關于物理觀念的思考與教學探討

續佩君

(首都師范大學物理系 北京 100048)

《普通高中物理課程標準(2017)》(簡稱“標準”)提出了物理學科核心素養要素——物理觀念，并將其詮釋為從物理學視角形成的關于物質、運動與相互作用、能量等的基本認識，是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎[1]．但相對于知識學習而言，觀念教育還通常都處于較“虛”的狀態．在此之前，物理觀、時空觀等則是物理教師熟悉的詞匯．二者之間有何聯系呢？下面僅從觀念本身的概念與成年人觀念形成的體驗入手對物理觀念教育(含物理觀與物理觀念的差異和聯系)做出理論分析和教學操作探討．

1 物理觀念認知模型

1.1 基于觀念的概念分析

觀念：意識對外部現實的一種能動反映形式[2]．其中：“反映”既表明了觀念產生的來源又指出了存在一個腦加工過程，“形式”通常呈現為觀點(一個或一組)或表象(1)例如：“為富不仁”是觀點；“邪不壓正、正義必勝”是觀點組；“一看就是奸商”屬表象.，“能動”則是強調意識對外部現實的反作用(2)觀念的“能動”之意為下句話的后半句：人在實踐活動和認識活動的基礎上創造出對象的觀念，然后再根據這個觀念指導人們的行動，以達到改造和改變客體的目的[3].例如物理《課標》指出的從物理概念規律提煉和升華出物理觀念以后，能“從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題”.．作為觀念“反映形式”的觀點(組)具有高度概括的特征，從而能外延到相當寬泛的外部事物．結合“課標”，可做出以下3點分析．

第一，觀念產生與發揮功能的必要條件：直接的是學生與知識，本源則是人與自然界、社會、環境．

第三，觀念由產生到形成的中間形式：直接的是觀點，本源性的是運用觀點的視野．觀念的概念之屬為“反映形式”，通常呈現為觀點或表象．“標準”對這點似未予明示(故有“物理觀就是物理觀念”之說)，但“標準”提到從學科“視角”看，可認為已指出了運用觀點的視野．

綜上，學生形成物理觀念的主觀途徑，促生某個具體觀念的知識，對相對整體性知識萌生進行更高層的抽象、提煉與升華，在運用觀念解決問題以及看待自然界過程中對觀念理解的深化，可視為物理觀念認知四要素(途徑、知識、提煉、深化)．

1.2 對“提煉與升華”的進一步思考

1.2.1 “提煉與升華”的隱含前提

討論提煉與升華，一個不言而喻的前提是存在行為主體．發生“認識”“提煉與升華”“運用”的主體應當且只能是學生．教師應是連接知識與學生，觸發學生提煉與升華的能動性媒體．即：不是教師把提煉與升華的結論直接講給學生，而是熏陶和引導學生有所萌生并從理解中自行提煉、再提煉……至達正確、深刻、簡明、概括的水平．其過程可用螺旋式上升模擬．

1.2.2 提煉與升華的基礎與結論的形態

根據學生的認知實踐與我們自身的體驗，提煉與升華的發生需以相當數量的物理知識作基礎，以及個體主觀能動性的發揮．對于后者，由體驗和詞語的義析可做出3個判斷：提煉不等于升華；提煉有益于升華的發生，但促進升華發生的還有多種因素，包括靈感；升華的難度大于提煉．提煉的結論將比知識本身更抽象與更概括，升華結果的概括度應該更高．從知識提煉、感悟、升華出這些的表述雖還是屬于知識范疇的具體觀點或觀點組(3)例如人們常說的宏觀、微觀、宇觀乃是關于物質結構尺度的觀點，價值觀則是“關于價值的一定信念、傾向、主張和態度的觀點”，但已不再是一般水平上概括出的那些知識間的聯系和其直接簡單運用(如認為物理觀念“就是物理知識，即物理概念、規律及其聯系與應用”[5])．它是在被高度概括后達到的一種超越物理知識間一般性聯系且涉及存在(前提)性或本質性的內在因果關聯命題，可使用于對大量事物的判斷．當這些觀點(組)被自覺用來看待和處理外界事物時，這些高度概括的表述才可能轉變為觀念式形態．當觀點被經常用來看待與處理廣泛的事物，觀點(組)就會在無意識中由記憶提取態轉化為自覺反映態．

1.2.3 提煉與升華的教學組織

教學實踐表明，學生在學習過程中獲得的個性心得與提升在正確性、確切性、全面性(相對的)等方面存在差異，而且必需接受教師的評價(鼓勵、糾偏、提升、規范化等)．由此，教師對物理觀念的理解與把握將是學生形成正確物理觀念的必要條件．

1.3 中學生物理觀念認知模型

據上所討論的觀念認知四要素：途徑、知識、提煉、深化，螺旋式提升過程，以及師生主觀與客觀外部現實(自然界、社會、環境等)之間的交互與師生各自在學科觀念教育中的任務，可建構出圖1所示的學生物理觀念認知模型．模型的構建邏輯以學生的認知規律與我們自身獲得觀念性認知的體驗為脈絡——“提煉與升華”的發生與形成既需以相當數量的知識作基礎，又有一個逐漸抽象提高的過程，以及在整個過程既依賴于個體主觀能動性的充分發揮和相互間的交流與啟迪，又都處于人與外部世界的交互之中．圖中：藍色表示外部現實(圖中灰色背景)；實線箭頭表示教授教學，虛線箭頭表示引導、交流教學，螺旋線上的箭頭表示螺旋上升方向；螺旋圈的面積由小(近無)→大→逐漸變小→小(近無)，表示提煉出的內容文字表述的量由少(內容單一)→多→逐漸變少(即概括度變高)；螺旋圈的上升表示理論高度的提高；螺旋圈的弧度由小逐漸變大表示所轄視野越來越大．

相較于峨眉、昆侖等其他門派對魔教的敵視，武當對于魔教的態度似乎有些模棱兩可。理智上他們覺得魔教行事詭譎，不為道義所容，如張翠山在初識殷素素時就曾因她是天鷹教弟子而抗拒與其交往。但情感上他們卻又能無視對方的身份，對所接受的人付出真心，如張翠山帶殷素素回武當時，師門也對他們表示祝福，并且盡力維護。

圖1 中學生物理觀念認知模型

2 物理觀念的內容要點

由圖1可知，物理觀念的基點乃是具體知識及其內在的邏輯相關，實際教學也恰恰都是從一個個具體的知識開始的．因此，首先需要厘清物理具體觀念在中學課程中的主要內涵[6]，及其和“標準”中的課程各章節的聯系．以物質觀念為例，中學階段含有3個要點．

2.1 物質存在只呈現兩種基本形態且都時刻伴隨著運動及相互作用

迄今為止對物質結構的認識尺度為1033cm～10-17cm[7]，其最基本的存在形態只有兩種：基本粒子與場．宏觀的各種物體和各種物質材料都是上述兩種基本形態物質的組合(4)例如原子乃是由不同的基本粒子和與其相應的不同場構成.；物質的不同物態，本質上都是粒子和場在不同條件下結合的不同形式．(必修1.1.2，2.3.3，3.1，3.3；必選3.1.1～3，3.3.1，3.3.5)無論哪種形態，物質都時刻處于運動和相互作用之中，且都呈波粒二象．(必修2.3.3，3.3.6；必選3.4)以場形態存在的物質也具有質量、能量、動量、角動量，例如電磁場[8]．當所有場都處于基態(能量最低狀態)時表現為真空，故真空并非沒有物質(5)在外電場作用下可宏觀觀察到由真空中正負電子分布的改變而導致的真空極化現象.．(必修：2.3.3，3.1.5，3.1.4，3.3.2，3.3.4，3.3.6)

2.2 物質有慣性質量與引力質量

質量是物質的一個基本屬性．任何形態的物質都具有慣性質量和引力質量．(必修：1.1.2)慣性質量是物質、物質慣性及物質固有能量E的量度(E=mc2)．宏觀低速的運動中不存在慣性質量為零的物質．高速運動(接近光速)時物質的慣性質量將隨速度顯著變大(相對論質量)．(必修：1.2.3，2.3.1，2.3.2) 引力質量是引力相互作用的源．在引力質量較小，運動速度較低的弱引力場中，引力質量等于慣性質量．(必修：1.1.2，2.2.4)

2.3 物質不可消失或創生

任何一個孤立體系中不論發生何種變化或過程，物質總質量始終保持不變．這表明宇宙中物質永恒存在，不可消失或創生．(必修:2.3.3，3.1.1，3.4.2；必選:1.1.3)

3 促使物理觀念教育落在實處的教學措施

“標準”強調物理觀念“是物理概念和規律等在頭腦中的提煉與升華”，既是暗示亦是明確出一個要求：物理觀念的形成不能從教師灌輸詞名與內涵開始，否則會造成學生把物理觀念當作知識來學．此點已有科學探究教學的前車之鑒．據圖1的所有內涵，據中學生的一般認知特點和物理學知識的內在邏輯脈絡[9]，以及體現先進教育理念的物理教學經驗，提出下述教學措施．

3.1 根據學生認知規律在課堂教學中加強對物理觀念內涵的展示

對物理觀念，學生需先有所感受且具備一定感受積累后，才有可能感知知識與觀念的差異；同時，這也是學生進入自我提煉與升華物理觀念的認知基礎．因此，特別是在概念規律建立的階段，教學中滲透相關的物理觀念要點，使學生獲得一些聽覺表象，會對學生將來走進提煉、升華甚至獲得頓悟打下一些基礎．例如講重力勢能Ep，首先明確它是以物質和物體質量的存在為前提的，它的變化乃是源于彼此之間的相互作用造成的相互位置改變；講動能，強調是物體由于運動而具有的；講電勢能，則突出其源于場與帶電粒子間的相互作用．于是能量來源于物質、質量、運動、相互作用的這一能量觀內涵就都在教學中得以暗示．在日常滲透的基礎上，還需要增加明示環節．明示的時機一般以有些學生已進入深一層理性思考狀態時為宜．

3.2 引導學生把“從物理學來看”作為思考問題的自覺視角

基于物理學規律是物質及其運動的“最一般、最普遍”規律的這一特征，物理觀念是物理學解釋自然界現象和一些問題的基本視角．從這一含義，落實物理觀念教育的基本途徑就是養成“從物理學的視角看”問題的習慣．

3.2.1 從物理學視角審視引入環節中的物理情境

在引入環節展示自然現象和過程之后，不再像以往一樣從問題→概念→邏輯盡快轉入正題教學；而代之以從物理學的視角對現象本身的存在、范疇、性質、模型等內容，做出一個大致的、定性的、框架式的分析和定位，然后再轉入要研究的具體問題．例如加速度引入．在展示大貨車和小轎車在綠燈亮時同時啟動的現象，提出要研究的問題后，教師可先從物理觀念的視角引導學生思考都能看出什么．首先，任何物體都有質量，都受引力；視為質點，無體積和形狀，不考慮空氣阻力．其次，任何物質之間存在相互作用；兩車之間的引力作用可以忽略，但在地面上，質點與地球之間存在的相互作用必須考慮：一個作用表現為重力和支持力，另一個表現為和地面之間的摩擦力．再次，兩車的運動狀態：初態的速度、機械能都是零；啟動同樣時間后兩車末態的速度、位移、動能都不同．在示范一個階段后，應鼓勵讓學生逐步介入這一環節，并注重及時加以追問．

3.2.2 從物理學視角對相關的物理知識進行系統提煉

一個具體知識點，在學習到一定階段時，用“從物理學視角看”引導學生從物理觀念對該知識點及其與相關概念組成一個整體之后的物理意義要點、作用方式、特征等問題作出思考．例如在學習電磁波概念之后，可從物理觀念的角度引導學生回顧學過的各種波的本質：無論聲波、機械波、電磁波，一種運動形式必然對應一種能量形式．故從物理學角度看，波是一種能量形式，也是物質傳遞能量的一種特定運動形式．特點是波可以攜帶各種能量，因此波被物理學更多視為由能量間的相互作用形成的運動．

3.3 要求學生具有“提煉與升華”的自覺意識指導學生改進“提煉”方法

觀念的個性化加工特征將影響加工的主動與積極、方法與質量；而主動性則是學生是否能成為學習主體的基礎．在學生進行提煉且獲得感受的基礎上，須再要求學生形成進行提煉與升華的自覺意識．意識-習慣-自覺意識，雖過程較長但形成的觀念源于自己所學，存于學生內心，才能使學生自覺“從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題”．在實際教學中，“提煉”可從分揀學習中所獲得的“一堆”觀點開始，“升華”可以從“尋找概括語”開始；繼而審視是否可以對某些概括語進行更簡明及更高層次的歸類與概括．一旦學生進入狀態，作為智力動作的提煉與升華通常會以交叉、穿插或交疊的方式自然地發生．如果教師此時再針對具體情況，或指導、或引導、或鼓勵、或幫助，可促使學生不斷改進探索和“提煉”方法，獲取對頓悟、升華的體驗．例如學生從必修1的內容可以自己提煉出：宏觀不同的各種物體實質都屬于物質存在的一種基本形態——實物粒子，都具有慣性質量，物體間的相互作用與物體運動狀態的改變之間存在因果性；從必修1和2可提煉出物體慣性質量與物體運動速度間的關聯界限，能量的存在、來源與作用，以及能量的轉化和守恒．但通過生生、師生之間的交流，則可進一步上升為能量形式總與運動形式對應，且相互作用的存在具有絕對性．

3.4 注意對學生的提煉與升華進行重整化

學生自己“提煉與升華”的物理觀念帶有個體化且分散性．學生自己對外界的大量觀察，對專業詞匯的顧名思義，以及受一些“流行說法”的影響，也易產生一些不正確的物理觀念．這些觀念可能雖不言表卻存于內心．如由“沒油車就開不動了”而提煉出“能量決定運動”，對真空一詞顧名思義而認為物質并非無處不在，由哲學或科普文章中認為粒子可以無限再分等．因此，在教學中應注意讓學生充分暴露自己通過反思、琢磨、頓悟、升華出來的概括性上位性認識，并及時予以或隨后(特別是總復習中)對學生觀念性的看法進行甄別、糾正、規范、提升、梳理、歸類與總結．欠妥或錯誤的觀念性認識得以糾正，物理觀念的教育才最終落到實處．對需用超出中學的物理知識才能糾正的情況，可視時間采取不同方法處理．例如對粒子是否無限可分，可直接告知：當代物理學在量子場論和廣義相對論結合的系統時空觀中，認為存在不可分割的基本結構單元，其長度大約是10-34m，叫做普朗克長度[10]．