初中生物理觀念發(fā)展層次的實(shí)證分析和啟示

【專家介紹】

范佳午（1986-），男，北京教育科學(xué)研究院課程教材中心教研員，數(shù)字課程室主任，物理課程與教學(xué)論博士。教育部初中物理課標(biāo)修訂測(cè)試組成員，初中物理教材（北京版）編寫組成員。多次主持教育部基礎(chǔ)教育質(zhì)量監(jiān)測(cè)中心專項(xiàng)課題、北京教育科學(xué)規(guī)劃課題。北京市中學(xué)生物理競(jìng)賽委員會(huì)委員。獲北京市基礎(chǔ)教育教學(xué)成果獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)2次。主要從事物理教育、STEM教育、課程等方面研究。

摘 要：物理觀念具有層次和結(jié)構(gòu)。物理觀念發(fā)展需要經(jīng)歷從積累事實(shí)經(jīng)驗(yàn)，到零散地認(rèn)識(shí)概念規(guī)律，再到以核心概念組織相關(guān)概念規(guī)律形成良好知識(shí)結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)一步提煉與升華形成觀念。基于對(duì)中考試題實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)較大比例中低學(xué)業(yè)水平的學(xué)生頭腦中存在前概念，尚處于從積累事實(shí)經(jīng)驗(yàn)過(guò)渡到認(rèn)識(shí)概念規(guī)律階段。部分較高學(xué)業(yè)水平的學(xué)生還需優(yōu)化物理知識(shí)間的聯(lián)系，處于從認(rèn)識(shí)概念規(guī)律走向以核心概念組織相關(guān)概念規(guī)律形成良好知識(shí)結(jié)構(gòu)階段。通過(guò)教學(xué)發(fā)展物理觀念要尊重學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，基于學(xué)生物理觀念實(shí)際發(fā)展層次采取針對(duì)性措施。

關(guān)鍵詞：物理觀念；前概念；實(shí)證；初中；核心素養(yǎng)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2024）11-0001-4

物理觀念是重要的物理核心素養(yǎng)。《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７年版２０２０年修訂）》和《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０２２年版）》頒布以來(lái)，學(xué)者和教師對(duì)物理觀念進(jìn)行了大量理論探討和實(shí)踐探索。然而，關(guān)于物理觀念發(fā)展層次的實(shí)證研究相對(duì)較少，尤其是針對(duì)初中生的實(shí)證研究目前還少見。從理想的教育追求上，學(xué)者和教師希望學(xué)生不僅能掌握物理概念規(guī)律，還能建立不同概念規(guī)律間的聯(lián)系，并進(jìn)一步提煉、升華形成更高層次的物理觀念。從現(xiàn)實(shí)角度，學(xué)生對(duì)物理的理解需要時(shí)間、過(guò)程和積累，需要逐步提升，不可能一蹴而就。在初中、高中乃至大學(xué)，不同學(xué)段的學(xué)生對(duì)物理觀念的領(lǐng)悟一般能發(fā)展到什么層次？理論設(shè)想無(wú)法回答這一問(wèn)題，需要實(shí)證研究收集數(shù)據(jù)分析。從教學(xué)實(shí)踐角度，教育教學(xué)不能脫離學(xué)生的現(xiàn)實(shí)水平而空談理想追求，落實(shí)物理觀念需要基于學(xué)生學(xué)情并在最近發(fā)展區(qū)中開展教學(xué)。

對(duì)學(xué)生物理觀念發(fā)展層次的實(shí)證研究，是合理設(shè)置物理觀念培育階段性目標(biāo)、設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)、落實(shí)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理觀念要求的關(guān)鍵。由于《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０２２年版）》新頒布，目前關(guān)于初中生物理觀念發(fā)展層次的實(shí)證pAo3qoAIBl86JsLBODlWB2NwXyuQ653++H8gWOz+eAo=分析還較少。本文通過(guò)分析相關(guān)中考試題實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，初步探索初中生物理觀念的發(fā)展層次，并探討教學(xué)啟示。

１ 作為核心素養(yǎng)的物理觀念的發(fā)展階段和層次

關(guān)于核心素養(yǎng)的一般特征，辛濤等學(xué)者指出，核心素養(yǎng)的發(fā)展具有連續(xù)性和階段性［１］。連續(xù)性是指核心素養(yǎng)可終身發(fā)展，在小學(xué)、初中、高中、大學(xué)等不同學(xué)段可以持續(xù)地向更高水平發(fā)展，未來(lái)在工作生活中還可終身發(fā)展。階段性是指在不同教育階段核心素養(yǎng)培育的側(cè)重點(diǎn)和目標(biāo)層次不同，在不同學(xué)段需要遵循學(xué)生的身心發(fā)展一般規(guī)律合理設(shè)置核心素養(yǎng)目標(biāo)，不能跨越，更不能顛倒。

物理觀念作為一種物理核心素養(yǎng)，其發(fā)展也符合核心素養(yǎng)的一般特征，具有連續(xù)性和階段性。同時(shí)，物理觀念的發(fā)展又有自身特點(diǎn)。蔡鐵權(quán)等認(rèn)為，物理觀念具有層次和架構(gòu)，物理觀念的形成需要經(jīng)歷從事實(shí)經(jīng)驗(yàn)，到概念規(guī)律，再到核心概念，然后形成物理觀念［２］。曹寶龍認(rèn)為，大概念教育對(duì)物理觀念形成很重要，大概念不僅是概念本身的大小問(wèn)題，更要注重形成概念間的聯(lián)系、概念與實(shí)際情境的聯(lián)系［３］。基于上述研究，本文認(rèn)為，物理觀念的形成要經(jīng)歷從積累事實(shí)經(jīng)驗(yàn)，到零散地認(rèn)識(shí)概念規(guī)律，再到以核心概念組織相關(guān)概念規(guī)律形成良好知識(shí)結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)一步提煉與升華形成觀念。

分析初中、高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)物理觀念的要求，也體現(xiàn)出物理觀念發(fā)展的連續(xù)性和階段性。首先，初中、高中課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)物理觀念內(nèi)涵的表述相同：“從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和相互作用、能量等的基本認(rèn)識(shí)；是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華；是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)。”可以理解為這是對(duì)物理觀念的界定，是不同教育階段都錨定的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)（體現(xiàn)連續(xù)性），但不是對(duì)初中或高中的具體階段性課程目標(biāo)要求。其次，初中課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)物理觀念的課程目標(biāo)要求為“認(rèn)識(shí)物質(zhì)的形態(tài)、屬性及結(jié)構(gòu)，認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)和力、聲和光、電和磁，認(rèn)識(shí)機(jī)械能、內(nèi)能、電磁能及能量的轉(zhuǎn)化與守恒；能將所學(xué)物理知識(shí)與實(shí)際情境聯(lián)系起來(lái)，能從物理學(xué)視角觀察周圍事物，解釋有關(guān)現(xiàn)象，解決簡(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題。初步形成物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)和相互作用觀念、能量觀念。”［４］高中課程標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)物理觀念的課程目標(biāo)要求為“形成物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念、能量觀念等，能用其解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題。”［５］可見，在課程目標(biāo)要求中體現(xiàn)出初中、高中對(duì)物理觀念要求層次水平的階段性差異：初中側(cè)重認(rèn)識(shí)核心規(guī)律、核心概念，并初步形成物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和相互作用、能量觀念；高中則提出更高的形成物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、能量等觀念的要求。

綜上所述，理論研究和課程標(biāo)準(zhǔn)要求均指出：核心素養(yǎng)的發(fā)展具有連續(xù)性和階段性。然而，僅靠理論和文本分析不能回答“現(xiàn)實(shí)中初中生的物理觀念發(fā)展到了什么層次水平”“基于實(shí)際學(xué)情，初中發(fā)展物理觀念的階段性教學(xué)目標(biāo)應(yīng)如何定位”等問(wèn)題，只有基于實(shí)證數(shù)據(jù)的分析才能加以回答。

２ 基于中考實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的初中生物理觀念發(fā)展層次分析

中考于初中教育教學(xué)完成后施測(cè)，考生盡最大努力作答，選取其中考查物理觀念的試題實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能反映義務(wù)教育結(jié)束時(shí)學(xué)生頭腦中物理觀念的實(shí)際狀況和特點(diǎn)。下面通過(guò)分析某教育較發(fā)達(dá)地區(qū)的兩道中考試題實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（物理考生總?cè)藬?shù)近７萬(wàn)），初步探索初中生物理觀念發(fā)展達(dá)到的實(shí)際層次水平。

２．１ 中低物理學(xué)業(yè)水平的學(xué)生仍持有前概念

下面的試題對(duì)運(yùn)動(dòng)和相互作用進(jìn)行考查，試題情境和推理過(guò)程都不復(fù)雜，選項(xiàng)針對(duì)前概念設(shè)計(jì)，深入考查對(duì)核心概念、規(guī)律的理解。

（１）試題及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

人用水平方向的力推物體，使物體在粗糙程度相同的水平面上做勻速直線運(yùn)動(dòng)，下列說(shuō)法正確的是（ ）

Ａ．人對(duì)物體的推力大于水平面對(duì)物體的摩擦力

Ｂ．若增大推力，物體所受摩擦力也將增大，物體仍做勻速直線運(yùn)動(dòng)

Ｃ．若撤去推力，物體在繼續(xù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所受摩擦力大小不變

Ｄ．若撤去推力，物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不會(huì)發(fā)生改變

答題數(shù)據(jù)顯示，選擇Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ的考生比例分別為１３％、２８％、５５％、４％。將考生按物理試卷總分從低到高排序后，劃分到人數(shù)相等的１０個(gè)組中，分別標(biāo)記為Ｇ１組（低物理學(xué)業(yè)水平）到Ｇ１０組（高物理學(xué)業(yè)水平），各組考生選擇Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ選項(xiàng)的比例如圖１所示。

（２）對(duì)試題及數(shù)據(jù)的分析

分析試題：Ａ選項(xiàng)涉及“力（合力）是物體運(yùn)動(dòng)的原因”前概念（物體向前運(yùn)動(dòng)，就需要有向前的合力作為原因，因此推力大于摩擦力）。Ｂ選項(xiàng)“所受摩擦力也將增大”迎合前概念“物體速度越大，受到的摩擦力越大”，同時(shí)其中“如果推力、摩擦力均增大，物體可仍做勻速直線運(yùn)動(dòng)”（假想增大后的推力和摩擦力再次二力平衡）的推理過(guò)程又符合運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，能自圓其說(shuō)，因此是一個(gè)既包含前概念又部分利用了科學(xué)規(guī)律、學(xué)生在具體情境下建構(gòu)的心理模型（ｍｅｎｔａｌ ｍｏｄｅｌ）［６］。Ｃ選項(xiàng)正確。Ｄ選項(xiàng)既不符合物理觀念，又不屬于前概念。

分析學(xué)生答題數(shù)據(jù)：不能排除錯(cuò)誤選項(xiàng)Ａ的考生占比為１３％，可以推測(cè)這部分學(xué)生頭腦中“力（合力）是物體運(yùn)動(dòng)的原因”的前概念占上風(fēng)。進(jìn)一步分析圖１，選Ａ的主要分布在物理總分排在后面５０％的考生中，而且從Ｇ４組開始選Ａ的考生比例逐漸減少。選Ｂ的考生占比為２８％，可以推測(cè)這部分學(xué)生知道運(yùn)動(dòng)和力的關(guān)系，在他們頭腦中正確的科學(xué)概念和錯(cuò)誤的前概念“物體速度越大，受到的滑動(dòng)摩擦力越大”同時(shí)存在。在真實(shí)情境下，他們無(wú)法激活影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素的科學(xué)知識(shí)，建構(gòu)了部分來(lái)自前概念、部分符合科學(xué)規(guī)律的混合的心理模型［７］。進(jìn)一步分析圖１，選Ｂ的主要分布在物理總分排在后面８０％的考生中，而且從Ｇ６組開始選Ｂ的考生比例逐漸減少。在不同組別中，選Ｂ的考生比例均高于選Ａ的考生，說(shuō)明頭腦中存在前概念的學(xué)生中多數(shù)是前概念與科學(xué)概念并存，僅有少數(shù)處于前概念占上風(fēng)狀態(tài)。本題中，受到前概念影響導(dǎo)致答題失敗（選Ａ或選Ｂ）的考生比例達(dá)到４１％，在Ｇ１組到Ｇ５組中選Ａ和選Ｂ的考生比例之和均超過(guò)選正確選項(xiàng)Ｃ的考生比例，說(shuō)明對(duì)于中低學(xué)業(yè)水平的學(xué)生頭腦中存在前概念的占多數(shù)。

測(cè)試數(shù)據(jù)說(shuō)明，到初三畢業(yè)時(shí)，前概念仍然存在于物理中低學(xué)業(yè)水平的學(xué)生頭腦中。其中，前概念占上風(fēng)、用前概念思考為主的學(xué)生不多，主要分布在低學(xué)業(yè)水平的學(xué)生中。更常見的是在思考問(wèn)題時(shí)部分使用科學(xué)概念、部分用前概念，構(gòu)建混合的心理模型，主要分布在低學(xué)業(yè)水平的學(xué)生和中等學(xué)業(yè)水平的學(xué)生中。由于篇幅所限，本文僅以一道試題實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例說(shuō)明，在其他類似中考試題的答題數(shù)據(jù)中，筆者發(fā)現(xiàn)選擇題中如果有選項(xiàng)針對(duì)前概念設(shè)置，那么該選項(xiàng)的誘答效果一般都較強(qiáng)，這是常見的現(xiàn)象。

本題實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)教學(xué)的啟示：幫助初中生從前概念轉(zhuǎn)變?yōu)榭茖W(xué)概念，是發(fā)展物理觀念的重要過(guò)程，尤其要重視物理中低學(xué)業(yè)水平的學(xué)生的概念轉(zhuǎn)變。運(yùn)動(dòng)和相互作用是重要的物理觀念，對(duì)于小部分中考時(shí)仍認(rèn)為“力（合力）是物體運(yùn)動(dòng)的原因”的學(xué)生，他們還不能從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象。對(duì)于那些頭腦中前概念和科學(xué)概念共存的學(xué)生，在面臨實(shí)際問(wèn)題時(shí)，他們常常還不能將所學(xué)物理知識(shí)與實(shí)際情境聯(lián)系起來(lái)解決問(wèn)題，而容易表現(xiàn)出在做練習(xí)過(guò)的習(xí)題時(shí)用科學(xué)概念，在新穎情境中又激活前概念。概念轉(zhuǎn)變是一個(gè)發(fā)展進(jìn)階的長(zhǎng)期過(guò)程，從以前概念為主，到前概念和科學(xué)概念共存，再到傾向于激活和運(yùn)用科學(xué)概念，對(duì)初中階段而言落實(shí)物理觀念的一項(xiàng)重點(diǎn)工作是通過(guò)教學(xué)實(shí)現(xiàn)前概念向科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變。

２．２ 較高物理學(xué)業(yè)水平的學(xué)生尚需優(yōu)化知識(shí)間的聯(lián)系

下面的試題對(duì)壓力和重力的辨析、壓強(qiáng)計(jì)算進(jìn)行考查，采用學(xué)生較熟悉的情境和設(shè)問(wèn)，然而答題結(jié)果表明，即使Ｇ９組較優(yōu)秀的考生也有近２５％在壓力和重力辨析上出錯(cuò)。

（１）試題及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

如圖２所示，把小桌甲倒放在海綿上，其上放一個(gè)物體乙，它們靜止時(shí)，物體乙的下表面和小桌甲的桌面均水平。已知小桌甲重Ｇ１，桌面的面積為Ｓ１；物體乙重Ｇ２，下表面的面積為Ｓ２。下列說(shuō)法正確的是（ ）

Ａ．甲對(duì)海綿的壓力就是甲受到的重力

Ｂ．乙對(duì)甲的壓力就是乙受到的重力

Ｃ．甲對(duì)海綿的壓強(qiáng)大小為

Ｄ．乙對(duì)甲的壓強(qiáng)大小為

答題數(shù)據(jù)顯示，選擇Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ的考生比例分別為３％、２８％、６５％、４％。Ｇ１組到Ｇ１０組的考生選擇Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ選項(xiàng)的比例如圖３所示。

（２）對(duì)試題及數(shù)據(jù)的分析

分析試題及學(xué)生答題數(shù)據(jù)：本題Ａ、Ｂ選項(xiàng)主要考查對(duì)壓力和重力的辨析，Ｃ、Ｄ選項(xiàng)考查壓強(qiáng)的計(jì)算。本題主要誘答選項(xiàng)為Ｂ。除Ｇ１０組外，Ｂ選項(xiàng)對(duì)其他所有組別考生均有明顯的誘答效果，即使是Ｇ９組仍有近２５％的考生誤選Ｂ。雖然選項(xiàng)設(shè)置順序使考生先看到Ｂ選項(xiàng)，但誤選Ｂ仍說(shuō)明考生不能果斷排除“乙對(duì)甲的壓力就是乙受到的重力”，對(duì)壓力和重力的區(qū)分理解不到位。

本題實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)教學(xué)的啟示：區(qū)分壓力和重力是教學(xué)中的難點(diǎn)，造成該難點(diǎn)的重要原因是部分學(xué)生片面地僅從力的大小、方向相同就得出壓力和重力相同的錯(cuò)誤結(jié)論，而沒(méi)意識(shí)到壓力和重力的作用點(diǎn)、施力物體和受力物體不同。他們不能全面地從力的三要素、施力物體和受力物體去分析和認(rèn)識(shí)力。因此，不能區(qū)分壓力和重力，不僅是壓力這節(jié)課上對(duì)壓力和重力辨析的教學(xué)問(wèn)題，更本質(zhì)上是學(xué)生對(duì)剛接觸力學(xué)時(shí)就學(xué)習(xí)的力的三要素等核心概念理解不到位，不能將壓力和重力辨析與之前學(xué)過(guò)的知識(shí)建立有效聯(lián)系的問(wèn)題。即使對(duì)于物理學(xué)業(yè)水平較高的Ｇ９組學(xué)生，仍有相當(dāng)一部分不能有效建立知識(shí)間的聯(lián)系，從而導(dǎo)致對(duì)知識(shí)的理解不夠深入、精細(xì)。

在運(yùn)動(dòng)與相互作用觀念中，能從矢量角度（初中力的三要素即是矢量觀的初步）認(rèn)識(shí)力是其中的重要觀念。能從力的三要素、施力物體、受力物體出發(fā)清晰地認(rèn)識(shí)力，受力分析才能清楚，而受力分析是力學(xué)的關(guān)鍵。可以說(shuō)，力的三要素是核心概念，而壓力和重力辨析是具體的細(xì)節(jié)知識(shí)。學(xué)生頭腦中理想的知識(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是：用力的三要素這一核心概念，統(tǒng)領(lǐng)壓力和重力辨析等細(xì)節(jié)知識(shí)——辨析壓力和重力是不同的力，是力的三要素在具體情境下的運(yùn)用。

３ 初中生物理觀念發(fā)展層次實(shí)證分析帶來(lái)的啟示

物理觀念發(fā)展具有連續(xù)性和階段性。物理觀念形成需要經(jīng)歷從積累事實(shí)經(jīng)驗(yàn)，到零散地認(rèn)識(shí)概念規(guī)律，再到以核心概念組織相關(guān)概念規(guī)律形成良好知識(shí)結(jié)構(gòu)，最XGs6QaZspS/Hc1yVNbAlEA==后進(jìn)一步提煉與升華形成觀念的過(guò)程。基于對(duì)中考試題實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)較大比例中低物理學(xué)業(yè)水平的學(xué)生頭腦中還存在前概念，尚處于從積累事實(shí)經(jīng)驗(yàn)過(guò)渡到認(rèn)識(shí)概念規(guī)律階段，對(duì)這部分學(xué)生落實(shí)物理觀念培育要關(guān)注概念轉(zhuǎn)變。部分較高物理學(xué)業(yè)水平的學(xué)生還需優(yōu)化物理知識(shí)間的聯(lián)系，形成合理結(jié)構(gòu)，他們處于從認(rèn)識(shí)概念規(guī)律走向以核心概念組織相關(guān)概念規(guī)律形成良好知識(shí)結(jié)構(gòu)階段，對(duì)這部分學(xué)生物理教學(xué)要關(guān)注知識(shí)間的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生以核心概念統(tǒng)領(lǐng)細(xì)節(jié)知識(shí)。

物理觀念的發(fā)展不是一蹴而就的，需要長(zhǎng)期過(guò)程。在初中階段通過(guò)教學(xué)發(fā)展物理觀念要尊重學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，基于學(xué)生物理觀念的實(shí)際發(fā)展層次，不可脫離現(xiàn)實(shí)操之過(guò)急。基于實(shí)證的研究對(duì)推進(jìn)物理觀念落實(shí)有重要意義，關(guān)于初中生物理觀念的發(fā)展層次，未來(lái)還需展開進(jìn)一步深入、系統(tǒng)的實(shí)證研究。

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［５］中華人民共和國(guó)教育部．普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（２０１７年版２０２０年修訂）［Ｓ］．北京：人民教育出版社，２０２０：５．

［６］Ｖｏｓｎｉａｄｏｕ Ｓ．Ｃａｐｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ ｃｈａｎｇｅ［J］．Ｌｅａｒｎｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ（ｓｐｅｃｉａｌ ｉｓｓｕｅ），１９９４，４（１）：４５-６９．

［７］范佳午．知識(shí)的碎片觀及其對(duì)教學(xué)的啟示［Ｊ］．中小學(xué)課堂教學(xué)研究，２０１６（２）：２３－２６．

（欄目編輯 廖伯琴）