对科学研究从定性描述向半定量和定量研究的转化，这也引导着人们不断优化科学研究方法。

2 科学思维是构建课程的核心

我们知道，科学是建立在基于经验和认识的公理基础之上的知识体系。特别是自然科学，它在发展过程中，强调聚焦模型建构，应用数学工具，开展科学推理和论证，得到研究结论，并通过实验验证。这是科学研究的一般进程，也是普遍的研究方法。分析作为科学基础的物理学，我们发现它主要表现为以下几个特点：第一，有第一性原理作为基础支撑理论体系的建立，因此我们知道任何物理规律都是有条件的；第二，物理规律的发展需要有严格的逻辑演绎和数学推理以及自洽的论证，这表现为物理规律的建立是需要有如哲学和数学语言一样来进行描述；第三，每一个规律被认可的必要条件是经过实验验证，在目前的实验条件下被验证是正确的，这也可以被称为物理规律的实验检验。

物理学在长期发展过程中，在关于物质的基本结构、相互作用和运动规律等领域建立了系统的科学理论，即使如此，这个理论目前还是一个有效理论，还没有完备。一方面，目前物理学的理论作为一个有效理论，它是分层次的，我们不能用更小尺度层次上的理论代替更大尺度层次上的理论。例如，我们应用量子色动力学理论研究夸克及其由夸克组成的强子层次物质性质及其相互作用规律，但是我们不能将这个理论用于研究宏观物质的性质及其相互作用。另一方面，根据目前的天文观测推测，在宇宙的组成中，有70%左右是暗能量，有20%左右是暗物质，我们所能探测的世界只有4%左右。由此可见，自然界中还有很多物理学尚无法解释和解决的问题。因此，在课程设计与规划中，要将上述物理学的本质，通过知识作为载体，让学生逐渐了解和领会，初步掌握科学思维的基本方法。这既是发展学生核心素养的核心，也是发展学生科学思维的核心，更是构建课程的核心。

例如，我们在初中物理课程中，虽然没有系统介绍牛顿第一定律和惯性系等概念，但关于平衡（包括杠杆的平衡实验、天平的质量测量实验、弹簧秤关于重力的测量实验等）问题的讨论都是基于惯性系的，这个条件是一些规律建立的基础。在课程设计与规划中，通过典型实验引导学生经历科学思维的主要环节，通过对不同问题的分析引领学生梳理科学思维过程的共同点和不同点。例如，杠杆的平衡实验、天平的质量测量实验、弹簧秤关于重力的测量实验等有两个共同点，一是这些实验都被置于惯性系中，另一个是平衡；不同点是关于平衡的性质：杠杆的平衡实验和天平的质量测量实验中的平衡是非共点力的平衡（力矩的平衡），弹簧秤关于重力的测量实验是共点力的平衡（二力平衡）。

在课程设计和规划中，要让学生了解到，物理学是在不断自我否定中前进和发展的。例如，17世纪60年代建立的燃素说，虽然在当时可以解释一些物质的燃烧现象，但在解释金属燃烧机制时却遇到了困难；18世纪80年代发展的热质说，可以很好地解释更多物质的燃烧，不仅如此，热质说极大推动了能量概念在物理学研究中的应用，进而推动能量守恒观念的发展。虽然从现在的分子动理论角度看，基于连续物质分布观念上的燃素说和热质说是不正确的，但是这完全没有影响这些学说对推动科学发展的作用。

在科学思维中，模型建构是非常重要的部分，它是表示事物的本质属性和基本关系的过程。从科学角度说，科学研究是模型建构和通过构建的模型解决问题的过程。从初中物理课程看，模型建构是引导学生抓住事物（或物理过程）的主要因素，根据不同的具体问题，应用不同的方法，构建反映其本质特征的科学抽象过程。广义地说，初中物理课程是一个建立在模型建构基础上的课程，因此在课程设计与规划过程中，要注重通过物理模型的建构培养学生的创新能力。关于模型建构，有不同的分类，比较常见的有理想模型和理论模型等，按照研究目标（或称为对象）、研究过程和实验条件等我们可以对物理模型进行简单分类。如从研究目标（或称为对象）看，模型有质点、点电荷、点光源等；从物理过程看，有匀变速直线运动、稳恒电流等；从实验条件看，有轻质刚性杆、匀强电场等；从理想实验模型看，有伽利略斜面实验等。这些模型不但贯穿了初中物理课程学习的全部过程，也贯穿高中、大学甚至将来科学研究的全过程，学生在初中阶段对模型建构的学习是高中、大学和进入社会工作的重要基础。

物理课标（2022年版）中关于科学思维还包括科学推理、科学论证和质疑创新。科学推理是理论与实证相结合，通过运用归纳法、演绎法以及类比法等方法，经历如分析与综合、抽象与概括等基本过程，学习关于对自然的认识。科学论证是基于科学证据的主张，通过逻辑演绎和推理，得到支持主张的过程。它的基本要素包括主张（观点）、证据、推理（逻辑演绎）。质疑和创新是对现有结论和规律提出质疑、批判，进而提出创造性见解。大胆的质疑和科学的批判是创新的基础。例如，物理课标（2022年版）在物质主题中，关于科学思维指出：知道建构模型是物理研究的重要方法，了解原子的核式结构模型；能通过实验或实例，归纳总结物态变化过程中的吸热、放热规律；在归纳或演绎中会引用证据，养成使用证据的习惯；能运用物质的弹性、磁性、导电性等知识，对一些说法进行质疑，发表自己的见解[1]。因此，在物质主题的课程设计与规划中，我们可以分析物态变化规律，经过科学思维的典型过程，得到物体吸热、放热的基本规律。再如，在运动和相互作用主题的课程设计与规划中，我们可以通过分析地球上物体下落和月球绕地球运动，经过严格数学推理得到它们满足相同的相互作用关系，即万有引力，在此基础上引导学生质疑引力场与物质之间的相互作用的机制。关于光学的教学，建议教师带领学生通过探究方法，经实验得到光的直线传播规律，经过逻辑判断和数学推导得到光的折射规律以及透镜成像规律，在此基础上引导学生质疑光如何携带能量，为高中阶段学生了解“光的波粒二象性”奠定基础。

3 科学探究是构建课程的关键

科学家在最初建立物理观念、凝练物理规律时，很常用的手段是在系统仔细观察典型实验的基础上，通过对现象的深刻分析，运用智慧对其本质的规律作出判断。或者简单地说，其中有很大成分是靠猜测的，分析16世纪伽利略以后的物理学的进展，这种现象更加明显。一个理论的诞生，依靠一批智慧的科学家，通过对实验的仔细分析，依托大胆的猜测得到初步结论，然后再经过不断改变条件的实验的逐步修正和完善，最终被人们认可和接受。因此，我们常常提到物理学发展中很多规律的建立是历史的必然，不是逻辑的必然。让学生理解物理学的上述特点，是提升学生核心素养的关键之一。

在课程设计和规划中，要发展学生的科学探究能力和素养。与高中和大学不同，初中物理课程在科学探究方面，一般可以分为以下五个主要过程：第一，通过对自然现象和实验的观察和测量，总结和提出问题；第二，通过猜想和假设初步完成对现象和实验结果的解释；第三，进一步更新实验方案，采取更加全面的科学方法，获取更加全面、更加准确的观察信息和实验数据，并按照科学规范要求进行处理；第四，对现象和实验结果进行重新解释；第五，组织和参与相关活动，对得到的结果开展交流、讨论、评价与反馈。

科学探究不单单是做实验，根据时代的不同、研究内容的不同，科学家开展科学探究的理念和方法也不相同，这里按照时间顺序介绍几位科学家的例子。

第一位是亚里士多德，他的科学探究理念和方法为近代科学研究提供了重要的参考和依托。他将自然科学从哲学中分离出来，强调实验，基于实验观测开展科学探究，这一直是科学探究的基本方法。虽然他的很多理论被后人推翻，如“物体下落速度和重量成正比”被伽利略推翻，“力是维持物体运动的原因”被牛顿推翻，但是亚里士多德关于科学研究的理念和方法是后人的宝贵资源。

第二位是伽利略，他的科学探究方法更加具有物理特质，主要表现为：通过对典型实验研究，提出有价值的科学问题（或为假设，或为猜想），然后运用逻辑和数学得出初步结论，在此基础上进一步开展实验探究和验证，对假设或者初步结论进行修正和推广。他对自然现象的研究方法是近代力学诞生的标志，也可以看作是近代物理学发展的起点[2]。这种方法一直到现在还是我们开展科学研究的基本方法之一。他被誉为“物理学之父”“科学探究方法之父”是当之无愧的。爱因斯坦对伽利略的科学探究给予了高度的评价：“伽利略的发现以及他所用的科学推理方法，是人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志着物理学的真正开端”[3]。爱因斯坦在这里提到的“科学推理方法”就是“观察与实验”，这正是科学探究的重要组成部分。伽利略将对典型现象的观察和实验，与科学猜想和假设、科学思维相结合，这是科学研究的最基本的方法。

第三位是牛顿，他对光现象、运动和力的关系等开展研究，牛顿将数学应用到实验、猜想、假设和科学思维中，建立了人类认识自然规律的最基本的观念。在牛顿的科学探究过程中，“分析与综合”是牛顿的科学探究的标志[4]，这是弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek，美国物理学家，2004年诺贝尔物理学奖获得者）对牛顿在科学探究方面的评价。牛顿在科学探究中提出的科学探究的思想极大影响了自然科学的进步和发展，推动了物理学的第一次革命。

第四位是麦克斯韦，他大胆质疑电磁相互作用中的“超距作用”，基于法拉第提出的场的概念，将科学探究的方法应用于电磁现象研究。麦克斯韦同样非常重视实验，在此基础上，他应用严格逻辑推理和数学工具于1864年建立了一直沿用至今的电磁场理论[4]。爱因斯坦对麦克斯韦的科学探究给予了高度的评价，他在《麦克斯韦对物理实在观念发展的影响》文章中说：“自从牛顿奠定理论物理学的基础以来，物理学的公理基础的最伟大变革是由法拉第和麦克斯韦在电磁现象方面的工作所引起的。”“在麦克斯韦之前，人们以为物理实在——就它应当代表自然界的事件而论——是质点，质点的变化是由那些服从全微分方程的运动所组成的。在麦克斯韦以后，他们则认为物理实在是由连续的场来代表的，它服从偏微分方程，不能对它作机械论的解释。实在概念的这一变革，是物理学自牛顿以来的一次最深刻最富有成效的变革。”[5]麦克斯韦理论推动了物理学的第二次革命。

第五位是爱因斯坦，他的科学探究方法具有“前科学性”[4]。与牛顿和麦克斯韦等物理学家有着明显的不同，爱因斯坦从伽利略、牛顿和麦克斯韦理论出发，通过对更深刻的“对称性”的理解，构建了全新描述时间和空间的理论——狭义相对论。该理论主要表述为两点：第一是物理定律在洛伦兹变换下拥有对称性（即不变性），即“狭义相对性原理”；第二是光在真空中的速度大小与光源的运动状态无关，即“光速不变原理”。这样构造的时空巧妙解决了麦克斯韦方程组的对称性问题。并且，当物体的运动速度较低时可从狭义相对论自然过渡到牛顿力学。但是，牛顿引力中的万有引力理论却与狭义相对论不自洽，根本原因是牛顿的万有引力理论是围绕着质量的概念建立的，在牛顿的万有引力理论中质量是守恒的，但是在爱因斯坦的狭义相对论中质量不再守恒。爱因斯坦在它的广义相对论中，通过提升对称性解决了这个问题。这一系列科学探究成果成为了推动物理学第三次革命的起点。

物理课标（2022年版）明确指出，科学探究包括问题、证据、解释与交流的要素[1]。因此，在课程设计与规划中，要深刻领会科学家们开展科学探究的理念和方法，结合具体教学内容，让学生领悟和掌握科学家们探索未知科学问题的方法。

4 科学态度与责任是构建课程的灵魂

义务教育阶段的科学态度与责任是指探索自然的内在动力，严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，以及遵守道德规范、保护环境并推动可持续发展的责任感，包括科学本质观、科学态度、社会责任[1]。在课程设计与规划中，要高度重视对学生科学本质观、科学态度、社会责任的培养。

例如，时空观是科学本质观的重要组成部分，它是物理学的基础。物理课程中主要表现为牛顿的绝对时空观与爱因斯坦的相对论时空观，这两种不同的时空观是学生分析问题和解决问题的基础，也影响着学生世界观、价值观和人生观的形成。初中物理教学中，主要以牛顿的绝对时空观教学为主，这既符合学生对日常生活的感知，也符合学生在知识体系建立过程中螺旋上升、由浅入深的认识规律。

经典物理学发展过程中常用的方法是归纳法，归纳法是从事物中凝练公理和概念的有效方法，同时也是进行正确思维和探索真理的重要工具。与归纳法相对应的是演绎法，演绎法的代表人物很多，如亚里士多德、欧几里得、笛卡尔等。牛顿应用的科学研究方法是有机融合了归纳法和演绎法，他认为自然界的科学要满足两个主要要素：第一是基于观察和实验验证，或来自于实验；第二是在逻辑上与公理相符合，这种方法对于牛顿以后的物理学和自然科学的研究非常重要。这个时期的物理学研究不但对物理规律构建提出要求，同时也对研究者本身进行了熏染，在学习和研究过程中，会使研究者形成严谨认真、实事求是和持之以恒等的科学品质。关于科学本质观的培养不是一个问题或一节课就能实现的，必须通过在不断依托知识传授、培养学生能力的过程中，让学生通过自身对学科的感悟、对科学家研究问题的理解，从而在头脑中逐渐形成属于自己的科学本质观，切忌生硬灌输。

对学生科学态度和社会责任的养成，如培养学生严谨认真、实事求是和持之以恒的科学态度，以及遵守道德规范、保护环境并推动可持续发展的责任感方面开展教育等。这些内容是学生成长过程中非常重要的部分，实现这方面的培养目标，需要教师在课程设计与规划过程中，结合课程内容本身和学生发展实际，采取灵活的方法，有机地将这些内容融入教学中，不要“做加法”“贴标签”“表面化”和“硬融入”，要在教学方法方面下功夫，做到“如春在花”“润物无声”。

物理课标（2022年版）已经在全国开始实施，深入理解课标的内涵，高质量完成立德树人的人才培养目标，是摆在初中物理教师面前的重要任务，也是教师的光荣使命。通过以学生发展为中心的高质量的物理课程设计与规划，突出核心素养理念，采取具有学科特色并符合学生认知特点的灵活的教学方法，坚持教师的主导性。在全体教师的不懈努力下，不远的将来我国初中物理课程水平一定会有更大的提高。