指向学科核心素养的物理概念教学反思与重构

吕艳坤，唐丽芳

作为关注人全面发展的培养目标，学科核心素养回答了“教育要培养什么人”的问题，而未回答“教育要如何培养人”、如何促进核心素养落地成为当前教育和课程改革的重要议题。物理概念作为物理知识体系的基础，既是中学物理教学的核心议题，也是发展学科核心素养的重要载体。因此基于教学实践和核心素养内涵开展概念教学研究，是课程改革的现实需求和必然趋势。

一、物理概念教学回眸与反思

物理概念是人类对于自然界的最基本认识，也是认识物理规律、发展认知能力的基础和前提。教育工作者普遍认同物理概念是指客观事物的物理共同属性和本质特征在人们头脑中的反映，是物理事物的抽象；同时将物理概念作为物理教育的重要载体[1]。然而，审视教学实践，我国学生物理概念的学习并未达到预期效果。因此，亟待聚焦实践场域正视物理概念教学中的现实问题，回归理论视域追溯问题形成的根源，进而探寻优化路径，这是时代赋予的迫切任务，也是课程改革必然趋势。概念教学中存在的问题包括以下几个方面。

（一）囿于经验教学

目前我国教师教育主要由职前培养、入职培训和在职培训三部分组成。新教师在职前培养环节未建构起完整的教育学理论框架。入职培训主要以教学实践操作指导为主，缺少理论知识的学习。在职培训虽然加强了理论学习，但是教师已形成“重实践、轻理论”的思想，很难保证足够的时间精力来学习系统的理论知识。由于一线教师缺乏教育理论基础，我国传统的物理概念教学主要通过教师个人经验总结、师徒之间经验传授和教师之间的听课、评课来实现。这种经验层面的总结与传承能够博采众长、促进教师业务能力快速提升，在一定程度上促进了物理教育的发展。但由于教学经验的传播受到时间、空间等因素的限制，且教学经验受个人主观认知影响较大，缺乏理论和实证依据，经验教学也在一定程度上制约了物理教师教育教学水平的进一步提升[2]。

（二）对学习起点认识不足

安德烈·焦尔当（André Giordan）在《学习的本质》一书中曾提出“对学习者的前概念（先有概念）的考虑必须成为一切教育计划的出发点”。学生不是空着脑袋进入教室的，学生在学习新概念之前对所涉及的知识并不是“全新”和“毫无知觉的”。前概念和个人经历密切相关，它在与即时环境、社会环境互动中形成，根植于环境文化之中，具有一定的时代印记和环境印记。然而，我国教师在进行教学设计时，往往根据以往的教学经验或者自身的臆想来确定学生学习新知识存在哪些认知困难，极少有教师会在课前对学生进行相关知识的前概念进行测试与分析。

（三）重识记轻过程

近三十年来，受社会上急功近利思想的影响，许多人都在追求短期可见的成效。由于教育的功效难以在短期内得以体现，考试成绩成为评价学生、升学率成为评价教师和学校的功利性标准，甚至是唯一标准，从而导致学校教育教学应试化倾向凸显[3]45-53。为了让学生在短期内获得高分，学校更多地采用死记硬背的方式让学生学习；教师进行物理概念教学时，更愿意把概念以结论的形式直接呈现给学生，强化学生运用概念解决课内习题的能力，而忽略了概念在生活实践中的实际应用。学生对于这种浅层学习方式获取的知识缺乏足够的认同感，在获得知识所承载的教育功能方面严重不足。

（四）理论研究不足

我国概念教学缺乏相应的理论研究基础，教学实践主要依据苏联费多琴科提出的以物理知识为中心的学科知能结构图（如图1 所示），该知能结构图以物理知识为中心，将实验事实、方法论问题、数学和延伸与应用有机结合起来，突出知识的核心地位，强调彼此间的顺序性和关联性[4]。

在教学实践中发现该理论存在一些问题：一是该结构图研究的对象是宏观的物理知识，而非针对物理概念；二是并非所有的物理概念均直接来源于物理事实，物理概念的延伸与应用大多需要经由科学思维和数学推导的过程；三是过分强调物理知识的中心地位，容易引导物理教学走向重知识轻能力的应试教育。

图1. 以物理知识为中心的知能结构图

邢红军等人在费多琴科传统结构图的基础上，提出了以科学方法为中心的知能结构图（如图2 所示），调换了物理知识和科学方法论的位置，以科学方法为中心和纽带[5]。该结构图强调物理知识的获得和应用都必须经由科学方法，这在一定程度上有效解决了教学上的逻辑性问题。但该理论仍有以下不足：缺乏针对性，未体现出物理概念在物理知识中的独特性；弱化了物理概念的重要性；物理概念的形成和应用过程中的科学方法并未加以明显区分。因此，该结构图的推广应用也受到了一定限制。

图2. 以科学方法为中心的知能结构图

二、学科核心素养视域下的物理概念教学

正如三维目标的三个维度并不是彼此独立的，物理核心素养的四个方面也是相互联系、共同发展的。从前概念到物理概念，再从物理概念到物理观念的过程是学生发展科学思维和科学探究能力的过程，同时伴随着科学态度与社会责任感逐步形成；在物理概念教学过程中不能将这几方面割裂开来[6]。

（一）物理概念是形成物理观念的基础

物理概念反映的是物质世界的客观存在，物理观念是在物理概念的基础上人类对物质世界的基本认识与看法。从物质世界到物理知识，再从物理知识到物理观念反映了人类对自然界认知程度逐步加深的过程。学生一旦离开校园，知识的遗忘程度很高，而观念则会对人产生深远的影响。高中物理课程的目的不在于教授给学生一堆概念知识，而在于教会学生用物理的视角观察世界、用物理的思维思考世界、用物理的语言描述世界，并且希望这种能力能够终生伴随学生，对其未来发展和终身学习奠定基础，因此从物理概念走向物理观念是物理教育发展的必然趋势[7]。

（二）概念学习为科学思维能力的发展提供了空间

在物理概念的形成过程中，感觉、知觉、表象等是基础，科学思维是关键。物理概念的形成和应用均有科学方法参与其中，物理观念具有明显的个体意识，受认知客体和主观意识的共同影响，其一旦经思维加工形成则需要更加复杂的思维和论证过程才能发生改变。因此概念学习是发展科学思维能力的载体，科学思维是从物理概念走向物理观念的关键步骤。概念的形成和应用过程即科学思维内化与外显的过程。

（三）概念学习是培养科学探究能力的有效途径

科学探究是人类探索和了解自然、获得以物理概念为代表的科学知识的主要方法，也是一种综合的、关键的科学能力和素养。概念教学提倡探究式学习，通过为学生提供充分的探究式学习机会，引导学生经历科学探究的过程、学习获得知识的方法、自主建构物理概念。物理概念随着人们对自然界认识的不断深入而发展和变化，科学探究则是人类认知变化的驱动力。例如探究弹力和弹簧伸长量之间的关系时，通过学习、应用控制变量法和图像处理法，对弹簧弹力和形变量之间的关系形成科学的认识，促进学生对于科学方法的内涵理解和应用能力的提升。

（四）物理概念是形成正确科学态度与责任的前提

态度是个体对特定对象（人、观念、情感或事件等）所持有的稳定的心理倾向，这种心理倾向蕴含着个人的主观评价以及由此产生的行为倾向性[3]59。物理概念的外显，往往伴随着科学态度与责任的形成。物理概念反映的是客观世界的本质属性及相互关系，是人们对科学本质最基本特点的认识，是学生对科学对象、科学现象、科学过程、科学事实、科学理论、科学研究等所持有稳定心理倾向的前提，是形成科学伦理和对科学·技术·社会·环境（STSE）正确认识的基础。因此，科学态度与责任的形成首先要求学生对物理概念有正确、深入的理解。

三、基于核心素养的物理概念教学理论框架建构

科学知识是解决问题的基础，思维能力是解决问题的关键，二者互为载体、交互发展，共同构成了学生的智力与能力。物理教育既要“授之以鱼”又要“授之以渔”，在教育教学中应当将学习知识和发展能力均置于中心位置。为促进物理学科核心素养在教学实践中有效落地，笔者建构了基于学科核心素养的物理概念教学理论框架结构图（如图3 所示）。采用双中心模式，即将物理概念和科学方法同时置于知能图的中心。

图3. 双中心知能结构图

（一）突出前概念的重要性

物质世界是指不依赖人的意识并能为人的意识所反映的世界，它包括自然界和人类社会。前概念受学生主观意识影响很大，且体现出很大的个体差异性，在很大程度上决定着学生对新知识的理解。物质世界为物理概念的形成提供了客观基础，学生的前概念为物理概念的形成提供了主观基础。教育实证研究表明学生在学习新概念时必然受到前概念的影响，尤其是学生在面对较为复杂的问题或者陌生的情境时，往往会使用前概念。因此物理概念的学习必须综合考虑主观和客观意识的影响，注重概念形成的真正起点。

（二）对物理概念加以区分

双中心知能图依据形成过程的复杂程度将物理概念分为简单概念和复杂概念。简单概念是在观察、实验的基础之上，经过思维加工，抽象出物理事物和现象的本质特征，例如位移、质点等概念。对于一些复杂的概念，还应该在概括出共同特征的基础上，判断哪些因素与我们研究的问题有关，哪些因素与之无关，概括出来的特征是不是本质特征等，如扩散的概念，还要通过实践（实验）与分子热运动、能量守恒等概念联系起来加以检验，经过一个复杂的推理过程，即需要科学方法参与其中。简单概念和复杂概念的获得过程不同，其最大区别在于是否需要复杂的科学方法参与其中，其学习过程也应该加以明确区分。

（三）将科学方法加以区分

依据在概念建构过程中的体现形式将科学方法分为获得型科学方法和应用型科学方法。获得型科学方法主要是指在物理概念的形成过程中所采用的科学探究、科学思维、科学推理和科学论证等方法。复杂概念的建立往往需要多种科学方法的交互作用。例如动能概念的建立是在牛顿第二定律的基础上，通过理想化模型、演绎推理法和对比法等科学方法的参与，最终形成新的物理概念[8]。应用型科学方法通常是指学生基于物理概念去解决一些实际问题时所采用的方法，例如求解物体动能改变时，往往需要用到整体与隔离法、等效法和演绎推理法等。获得型和应用型科学方法二者的区分并不是绝对的，在实际应用中有部分交叉，例如控制变量法是获得物理概念的基本方法之一，也是讨论动态变化问题的常用方法。通过明确了每一种科学方法在概念学习中的作用和意义，在课堂教学过程中显化科学方法，有助于切实提高学生的科学素养。

（四）强调物理知识和科学方法的统一

物理概念是学生认知能力的基础，科学方法是学生应用物理知识来解决实际问题的工具。以知识为中心的知能结构图，过度强调知识的重要性，容易导致教学过程中轻理解、重记忆，这也是应试教育的弊端之一。以科学方法为中心的结构图，偏重于科学方法，忽略了知识本身的重要性；重方法而轻知识的教学理念容易导致知识掌握不到位，学生科学素养缺乏根基，犹如空中楼阁，缺乏可持续性。

指向核心素养的物理教学改革强化物理知识和科学方法共同的中心地位，突出二者之间的关系：互为载体、互为目标，相互促进、共同发展（如图4 所示）。只有将物理概念和科学方法有机结合起来，将概念的自主建构和灵活运用有机结合起来，将知识和方法内化形成物理观念，才能充分发挥物理学科的教育价值，培养能够适应学生个人终身发展和社会发展的必备品格和关键能力。

图4. 物理知识和科学方法的关系

四、基于双中心理论框架的教学策略

（一）探查前概念以强化情境教学

情境认知理论强调知识源于个体与情境的交互，概念的获得与运用都与情境密切相关。如果脱离情境，仅靠讲授和记忆习得的概念难以纳入个人的认知系统，不具备逻辑上的使用价值。如果仅停留在基于教学情境获得科学概念，忽略在具体情境中的迁移应用，就失去了本质上的存在意义。基于建构主义理论进行情境教学，主要有认知冲突策略和认知发展策略两种方式。以牛顿第三定律为例，学生在学习之前已有基本的认知，但是基于直观感受对于拔河过程中在被拉动的瞬间，二力的大小认识可能会有所不同。认知冲突是指通过学生之间关于“力是否始终大小一样”的认知发生矛盾，再由教师引导学生进行认知调整，建立“二力总是大小相等，方向相反”的科学的物理概念。认知发展策略是指在学生原有的观念之上，通过实验验证“二力在同一直线上”，促使学生现有的观念向科学的观念发展和拓展。

学生的前概念是发展物理概念的起点。教师只有突破自身教学经验和传统测试题的局限，方能有效利用学生的真实前概念：首先，通过查阅文献确定学生可能存在的前概念；然后，通过多阶测试题，由答题阶、理由阶和信心阶确定学生的前概念以及学生对于前概念的信任程度；最后，通过有效对话、课堂观察、课后练习等手段挖掘隐藏的前概念，以及前概念与科学概念的动态竞争和作用机理。除此之外，物理概念教学应当深刻认识前概念与物理情境的相关性，选取既能激发学生的学习兴趣、又能充分暴露出学生原有认知的物理情境，开展有效教学。物理概念的教学目的不是为了单纯地获得知识，建构知识体系，学会解题，而是让学生学会运用知识解决实际问题，并将这种能力带到将来的学习和生活中。

（二）基于学习进阶发展核心概念

核心概念是未来概念学习的重点，需要强调的是核心概念并非由概念的难易或复杂程度决定的，而是由其在学科中的重要地位决定的。高中物理教学首先应该依据学科本质遴选核心概念，基于学科核心素养等级开展学习进阶培养，引导学生围绕核心概念建构知识体系。以核心概念统领物理教学，可以帮助教师从纷杂的事实、概念、规律、定理、公式中跳出来，站在更高的位置上培养学生的科学素养[9]。

学习进阶是一系列假设，假设学生在教学的影响下，对核心概念的理解、应用能力如何随着时间的推移而逐步深入发展。心理学研究表明，学生对于某一概念的学习不是一蹴而就的，而是基于客观事实和自身前概念，随着认知能力的不断发展而逐步发展起来的；这个过程的起点是前概念，受到学生认知发展规律、知识本身的内在逻辑和教育教学规律等多方面因素影响，终点则是我们期望学生在接受相应学段的学习之后对核心概念所应持有的理解[10]。物理教学过程中，教师应当抓住物理概念间的共性和差异性，依据学生的认知水平等级，选择适当的教育教学方法开展进阶学习，才能引导学生逐步建构起科学的概念体系，对世界形成系统的、科学的认识。

（三）深挖文本信息以促进深度学习

深度学习是在教师的引领下，学生围绕着具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的学习过程[11]。深度学习倡导单元学习，要求教师建立好学科核心素养与学科核心概念之间的联系，依据课程标准和教材，制订学习目标、选择教学内容、设计学习活动、开展课堂教学、进行学习评价，环环相扣，从而使学科核心素养具体化，可培养、可干预、可评价[12]。

教学活动采用的文本资料主要有教材、教辅、专著、期刊文献等。课堂教学不应当局限于文本的浅层表达，应当尝试以专家学者的视角思考文本承载的深意[13]。教师教学过程中以文本素材为媒介，沟通和暴露学生的前概念，激发学生学习兴趣，引发学生深入思考概念的内涵，引导学生积极与生活体验联系起来，经由科学思维的加工将概念内化形成物理观念。以弹力为例，通过对比分析不同版本的教材发现教材对于弹力的定义有所差别，主要矛盾集中在弹力产生的条件是“弹性形变”还是“形变”。为促进深度学习的发生，教师首先应当把这种概念定义的差异真实地展现给学生，引导学生自主思考弹力产生的原因。然后教师可以从微观角度分析弹力产生的本质原因，帮助学生在认识弹性形变和范性形变的基础上认识形变与弹力的关系。最后通过手压橡皮泥的真实问题探讨，通过牛顿第三定律的引入在促进弹力概念发展的同时，加深对于力与相互作用的认识。

（四）显化科学方法促进知能协同发展

物理概念是基于一定物理情境，运用一定的科学方法，经历一系列的科学过程而形成的。科学方法学习的目的在于让学生了解并掌握研究世界的基本思想和方法，并能在实际应用过程中体会其价值。基于核心素养的课程设计强调学生体会物理概念的建构过程，学习并掌握建构概念的科学方法，以便学生能够深入理解概念的内涵、有效把握其内涵与外延。以“质点”概念的学习为例，教师首先要让学生明白为什么要用质点来描述物体的运动，引导学生体会科学抽象的目的与意义。然后引发学生思考物体可视为质点的条件，给学生明确理想化模型的适用范围。最后通过问题情境的迁移运用，让学生感悟科学方法应用的真实效果。一旦学生能够学习掌握理想化模型、等效替代等科学方法，在学习到“点电荷”等更加复杂物理概念时就能够举一反三，表现出良好的适应性。

物理学科核心素养强调培养学生运用物理知识和科学方法去发现问题、提出问题、分析问题和解决实际问题的能力。只有在学习、工作、生活的实际运用过程中，学生才能反映出真实水平，教师才能根据实际情况不断调整教学策略，及时纠正、完善和深化学生对于概念的理解[14]。因此，在物理概念的运用练习时，要从传统的物理概念习题和物理模型习题过渡到物理情境问题和原始物理问题，通过解决情境问题和实际问题，培养学生研究物理的好奇心和求知欲。