續(xù)佩君

(首都師范大學(xué)物理系 北京 100048)

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017)》(簡(jiǎn)稱“標(biāo)準(zhǔn)”)提出了物理學(xué)科核心素養(yǎng)要素——物理觀念，并將其詮釋為從物理學(xué)視角形成的關(guān)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)與相互作用、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)[1]．但相對(duì)于知識(shí)學(xué)習(xí)而言，觀念教育還通常都處于較“虛”的狀態(tài)．在此之前，物理觀、時(shí)空觀等則是物理教師熟悉的詞匯．二者之間有何聯(lián)系呢？下面僅從觀念本身的概念與成年人觀念形成的體驗(yàn)入手對(duì)物理觀念教育(含物理觀與物理觀念的差異和聯(lián)系)做出理論分析和教學(xué)操作探討．

1 物理觀念認(rèn)知模型

1.1 基于觀念的概念分析

觀念：意識(shí)對(duì)外部現(xiàn)實(shí)的一種能動(dòng)反映形式[2]．其中：“反映”既表明了觀念產(chǎn)生的來(lái)源又指出了存在一個(gè)腦加工過(guò)程，“形式”通常呈現(xiàn)為觀點(diǎn)(一個(gè)或一組)或表象(1)例如：“為富不仁”是觀點(diǎn)；“邪不壓正、正義必勝”是觀點(diǎn)組；“一看就是奸商”屬表象.，“能動(dòng)”則是強(qiáng)調(diào)意識(shí)對(duì)外部現(xiàn)實(shí)的反作用(2)觀念的“能動(dòng)”之意為下句話的后半句：人在實(shí)踐活動(dòng)和認(rèn)識(shí)活動(dòng)的基礎(chǔ)上創(chuàng)造出對(duì)象的觀念，然后再根據(jù)這個(gè)觀念指導(dǎo)人們的行動(dòng)，以達(dá)到改造和改變客體的目的[3].例如物理《課標(biāo)》指出的從物理概念規(guī)律提煉和升華出物理觀念以后，能“從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題”.．作為觀念“反映形式”的觀點(diǎn)(組)具有高度概括的特征，從而能外延到相當(dāng)寬泛的外部事物．結(jié)合“課標(biāo)”，可做出以下3點(diǎn)分析．

第一，觀念產(chǎn)生與發(fā)揮功能的必要條件：直接的是學(xué)生與知識(shí)，本源則是人與自然界、社會(huì)、環(huán)境．

第三，觀念由產(chǎn)生到形成的中間形式：直接的是觀點(diǎn)，本源性的是運(yùn)用觀點(diǎn)的視野．觀念的概念之屬為“反映形式”，通常呈現(xiàn)為觀點(diǎn)或表象．“標(biāo)準(zhǔn)”對(duì)這點(diǎn)似未予明示(故有“物理觀就是物理觀念”之說(shuō))，但“標(biāo)準(zhǔn)”提到從學(xué)科“視角”看，可認(rèn)為已指出了運(yùn)用觀點(diǎn)的視野．

綜上，學(xué)生形成物理觀念的主觀途徑，促生某個(gè)具體觀念的知識(shí)，對(duì)相對(duì)整體性知識(shí)萌生進(jìn)行更高層的抽象、提煉與升華，在運(yùn)用觀念解決問(wèn)題以及看待自然界過(guò)程中對(duì)觀念理解的深化，可視為物理觀念認(rèn)知四要素(途徑、知識(shí)、提煉、深化)．

1.2 對(duì)“提煉與升華”的進(jìn)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(gè)不言而喻的前提是存在行為主體．發(fā)生“認(rèn)識(shí)”“提煉與升華”“運(yùn)用”的主體應(yīng)當(dāng)且只能是學(xué)生．教師應(yīng)是連接知識(shí)與學(xué)生，觸發(fā)學(xué)生提煉與升華的能動(dòng)性媒體．即：不是教師把提煉與升華的結(jié)論直接講給學(xué)生，而是熏陶和引導(dǎo)學(xué)生有所萌生并從理解中自行提煉、再提煉……至達(dá)正確、深刻、簡(jiǎn)明、概括的水平．其過(guò)程可用螺旋式上升模擬．

1.2.2 提煉與升華的基礎(chǔ)與結(jié)論的形態(tài)

根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知實(shí)踐與我們自身的體驗(yàn)，提煉與升華的發(fā)生需以相當(dāng)數(shù)量的物理知識(shí)作基礎(chǔ)，以及個(gè)體主觀能動(dòng)性的發(fā)揮．對(duì)于后者，由體驗(yàn)和詞語(yǔ)的義析可做出3個(gè)判斷：提煉不等于升華；提煉有益于升華的發(fā)生，但促進(jìn)升華發(fā)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(jié)論將比知識(shí)本身更抽象與更概括，升華結(jié)果的概括度應(yīng)該更高．從知識(shí)提煉、感悟、升華出這些的表述雖還是屬于知識(shí)范疇的具體觀點(diǎn)或觀點(diǎn)組(3)例如人們常說(shuō)的宏觀、微觀、宇觀乃是關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)尺度的觀點(diǎn)，價(jià)值觀則是“關(guān)于價(jià)值的一定信念、傾向、主張和態(tài)度的觀點(diǎn)”，但已不再是一般水平上概括出的那些知識(shí)間的聯(lián)系和其直接簡(jiǎn)單運(yùn)用(如認(rèn)為物理觀念“就是物理知識(shí)，即物理概念、規(guī)律及其聯(lián)系與應(yīng)用”[5])．它是在被高度概括后達(dá)到的一種超越物理知識(shí)間一般性聯(lián)系且涉及存在(前提)性或本質(zhì)性的內(nèi)在因果關(guān)聯(lián)命題，可使用于對(duì)大量事物的判斷．當(dāng)這些觀點(diǎn)(組)被自覺(jué)用來(lái)看待和處理外界事物時(shí)，這些高度概括的表述才可能轉(zhuǎn)變?yōu)橛^念式形態(tài)．當(dāng)觀點(diǎn)被經(jīng)常用來(lái)看待與處理廣泛的事物，觀點(diǎn)(組)就會(huì)在無(wú)意識(shí)中由記憶提取態(tài)轉(zhuǎn)化為自覺(jué)反映態(tài)．

1.2.3 提煉與升華的教學(xué)組織

教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中獲得的個(gè)性心得與提升在正確性、確切性、全面性(相對(duì)的)等方面存在差異，而且必需接受教師的評(píng)價(jià)(鼓勵(lì)、糾偏、提升、規(guī)范化等)．由此，教師對(duì)物理觀念的理解與把握將是學(xué)生形成正確物理觀念的必要條件．

1.3 中學(xué)生物理觀念認(rèn)知模型

據(jù)上所討論的觀念認(rèn)知四要素：途徑、知識(shí)、提煉、深化，螺旋式提升過(guò)程，以及師生主觀與客觀外部現(xiàn)實(shí)(自然界、社會(huì)、環(huán)境等)之間的交互與師生各自在學(xué)科觀念教育中的任務(wù)，可建構(gòu)出圖1所示的學(xué)生物理觀念認(rèn)知模型．模型的構(gòu)建邏輯以學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律與我們自身獲得觀念性認(rèn)知的體驗(yàn)為脈絡(luò)——“提煉與升華”的發(fā)生與形成既需以相當(dāng)數(shù)量的知識(shí)作基礎(chǔ)，又有一個(gè)逐漸抽象提高的過(guò)程，以及在整個(gè)過(guò)程既依賴于個(gè)體主觀能動(dòng)性的充分發(fā)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(lán)色表示外部現(xiàn)實(shí)(圖中灰色背景)；實(shí)線箭頭表示教授教學(xué)，虛線箭頭表示引導(dǎo)、交流教學(xué)，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(wú))→大→逐漸變小→小(近無(wú))，表示提煉出的內(nèi)容文字表述的量由少(內(nèi)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(lái)越大．

相較于峨眉、昆侖等其他門(mén)派對(duì)魔教的敵視，武當(dāng)對(duì)于魔教的態(tài)度似乎有些模棱兩可。理智上他們覺(jué)得魔教行事詭譎，不為道義所容，如張翠山在初識(shí)殷素素時(shí)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(wú)視對(duì)方的身份，對(duì)所接受的人付出真心，如張翠山帶殷素素回武當(dāng)時(shí)，師門(mén)也對(duì)他們表示祝福，并且盡力維護(hù)。

圖1 中學(xué)生物理觀念認(rèn)知模型

2 物理觀念的內(nèi)容要點(diǎn)

由圖1可知，物理觀念的基點(diǎn)乃是具體知識(shí)及其內(nèi)在的邏輯相關(guān)，實(shí)際教學(xué)也恰恰都是從一個(gè)個(gè)具體的知識(shí)開(kāi)始的．因此，首先需要厘清物理具體觀念在中學(xué)課程中的主要內(nèi)涵[6]，及其和“標(biāo)準(zhǔn)”中的課程各章節(jié)的聯(lián)系．以物質(zhì)觀念為例，中學(xué)階段含有3個(gè)要點(diǎn)．

2.1 物質(zhì)存在只呈現(xiàn)兩種基本形態(tài)且都時(shí)刻伴隨著運(yùn)動(dòng)及相互作用

迄今為止對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)尺度為1033cm～10-17cm[7]，其最基本的存在形態(tài)只有兩種：基本粒子與場(chǎng)．宏觀的各種物體和各種物質(zhì)材料都是上述兩種基本形態(tài)物質(zhì)的組合(4)例如原子乃是由不同的基本粒子和與其相應(yīng)的不同場(chǎng)構(gòu)成.；物質(zhì)的不同物態(tài)，本質(zhì)上都是粒子和場(chǎng)在不同條件下結(jié)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(wú)論哪種形態(tài)，物質(zhì)都時(shí)刻處于運(yùn)動(dòng)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(chǎng)形態(tài)存在的物質(zhì)也具有質(zhì)量、能量、動(dòng)量、角動(dòng)量，例如電磁場(chǎng)[8]．當(dāng)所有場(chǎng)都處于基態(tài)(能量最低狀態(tài))時(shí)表現(xiàn)為真空，故真空并非沒(méi)有物質(zhì)(5)在外電場(chǎng)作用下可宏觀觀察到由真空中正負(fù)電子分布的改變而導(dǎo)致的真空極化現(xiàn)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(zhì)有慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量

質(zhì)量是物質(zhì)的一個(gè)基本屬性．任何形態(tài)的物質(zhì)都具有慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量．(必修：1.1.2)慣性質(zhì)量是物質(zhì)、物質(zhì)慣性及物質(zhì)固有能量E的量度(E=mc2)．宏觀低速的運(yùn)動(dòng)中不存在慣性質(zhì)量為零的物質(zhì)．高速運(yùn)動(dòng)(接近光速)時(shí)物質(zhì)的慣性質(zhì)量將隨速度顯著變大(相對(duì)論質(zhì)量)．(必修：1.2.3，2.3.1，2.3.2) 引力質(zhì)量是引力相互作用的源．在引力質(zhì)量較小，運(yùn)動(dòng)速度較低的弱引力場(chǎng)中，引力質(zhì)量等于慣性質(zhì)量．(必修：1.1.2，2.2.4)

2.3 物質(zhì)不可消失或創(chuàng)生

任何一個(gè)孤立體系中不論發(fā)生何種變化或過(guò)程，物質(zhì)總質(zhì)量始終保持不變．這表明宇宙中物質(zhì)永恒存在，不可消失或創(chuàng)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(shí)處的教學(xué)措施

“標(biāo)準(zhǔn)”強(qiáng)調(diào)物理觀念“是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華”，既是暗示亦是明確出一個(gè)要求：物理觀念的形成不能從教師灌輸詞名與內(nèi)涵開(kāi)始，否則會(huì)造成學(xué)生把物理觀念當(dāng)作知識(shí)來(lái)學(xué)．此點(diǎn)已有科學(xué)探究教學(xué)的前車(chē)之鑒．據(jù)圖1的所有內(nèi)涵，據(jù)中學(xué)生的一般認(rèn)知特點(diǎn)和物理學(xué)知識(shí)的內(nèi)在邏輯脈絡(luò)[9]，以及體現(xiàn)先進(jìn)教育理念的物理教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出下述教學(xué)措施．

3.1 根據(jù)學(xué)生認(rèn)知規(guī)律在課堂教學(xué)中加強(qiáng)對(duì)物理觀念內(nèi)涵的展示

對(duì)物理觀念，學(xué)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(shí)與觀念的差異；同時(shí)，這也是學(xué)生進(jìn)入自我提煉與升華物理觀念的認(rèn)知基礎(chǔ)．因此，特別是在概念規(guī)律建立的階段，教學(xué)中滲透相關(guān)的物理觀念要點(diǎn)，使學(xué)生獲得一些聽(tīng)覺(jué)表象，會(huì)對(duì)學(xué)生將來(lái)走進(jìn)提煉、升華甚至獲得頓悟打下一些基礎(chǔ)．例如講重力勢(shì)能Ep，首先明確它是以物質(zhì)和物體質(zhì)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(dòng)能，強(qiáng)調(diào)是物體由于運(yùn)動(dòng)而具有的；講電勢(shì)能，則突出其源于場(chǎng)與帶電粒子間的相互作用．于是能量來(lái)源于物質(zhì)、質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)、相互作用的這一能量觀內(nèi)涵就都在教學(xué)中得以暗示．在日常滲透的基礎(chǔ)上，還需要增加明示環(huán)節(jié)．明示的時(shí)機(jī)一般以有些學(xué)生已進(jìn)入深一層理性思考狀態(tài)時(shí)為宜．

3.2 引導(dǎo)學(xué)生把“從物理學(xué)來(lái)看”作為思考問(wèn)題的自覺(jué)視角

基于物理學(xué)規(guī)律是物質(zhì)及其運(yùn)動(dòng)的“最一般、最普遍”規(guī)律的這一特征，物理觀念是物理學(xué)解釋自然界現(xiàn)象和一些問(wèn)題的基本視角．從這一含義，落實(shí)物理觀念教育的基本途徑就是養(yǎng)成“從物理學(xué)的視角看”問(wèn)題的習(xí)慣．

3.2.1 從物理學(xué)視角審視引入環(huán)節(jié)中的物理情境

在引入環(huán)節(jié)展示自然現(xiàn)象和過(guò)程之后，不再像以往一樣從問(wèn)題→概念→邏輯盡快轉(zhuǎn)入正題教學(xué)；而代之以從物理學(xué)的視角對(duì)現(xiàn)象本身的存在、范疇、性質(zhì)、模型等內(nèi)容，做出一個(gè)大致的、定性的、框架式的分析和定位，然后再轉(zhuǎn)入要研究的具體問(wèn)題．例如加速度引入．在展示大貨車(chē)和小轎車(chē)在綠燈亮?xí)r同時(shí)啟動(dòng)的現(xiàn)象，提出要研究的問(wèn)題后，教師可先從物理觀念的視角引導(dǎo)學(xué)生思考都能看出什么．首先，任何物體都有質(zhì)量，都受引力；視為質(zhì)點(diǎn)，無(wú)體積和形狀，不考慮空氣阻力．其次，任何物質(zhì)之間存在相互作用；兩車(chē)之間的引力作用可以忽略，但在地面上，質(zhì)點(diǎn)與地球之間存在的相互作用必須考慮：一個(gè)作用表現(xiàn)為重力和支持力，另一個(gè)表現(xiàn)為和地面之間的摩擦力．再次，兩車(chē)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：初態(tài)的速度、機(jī)械能都是零；啟動(dòng)同樣時(shí)間后兩車(chē)末態(tài)的速度、位移、動(dòng)能都不同．在示范一個(gè)階段后，應(yīng)鼓勵(lì)讓學(xué)生逐步介入這一環(huán)節(jié)，并注重及時(shí)加以追問(wèn)．

3.2.2 從物理學(xué)視角對(duì)相關(guān)的物理知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)提煉

一個(gè)具體知識(shí)點(diǎn)，在學(xué)習(xí)到一定階段時(shí)，用“從物理學(xué)視角看”引導(dǎo)學(xué)生從物理觀念對(duì)該知識(shí)點(diǎn)及其與相關(guān)概念組成一個(gè)整體之后的物理意義要點(diǎn)、作用方式、特征等問(wèn)題作出思考．例如在學(xué)習(xí)電磁波概念之后，可從物理觀念的角度引導(dǎo)學(xué)生回顧學(xué)過(guò)的各種波的本質(zhì)：無(wú)論聲波、機(jī)械波、電磁波，一種運(yùn)動(dòng)形式必然對(duì)應(yīng)一種能量形式．故從物理學(xué)角度看，波是一種能量形式，也是物質(zhì)傳遞能量的一種特定運(yùn)動(dòng)形式．特點(diǎn)是波可以攜帶各種能量，因此波被物理學(xué)更多視為由能量間的相互作用形成的運(yùn)動(dòng)．

3.3 要求學(xué)生具有“提煉與升華”的自覺(jué)意識(shí)指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)“提煉”方法

觀念的個(gè)性化加工特征將影響加工的主動(dòng)與積極、方法與質(zhì)量；而主動(dòng)性則是學(xué)生是否能成為學(xué)習(xí)主體的基礎(chǔ)．在學(xué)生進(jìn)行提煉且獲得感受的基礎(chǔ)上，須再要求學(xué)生形成進(jìn)行提煉與升華的自覺(jué)意識(shí)．意識(shí)-習(xí)慣-自覺(jué)意識(shí)，雖過(guò)程較長(zhǎng)但形成的觀念源于自己所學(xué)，存于學(xué)生內(nèi)心，才能使學(xué)生自覺(jué)“從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題”．在實(shí)際教學(xué)中，“提煉”可從分揀學(xué)習(xí)中所獲得的“一堆”觀點(diǎn)開(kāi)始，“升華”可以從“尋找概括語(yǔ)”開(kāi)始；繼而審視是否可以對(duì)某些概括語(yǔ)進(jìn)行更簡(jiǎn)明及更高層次的歸類(lèi)與概括．一旦學(xué)生進(jìn)入狀態(tài)，作為智力動(dòng)作的提煉與升華通常會(huì)以交叉、穿插或交疊的方式自然地發(fā)生．如果教師此時(shí)再針對(duì)具體情況，或指導(dǎo)、或引導(dǎo)、或鼓勵(lì)、或幫助，可促使學(xué)生不斷改進(jìn)探索和“提煉”方法，獲取對(duì)頓悟、升華的體驗(yàn)．例如學(xué)生從必修1的內(nèi)容可以自己提煉出：宏觀不同的各種物體實(shí)質(zhì)都屬于物質(zhì)存在的一種基本形態(tài)——實(shí)物粒子，都具有慣性質(zhì)量，物體間的相互作用與物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)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(zhì)量與物體運(yùn)動(dòng)速度間的關(guān)聯(lián)界限，能量的存在、來(lái)源與作用，以及能量的轉(zhuǎn)化和守恒．但通過(guò)生生、師生之間的交流，則可進(jìn)一步上升為能量形式總與運(yùn)動(dòng)形式對(duì)應(yīng)，且相互作用的存在具有絕對(duì)性．

3.4 注意對(duì)學(xué)生的提煉與升華進(jìn)行重整化

學(xué)生自己“提煉與升華”的物理觀念帶有個(gè)體化且分散性．學(xué)生自己對(duì)外界的大量觀察，對(duì)專業(yè)詞匯的顧名思義，以及受一些“流行說(shuō)法”的影響，也易產(chǎn)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(nèi)心．如由“沒(méi)油車(chē)就開(kāi)不動(dòng)了”而提煉出“能量決定運(yùn)動(dòng)”，對(duì)真空一詞顧名思義而認(rèn)為物質(zhì)并非無(wú)處不在，由哲學(xué)或科普文章中認(rèn)為粒子可以無(wú)限再分等．因此，在教學(xué)中應(yīng)注意讓學(xué)生充分暴露自己通過(guò)反思、琢磨、頓悟、升華出來(lái)的概括性上位性認(rèn)識(shí)，并及時(shí)予以或隨后(特別是總復(fù)習(xí)中)對(duì)學(xué)生觀念性的看法進(jìn)行甄別、糾正、規(guī)范、提升、梳理、歸類(lèi)與總結(jié)．欠妥或錯(cuò)誤的觀念性認(rèn)識(shí)得以糾正，物理觀念的教育才最終落到實(shí)處．對(duì)需用超出中學(xué)的物理知識(shí)才能糾正的情況，可視時(shí)間采取不同方法處理．例如對(duì)粒子是否無(wú)限可分，可直接告知：當(dāng)代物理學(xué)在量子場(chǎng)論和廣義相對(duì)論結(jié)合的系統(tǒng)時(shí)空觀中，認(rèn)為存在不可分割的基本結(jié)構(gòu)單元，其長(zhǎng)度大約是10-34m，叫做普朗克長(zhǎng)度[10]．