張健 宋白珂 李春密

摘 要：本文通過分析科學(xué)素養(yǎng)的提出背景，提出了物理觀念在科學(xué)素養(yǎng)中的重要作用，并從物質(zhì)觀念、運動觀念、相互作用觀念與能量觀念的發(fā)展過程出發(fā)，論述了這四個核心物理觀念的重要意義及如何在初高中教材中體現(xiàn)，最后對促進(jìn)物理觀念建構(gòu)提出了幾點建議與思考。

關(guān)鍵詞：科學(xué)素養(yǎng)；物理觀念；教學(xué)策略

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）4-0009-5

2012年3月，世界經(jīng)合組織發(fā)表了《為21世紀(jì)培育教師提高學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)力：來自世界的經(jīng)驗》報告。報告中介紹了“21世紀(jì)技能評估與教學(xué)項目組”匯集的來自世界各地60多個研究機(jī)構(gòu)的250多名研究者的意見，指出21世紀(jì)學(xué)生必須掌握“思維方式、工作方式、工作工具和生活技能”這四方面的技能，并首次提出了“核心素養(yǎng)模型”。

我國教育部2014年4月印發(fā)了《關(guān)于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務(wù)的意見》（以下簡稱《意見》），提出了要“統(tǒng)籌各學(xué)科，進(jìn)一步提升數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)等課程的育人價值，加強學(xué)科間的相互配合，不斷提高學(xué)生綜合運用知識解決實際問題的能力”，而且明確提出了“研究制定學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)體系和學(xué)業(yè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)”。

北師大林崇德教授率領(lǐng)其團(tuán)隊開展符合我國國情的核心素養(yǎng)模型建構(gòu)與研究工作，以核心素養(yǎng)為基礎(chǔ)推動基礎(chǔ)教育和課程改革。林教授指出：核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受相應(yīng)學(xué)段的教育過程中，逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力；是關(guān)于學(xué)生知識、技能、情感、態(tài)度、價值觀等多方面的結(jié)合體；發(fā)展核心素養(yǎng)指向過程，關(guān)注學(xué)生在其培養(yǎng)過程中的體悟，而非導(dǎo)向結(jié)果。林教授強調(diào)：核心素養(yǎng)主要是后天學(xué)習(xí)的結(jié)果，可以通過各教育階段的課程設(shè)計與教學(xué)實施加以培養(yǎng)。鑒于此，中學(xué)物理課程對發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的貢獻(xiàn)就是提升其物理科學(xué)素養(yǎng)，物理科學(xué)素養(yǎng)是物理學(xué)科教育價值的集中體現(xiàn)。

1 物理核心素養(yǎng)與物理觀念

1.1 物理核心素養(yǎng)

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要組成，是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力，也是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)培養(yǎng)起來的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)，這種心理品質(zhì)決定了學(xué)生面對物理問題時的行為表現(xiàn)。物理核心素養(yǎng)主要包括：物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。

1.2 物理觀念

物理觀念是物理世界在人腦中留下的概括的形象，是物理概念和規(guī)律在頭腦中的提煉和升華，是人對物理世界的根本認(rèn)識，是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎(chǔ)。物理科學(xué)的發(fā)展，最集中地反映在物理觀念的變更上。經(jīng)典力學(xué)建立的基本觀念是機(jī)械論的物質(zhì)觀念和時空觀念；電磁場理論的基本觀念是媒介作用的場的觀念；相對論則提出了依賴于物質(zhì)和運動的空間和時間、相互聯(lián)系的質(zhì)量和能量、任何參照系對于物理定律的描述都是有效的等基本觀念；量子理論的發(fā)展，提出了微觀現(xiàn)象不連續(xù)的量子化觀念、波粒二象性觀念，采用具有幾率意義的波函數(shù)作為運動狀態(tài)的描述，等等。物理觀念的更新與發(fā)展，一方面不斷加深了人們對自然的認(rèn)識，使物理科學(xué)向著客觀世界的終極真理無限逼近；另一方面也在不斷修正人類對于自然的直覺認(rèn)識，使物理科學(xué)逐步擺脫有限的直覺約束而形成研究范圍愈來愈廣的科學(xué)體系。

物理觀念是物理核心素養(yǎng)的內(nèi)核，在物理科學(xué)體系中占有重要地位。美國物理教育家霍爾頓曾形象地對此進(jìn)行描述，他用三維坐標(biāo)系來說明物理科學(xué)中的三個主要因素及其相互關(guān)系。x軸表示經(jīng)驗事實的敘述即經(jīng)驗敘述維度，y軸表示邏輯和數(shù)學(xué)的演算即分析表述維度。如果只局限在xy平面內(nèi)考慮，概念可以看成是xy平面上的諸點，規(guī)律可以看成是xy平面中的線。例如，力的概念，力可以定性地被人發(fā)現(xiàn)，也可以被定量地測量，因此力在x軸上是有意義的；力的計算符合平行四邊形定則，因而在y軸方向上也是有意義的?！暗斫饪茖W(xué)，研究科學(xué)，必須走出xy平面”，科學(xué)中還有第三個要素——z軸，霍爾頓稱其為“選題”，即指物理觀念。在這個三維“空間”中，概念和規(guī)律分別被看成是三維空間中的點和線，它們是物理觀念在xy平面上的投影。不同的物理觀念即不同的z軸對同一物理現(xiàn)象會作出不同的解釋。例如，關(guān)于力，亞里士多德觀念說力是維持物體運動的原因；伽利略-牛頓觀念則說力是改變運動狀態(tài)的原因；現(xiàn)代物理觀念則用四種基本相互作用來解釋力。

中學(xué)物理學(xué)習(xí)內(nèi)容中的物理觀念同物理學(xué)史中的各種物理觀念既有區(qū)別又有聯(lián)系。物理學(xué)習(xí)中學(xué)習(xí)的觀念是物理學(xué)發(fā)展史中形成的觀念，學(xué)生在學(xué)習(xí)中，物理觀念的革新與進(jìn)階認(rèn)識同物理學(xué)發(fā)展中觀念的演變往往具有對應(yīng)性。但是，沒有必要讓學(xué)生對物理觀念的認(rèn)識也重復(fù)一遍歷史上觀念的演變過程。因此，在教材編寫或教學(xué)實踐中可以通過改變學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)次序來避開已經(jīng)陳舊了的物理概念。比如，我國現(xiàn)行教材中就避開了“以太”的概念。鑒于社會發(fā)展需求和中學(xué)生的學(xué)習(xí)特點與認(rèn)識水平，新課程改革在物理觀念中提出“物質(zhì)觀、運動觀、相互作用觀和能量觀”，以這四種觀念為核心開展概念的進(jìn)階教學(xué)，初高中教學(xué)一而貫之。

2 物理觀念的內(nèi)涵理解

2.1 物質(zhì)觀念

物理學(xué)研究自然界最基本的物質(zhì)結(jié)構(gòu)與最基本的運動規(guī)律，對于物質(zhì)的研究包括物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、物質(zhì)的存在形態(tài)與物質(zhì)的運動等。

“物質(zhì)結(jié)構(gòu)之謎”是物理學(xué)亙古的課題。早在周代，我們的祖先就提出“五行”說，認(rèn)為世界萬物由金、木、水、火、土五種物質(zhì)原料構(gòu)成；戰(zhàn)國時期的老子又提出了“陰陽”學(xué)說，至漢代唯物主義哲學(xué)家王充進(jìn)一步提出了“天地合氣，萬物自生”的元氣說，把元氣看成宇宙萬物的本源。古希臘哲學(xué)家泰勒斯認(rèn)為水是宇宙本源，赫拉克利特則認(rèn)為是火的變化產(chǎn)生了萬物。古希臘哲學(xué)家德謨克利特提出了“原子說”，認(rèn)為宇宙萬物由大量微小物質(zhì)粒子構(gòu)成的，這種粒子被稱為“原子”。它們性質(zhì)上沒有差異，只有形狀、大小的不同，原子是守恒的。同時提出原子在“虛空”中向各個方向運動，互相碰撞、互相結(jié)合，形成世界萬物，這種原子說雖然不完善卻對現(xiàn)代原子論產(chǎn)生了很大的影響。直至19世紀(jì)初，道爾頓引入化學(xué)元素原子量的概念，明確提出了原子的質(zhì)量（原子量）是最基本的特征。自此，近代原子論真正建立起來，對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識進(jìn)入一個新階段。到19世紀(jì)末，盧瑟福發(fā)現(xiàn)了陰極射線，英國物理學(xué)家J·J·湯姆遜巧妙測定出陰極射線在磁場和電場中的偏轉(zhuǎn)度，求出這種粒子的荷質(zhì)比并命名為“電子”。電子被發(fā)現(xiàn)后，人們開始對原子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行探索，1904年湯姆遜首先提出了“葡萄干棗糕模型”，1911年湯姆遜的學(xué)生盧瑟福設(shè)計了α散射實驗，據(jù)此提出了原子的核式結(jié)構(gòu)模型。但是，核模型不能用經(jīng)典理論分析，1913年玻爾提出了軌道量子化假說進(jìn)行修正。既然原子是可分的，是由原子核和電子組成的，那么，人們自然會想到原子核是不是也是可分的呢？1919年盧瑟福發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，1932年查德威克發(fā)現(xiàn)了中子，中子的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著人們完成了對物質(zhì)原子核層次的基本認(rèn)識。隨著高能粒子加速器的發(fā)明，人們開始向粒子世界進(jìn)軍，迄今為止已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了40余種基本粒子，包括電子、光子、中子、質(zhì)子、反中子、中微子、π介子等。1964年，美國物理學(xué)家蓋爾曼提出了夸克模型，認(rèn)為基本粒子也不是物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最終實體，基本粒子是由夸克組成的，尋找“自由的夸克”是物理的前沿課題。物質(zhì)結(jié)構(gòu)的探索伴隨著物質(zhì)觀念的發(fā)展與革新，物質(zhì)觀念是我們分析和解決物理問題的出發(fā)點，從這個意義上講，物質(zhì)觀念是物理觀念的核心。

物質(zhì)形態(tài)從實物粒子到場，并認(rèn)識到場是一種特殊的物質(zhì)且具有能量和動量，是一次飛躍。表1列舉了初高中物理教學(xué)中物質(zhì)觀念的具體內(nèi)容。

2.2 運動觀念

描述物體的運動并發(fā)現(xiàn)運動規(guī)律是物理學(xué)的重要任務(wù)之一。在運動的描述過程中伴隨著對時間、空間、參考系的認(rèn)識的深化，即時空觀的發(fā)展。

早在亞里士多德時代就提出每個物體都有自己的天然位置，重的下落、輕的上升是自然運動，天體繞地球的圓運動也是天然運動，其余運動則是強迫運動?；莞箤[的運動和圓周運動進(jìn)行了研究，提出了向心加速度的概念；伽利略通過邏輯推理與實驗結(jié)合研究了落體運動及其規(guī)律，提出了瞬時速度、位移等概念并定義了勻變速直線運動。牛頓在前輩研究的基礎(chǔ)上，提出了力的概念并總結(jié)了力與加速度的關(guān)系，說明力是改變物體運動狀態(tài)的原因。哥白尼提出日心說，改變了人們千年的宇宙觀，布魯諾為真理殉道，探索天體運動的奧秘成為當(dāng)時的焦點。第谷用眼觀天20多年，積累了大量的資料，其學(xué)生開普勒通過對資料的分析得出了行星運動的三大定律。胡克、哈雷等曾對行星運動的原因進(jìn)行探索，直到牛頓通過月地檢驗提出萬有引力定律，將地上物體的運動與天上物體的運動統(tǒng)一起來。牛頓還認(rèn)為存在各向同性的“絕對空間”、均勻流逝的“絕對時間”，物體初態(tài)一旦確定，根據(jù)運動定律，物體在任意時刻的位置、速度都是確定的，這就是機(jī)械決定論。馬赫最早批判了牛頓的絕對空間與絕對時間。愛因斯坦建立了狹義相對論后否定了以太的存在，同時也就排除了優(yōu)越參考系，各個慣性系是平權(quán)的，狹義相對論提出了新的時空觀念。

在運動的描述中總結(jié)運動規(guī)律，探討運動背后的原因，這是對變化類問題的一般化研究方法，可以將這種科學(xué)方法遷移到社會現(xiàn)象的研究中。表2列舉了初高中物理教學(xué)中運動觀念的具體內(nèi)容。

2.3 相互作用觀念

自然界中物質(zhì)間存在著普遍的聯(lián)系與相互作用，人們對于物體與物體之間的相互作用經(jīng)歷了從直覺觀察到思辨分析、從宏觀世界到微觀世界、從實物到場、從超距作用到近距作用等觀念上的重大轉(zhuǎn)變。

牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》前言中寫道：“我奉獻(xiàn)這一作品，作為哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理，因為哲學(xué)中的全部責(zé)任似乎在于——從運動現(xiàn)象中去研究自然界中的力，然后從這些力去說明其他現(xiàn)象?！迸ｎD本人正是踐行這樣的研究思路提出了牛頓運動定律，并發(fā)現(xiàn)了萬有引力定律。牛頓以后的四百年來，物理學(xué)家們從各種自然現(xiàn)象中，尋找支配這些運動現(xiàn)象的力。目前，物理學(xué)界公認(rèn)自然界中存在四種基本相互作用：引力相互作用、電磁相互作用、強相互作用與弱相互作用。

在宏觀世界里，引力與電磁力顯示作用。引力是所有物體之間都存在的一種相互作用，是通過引力場實現(xiàn)并傳遞的，引力定律支配著天體的運動。對于微觀世界，因為引力常量G很小，引力相互作用可忽略。電磁相互作用是一切帶電粒子或具有磁矩的粒子之間的相互作用，通過電磁場這一媒介相互作用，電磁力是一種交換力，光子是交換子。引力和電磁力都是長程力，從理論上說，它們的范圍是無限的。但是，電磁力比引力弱得多。宏觀物體間的相互作用，除引力外，所有接觸力都是大量原子、分子之間電磁相互作用的宏觀表現(xiàn)。

弱相互作用和強相互作用是短程力，作用范圍在原子核尺度內(nèi)。強相互作用只在10-15 m范圍內(nèi)有顯著作用，弱相互作用范圍不超過10-16 m。弱相互作用是在原子核的β衰變中發(fā)現(xiàn)的，核子（質(zhì)子、中子）、電子和中微子等參與弱相互作用。強相互作用是介子和重子（包括質(zhì)子、中子）之間的相互作用，因為這種力把核子束縛在一起，核物理學(xué)家又把它稱為核力。

盡管四種相互作用差別巨大，物理學(xué)家正在積極尋求它們的統(tǒng)一。弱電統(tǒng)一理論已經(jīng)建立并被實驗證實，弱、電、強的大統(tǒng)一理論則是物理學(xué)家目前的努力方向。

在高中物理教學(xué)中，應(yīng)該幫助學(xué)生認(rèn)識并理解四種基本相互作用及其作用方式、作用特點，運用物質(zhì)間相互作用的機(jī)制來理解物質(zhì)世界的存在、發(fā)展和演化，運用相互作用的觀點去思考運動現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)隱含在現(xiàn)象背后的規(guī)律。表3列舉了初高中物理教學(xué)中相互作用觀念的具體內(nèi)容。

2.4 能量觀念

能量是物理學(xué)乃至整個自然科學(xué)領(lǐng)域最核心的概念之一。從機(jī)械運動中提出了動能的概念，從流體研究中提出了重力勢能；通過對熱現(xiàn)象的研究提出了內(nèi)能的概念；通過對電場和磁場的研究與物質(zhì)性的認(rèn)識，提出了靜電能、磁場能、電磁場能，這是對能量認(rèn)識的進(jìn)階發(fā)展。自然界存在不同形式的能量，能量總量保持不變，這就是能量守恒定律。

能量守恒定律是隱藏在自然界各種形式運動與不同類型相互作用背后的支配規(guī)律，自然界一切物理過程的發(fā)生必須遵從能量守恒定律，違背能量守恒的現(xiàn)象是不會發(fā)生的。能量守恒定律是人類對自然規(guī)律認(rèn)識的又一次飛躍，是指導(dǎo)人類探索自然的方法論與新視角。在高中階段應(yīng)該能夠運用能量的觀點對物理現(xiàn)象、自然界的運動與變化進(jìn)行分析。表4列出了初高中物理教學(xué)中能量觀念的具體內(nèi)容。

3 物理觀念發(fā)展水平及教學(xué)策略

物理觀念的形成經(jīng)歷了從學(xué)習(xí)理解、應(yīng)用實踐，到遷移創(chuàng)新的發(fā)展過程，這三個維度的發(fā)展存在重疊，因此以“整合”思想為主線確定了物理觀念學(xué)習(xí)水平的大致劃分和描述。

水平1 知道一些與生活密切相關(guān)的物理概念；能提取簡單情景中的直接信息，與相關(guān)的物理概念直接對應(yīng)。

水平2 了解重要的物理模型、概念與規(guī)律，能夠在熟悉的情境中運用；能對常見的物理現(xiàn)象進(jìn)行簡單解釋。

水平3 能夠說明重要物理模型、概念和規(guī)律的內(nèi)涵、外延、適用范圍和條件；能運用物理學(xué)視角解釋現(xiàn)象、進(jìn)行有序地推論預(yù)測。

水平4 能關(guān)聯(lián)整合物理模型、概念和規(guī)律，對綜合問題、真實問題進(jìn)行分析與推理判斷，獲得結(jié)論并解釋；能把已學(xué)習(xí)的知識和方法遷移到陌生情境中解決問題。

水平5 能綜合運用物質(zhì)觀念、運動觀念、能量觀念和相互作用觀念，經(jīng)歷系統(tǒng)的科學(xué)推理，解釋自然現(xiàn)象；能在陌生環(huán)境中構(gòu)建恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ停鉀Q實際問題或創(chuàng)意設(shè)計。

通過高中物理教學(xué)，應(yīng)幫助學(xué)生形成物質(zhì)觀念、運動觀念與相互作用觀念、能量的觀念，并能夠從經(jīng)典物理到近代物理中體會物理觀念的發(fā)展與變化；能夠從物理學(xué)的視角正確描述和解釋自然現(xiàn)象，綜合運用所學(xué)的物理知識解決實際問題；能有效地指導(dǎo)工作和進(jìn)行生活實踐。

物理觀念的形成于教學(xué)中的滲透，基于進(jìn)階理論的教學(xué)設(shè)計是一種有效手段。在教學(xué)中注重從學(xué)生已有認(rèn)識入手，循序漸進(jìn)地教學(xué)，逐漸滲透物理觀念，使學(xué)生體會觀念的生成與發(fā)展。要創(chuàng)設(shè)能給學(xué)生提供支撐性的事實經(jīng)驗的真實情境；要引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷概念的建構(gòu)或探索規(guī)律的完整過程，促進(jìn)能力的發(fā)展與知識體系的建構(gòu)；最后，要讓學(xué)生解決真實的物理問題，并從中認(rèn)識物理學(xué)的價值與社會、生活、科技間的聯(lián)系。

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