基于物理学科核心素养的观念建构

李先渝

（重庆市九龙坡区西彭一中 重庆 401326）

一、问题的提出

历经十年之久的新课程教学改革，经过许多物理教育界权威专家的呼吁，我国的基础物理课堂教学已经由传统的“知识本位”正在向着“知法合一”的教学模式转变，物理科学方法教育由被人忽视到逐渐被人重视，由隐性教育逐渐逐渐向显性教育转化，这对于培养学生科学的思维方式、提高学生的学科核心素养是非常有意义的，但深入到中学物理课堂，总觉得物理课堂教学似乎少了点“点睛之笔”——课的结尾虽然对知识和方法进行了梳理，但绝大多数物理教师没有将知识和方法进一步提炼、升华到物理观念的层面！

二十世纪物理学大师爱因斯坦认为：“在建立一个物理学理论时，基本观念起了最主要的作用。物理书中充满了复杂的数学公式，但是所有的物理学理论都是起源于思维与观念，而不是公式。”我国著名物理学史教授申先甲也认为：“了解物理学中的复杂的数学公式和定义等，都不过是基本观念的表达形式和演绎工具，基本观念才是先导的、本质的东西。”然而，物理观念具有内隐性，单凭学生自己通过物理知识的学习去领悟、生成物理学观念，对我国绝大多数中学生来说是不可行的；与物理科学方法教育一样，同样需要物理教师不断地进行挖掘、提炼、点化和显化[1-2]。

二、构建中学物理基本观念体系

所谓观念，就是客观事物在人脑中留下的概括性认识。物理基本观念，是通过一代代物理学家的辛勤劳动所揭示出来的对自然界的物质结构、物体之间的相互作用及其运动变化规律的一种最具概括性、整体性的认识。物理基本观念来源于具体物理知识，但又不同于具体物理知识，它是具体物理知识在人们头脑中的提炼与升华。

由于物理学揭示的是物质的基本结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律，作为人类智慧和文化的结晶，物理学理论的每一次重大研究成果及研究方法必然会影响着人们对客观世界的整体认识。但由于不同的人所接受的物理教育程度可能有所不同、对物理知识的感悟可能就不一样，从而不同的人形成的物理观念也就不一样，观察、处理问题的视角也会有所不同。但从理论发展的角度看，“物理学的发展总是以物理观念、物理思想的突破为先导和基底的。”正是由于伽利略运用逻辑、数学和实验的手段否定了亚里士多德关于自然运动和强迫运动的拟人运动观，才把力学的研究引上正确的途径。正是法拉第突破了物质间具有超距作用的束缚，提出了近距作用场的观点，才为麦克斯韦建立宏伟的电磁学理论大厦奠定了坚实的理论基础。科学史上类似的例子不胜枚举。

从教学的角度看，中学生物理基本观念的产生和形成主要来自三个层面：知识层面、方法层面和情意层面。知识层面的物理基本观念主要包括时空观、物质观、运动观和因果观，方法层面的基本观念主要包括系统和要素、整体和局部、结构与功能、宏观和微观、对称和守恒、简单和复杂、线性和非线性等思想观念，这些来源于物理学的核心概念，经过许多科学哲学家的抽象概括，早已上升为唯物辩证法的范畴，为人们从事各种科学研究和社会实践活动提供方法论指导。来自情意层面的物理基本观念主要包括科学真理观和科学价值观。这三个层面的基本观念构成了中学物理基本观念体系[3]。

1.知识层面的物理基本观念

（1）时空观

时间和空间是物质存在的两种基本形式，物体运动状态的变化都是在一定的时空里进行的。牛顿的绝对时空观认为，时间、空间是不依赖于物体的运动而独立存在的，而且彼此之间没有任何关联（这种时空观虽然已被爱因斯坦的相对论证明是错误的，但它却是牛顿力学赖以建立的理论框架，绝对时空观在宏观、低速的范围内与人们的经验相符）。爱因斯坦的狭义相对论指出，时间、空间与物体的运动密不可分，具有相对性，空间不再是平直的，而是弯曲的。

（2）物质观

自然界的物质分实物和场两种不同的物质形态。实物由粒子组成，呈现不同层次的结构，从里到外分别由夸克→强子→原子核→原子→分子组成；场是一种特殊的物质，场具有力和能的特性，中学物理涉及的场有重力场、静电场和静磁场。

（3）运动观

自然界一切物质都处在永恒的运动和变化中，运动是绝对的，静止是相对的；不同物体的运动形态各异，有的做规则的、有序的运动（如行星的运动），有些运动是无序的、杂乱无章的，如分子的热运动；物体运动的规律是可知的，人们可以凭借实验的手段和理性的思考揭示物体运动的规律。

（4）因果观

任何物理现象的发生、任何物理状态的改变都有其产生和变化的原因和条件。按照经典力学的观点，力是物体运动状态变化的原因，只要给出物体运动的初始条件和受力情况，就能准确地预测物体以后的运动情况，这就是所谓的机械决定论的观点。但量子力学理论却指出，由于电子等微观粒子具有波粒二象性，因此对于微观粒子的位置和动量的测量具有不确定性，这就是所谓的概率论的因果观。

2.方法层面的物理基本观念

（1）系统和要素

研究大量的具有相互作用的物体组成的系统，需要采用系统论、信息论和控制论的观点进行研究。高中阶段涉及到这类问题，如研究太阳系各个行星的运动规律、研究各种热力学系统、研究复杂电路的结构和功能，都需要采用系统的观点，通过分析系统内部各个要素之间的相互联系和相互作用，弄清系统整体的功能和属性。力学分析中常使用的整体法和隔离法本质上就是系统和要素、分析和综合方法的具体运用。

（2）简单与复杂

牛顿在他的《自然哲学的数学原理》一书中把简单性原则作为发现方法论的四大基本原则之一，可见他对简单性的重视。爱因斯坦在一次演讲中对简单性原则进行了解释，他说：“所谓的简单性，并不是指学生在精通这种体系时产生的困难最少，而是指这体系所包含的彼此独立的假设和公理最少……”他创立的《狭义相对论》和《广义相对论》正是用简单性原则构造科学理论的典范。许多著名的物理学家，如狄拉克等人还把简单性作为科学美的标准之一。

牛顿用一个公式F=ma就把力和物体运动状态之间的关系定量地表示出来，用一个公式就把地上和天上物体之间的相互作用规律统一起来，爱因斯坦用一个公式E=mc2就把物体的质量和能量之间的关系揭示出来，这些公式何其简单，其物理意义又何其丰富！

然而，自然现象却是复杂的、随机的、非线性的和不可逆的。当研究对象是由无限多个相互作用的物体组成的系统（如混沌）时，像经典力学这样传统的简单性理论就力不能及了。于是20世纪80年代，复杂性理论就应运而生。在学习热学相关理论的同时，让学生适当了解复杂性理论，既能开阔学生的知识视野，又能形成辩证唯物主义的自然观。

（3）对称和守恒

自然界中许多物体的形状和结构具有对称性，如金刚石、雪花等晶体的结构具有高度的对称性；有些运动形式具有对称性，如竖直上抛运动、简谐运动等等；有些物体的物理性质具有对称性，如平面镜成像，等量同种电荷的电场、等量异种电荷的电场线分布等等。学生通过物理知识的学习，不断接触形式多样的对称性，对称性的观念就会逐渐形成。

在物理学中，守恒的思想也是物理学最重要的思想观念之一。在高中物理教学中涉及到守恒定律有机械能守恒定律、能量守恒定律、动量守恒定律、质量守恒定律、电荷守恒定律、核反应中的质量数守恒和电荷数守恒等等。现代物理学揭示出：每一种守恒量都与某种对称性相联系。随着物理学习和研究的不断深入，对称和守恒的观念将越来越深入人心。

（4）宏观与微观

对于同一物理现象，从宏观和微观两个不同的角度进行研究，找出其内在联系是物理学研究常用的思想方法。例如，高中物理选修3-3教材中，用了很大篇幅研究布朗运动，通过布朗运动的研究，人们推断出分子运动的永动性和无规则性；通过铅块引力实验和物质的不可压缩性，推断出分子之间既有引力又有斥力的作用力特点。从方法论的角度看，分子运动论的研究生动地体现了“宏观反映微观，微观决定宏观”的物理思想观念。也只有从分子运动这个微观角度出发，才能深刻地理解“温度”概念的微观意义，才能深刻地理解气体压强的微观本质，才能透彻地理解自然界物态变化的根本原因。现在，从宏观和微观两个角度研究问题的方法已经从物理学的研究延伸至化学、生物学、医学甚至社会学、心理学和政治经济学等人文学科的研究中，成为一种普适性的思想方法。

3.情意层面的物理基本观念

（1）科学发展观

从托勒密的地心说到哥白尼的“日心说”再到现代的宇宙大爆炸理论，从经典力学和电磁学理论到相对论力学和量子力学，科学理论的发展生动地说明了真理是相对的，任何真理都有一定的适用范围和适用条件，超出这个范围，真理就变成了谬误。认识这个道理，学生就不会盲从书本上的现成结论，而会将理论与实践相结合，最终成为一种具有批判性思维的创新型人才。

（2）科学价值观

“真”“善”“美”是物理教育的最高境界。对未知世界的探索谓之“求真”，对科学研究服务于人类社会的生产和生活的价值追求谓之“求善”，“美”是合规律的“真”和合目的的“善”与完美的形式之间的和谐统一。只有在“善”的指导下，对自然进行“美”的认识和改造，人类才能达到更高的“真”。只有让学生通过物理知识的学习，体验物理学知识的“善”、感悟物理学知识的“美”，新课标的“情感、态度和价值观”目标才算真正落到实处。

一旦学生形成了“真”“善”“美”的科学价值观，对学生未来从事科学研究会形成持久而强烈的内驱力，这种内驱力将驱使研究工作者克服一切困难，直至到达真理的彼岸。科学史上，布鲁诺、伽利略、开普勒、居里夫人、爱因斯坦、狄拉克等一大批物理学家都是追求物理学“真”“善”“美”的典范。

三、从知识建构到观念建构的意义

由于物理基本观念对物理知识的获得具有自上而下的引领作用，所以，新课程背景下的基础物理教学的目标和任务应该是：让物理知识和研究方法升华为物理学的思想观念，让物理学的思想观念统领物理教学和科学探究。

较之“知识本位”的教学，“观念建构”教学能够有效地激发学生深层次的思维活动，增进学生对物理知识内在本质的深刻理解。这是因为物理基本观念是以物理知识为载体而存在的，它的形成是以对具体物理知识的深刻理解为前提的。而要深刻地理解物理知识，建构物理观念，就有必要对物理学的核心概念和规律进行历史的考察，弄清核心概念产生和发展的历史背景，了解物理规律发现和建立的历史过程，因为“物理学发展的历史，本质上就是物理学基本观念演变的历史。”

例如，初中生学习了热量和热容量的概念后，再经过一定时间的习题训练，大部分学生能够熟练地运用热量公式计算物体吸收和放出的热量。那么，这是否意味着学生真正理解热量和热容量的概念了呢？我看未必。试问，热量和热容量的概念是在什么历史背景下提出来的，物理学家引入这个概念是为了描述或说明什么物理现象？如果不对这两个物理概念进历史考察，学生就不可能深刻理解这两个概念的内涵和外延。从物理学史中我们了解到，这两个概念其实是十七、十八世纪人们在探索热的本性的过程中提出来的。关于热的本性，历史上曾出现了两种对立的学说：热质说和热动说。热量和热容量则就是热质说这一理论的产物。1732年，英国化学家布莱克做了等量的水银和水的混合实验，结果发现，平衡温度的数值不等于二者初始温度的平均值，由此，他提出了热容量的概念。或许，初中物理不要求学生了解这些物理史实，但到了高中，学生在学习“功和内能”的概念时，再对热质说和热动说的发展过程进行历史考察，学生对热量和内能这两个概念的区别和联系就有了深刻的理解，对科学理论曲折的发展过程也有了更深刻的认识。

综上所述，只有让学生头脑中的物理知识上升到物理观念的层次，才能真正发挥物理文化的育人功能，才能真正影响学生的思维方式和行为方式，更快促进学生辩证思维能力的形成，切实提高中学生的学科核心素养。从这个意义上说，促进物理教学从“知识建构”向“观念建构”的转变刻不容缓。