例谈物理观念的特征、养成及评价

耿建

摘    要：物理观念是物理学科的核心素养之一。基于物理观念的特征，教师可以针对性地帮助学生形成科学的物理观念，并根据《课程标准》对物理观念水平描述特征，给出物理观念水平可理解、可操作的另一种描述方式，有助于深化对物理观念的评价.

关键词：物理观念;特征;养成;评价

著名物理学家、诺贝尔奖获得者费恩曼（R.P. Feynman，1918—1988）曾讲过这样一则笑话.一位女士由于驾车超速而被警察拦住.警察走过来对她说：“您刚才的车速是60英里每小时！”这位女士反驳说：“不可能的！我才开了7分钟，还不到一个小时，怎么可能走了60英里呢？”“太太，我的意思是：如果您继续像刚才那样开车，在下一个小时里您将驶过60英里.”“这也是不可能的.我只要再行驶10英里就到家了，根本不需要再开过60英里的路程.”从表面上看，该女士对速度、瞬时速度等概念的理解有误，本质上是缺乏运动的物理观念.那么，物理观念具有哪些特征？如何帮助学生形成科学的物理观念？如何对学生掌握物理观念的情况进行评价？这些是当下物理教学中如何培养学生物理观念所面临的核心问题.

一、物理观念的特点

观念属于思想意识范畴，是客观事物在人们头脑中留下概括的形象与表象，是对事物或客观世界一系列系统观点的总称，是多个、彼此相关观点的集合[1].物理观念是人们在对物理现象的思维处理后所形成的根本认识;是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识;是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华;是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础[2]4.物理观念具有以下特征.

（一）客观基础性

物理观念不是凭空产生的，都是基于一定的物理事实、物理现象而总结提炼出来的.有些臆想出来的概念或规律，往往不符合事实.如物理学史上的“超距作用”“以太”等提法，都经不起事实检验.

（二）主观性

物理观念是人对物质世界认识的集中体现，是经人的思维加工积淀后的产物，必然受到认识主体的时代背景、知识水平、认识能力及其倾向、兴趣等主观因素的影响，具有主观性.比如对光的本性的认识，经历了笛卡尔的微粒说、牛顿的粒子说、惠更斯的波动说、托马斯杨的波动说、麦克斯韦认为光是电磁波、爱因斯坦的光子说、光的波粒二象性等.这些对光的本性的不同认识，都带有主观色彩.认识的主观性导致片面性，随着认识的主观性、片面性不断得到事实的证伪，推进观念逐渐逼近物理本质.

（三）抽象性

物理观念形成的基础是正确的物理概念和规律，但又不仅仅局限于某一个概念或规律，是在一系列正确的、类似的物理概念和规律的基础上概括、抽象出来的.例如：“功是能量转化的量度”是能量观的表现形式之一，这种表述具有概括性、抽象性，该观点包含四层含义.首先，存在多种形式的能量;其次，各种形式的能量可以相互转移或转化;第三，能量的转移或转化可以通过做功来度量;第四，能量在转化或转移的过程中守恒.这种能量观有不同的表现形式，又是各種具体形式的抽象.如保守力做功是势能转化的量度，合力做功是动能转化的量度，除重力和弹簧弹力之外的力做功是机械能转化的量度，摩擦力做功是内能转化的量度，安培力做功是内能转化的量度等.理解了各种具体形式的功和能量的关系，是形成能量观念的前提.反之，如果没有多样化的功和能量关系认识的基础，就不可能形成正确的能量观念.

（四）发展性

物理观念的形成都经历了漫长的历史演变，随着人类认识视野的拓展和认知程度的深化而不断接近物理本质.如物质观中对原子的认识，起初的原子概念，只具有哲学层面的含义，本意为不可分割的最小微粒.此时，原子是呈电中性的抽象概念;当电子被发现后，人们认识到原子具有结构性;之后的汤姆逊的“枣糕”模型;卢瑟福的核式结构模型;波尔的半经典半量子化的原子模型等.体现了物质观的发展变化、螺旋上升.

（五）层次性

观念的主观性、发展性等特点，势必造成观念认识的个体差异性，形成过程的渐进性.因此，对物理观念的评价就需要进行水平层级的量化考量.《课程标准》中将物理观念分为五个水平层次[2]78.

《课程标准》中用一些行为动词对各核心素养进行水平划分和说明.水平一描述为“能将……联系起来.”水平二描述为“形成初步的……能解释……解决……”水平三描述为“具有……能解释……解决……”水平四描述为“具有清晰……能正确描述和解释……综合应用……”水平五描述为“具有清晰、系统……能正确描述和解释……能灵活应用……”显然，依据这样的描述方式来考量学生对物理观念掌握的水平，在操作上是有难度的.

要提升教师对物理观念层次认知的清晰程度和增强在教学中的可操作性，需要对各层次的物理观念有更直观、准确的描述.表1是换个角度对物理观念各个水平的理解与描述.后文中会提及各水平层级相应的案例.

表1的描述方式中，前四个水平比较好理解，水平五中所谓生成新的物理观念，可理解为学生在学习了概念规律的基础上而提出“新”的观念，这对学生来说是“新”的，是即将学习或以后会学到的内容，不一定超越现有的物理观念范畴.

二、物理观念的养成

就物理观念而言，教是帮助学生形成物理观念，学是学生自身养成物理观念.物理观念是抽象的，但在实际分析解决问题的过程中又是具体的.学生物理观念的养成离不开具体的物理现象、模型或过程.同时，物理观念是思维的基石，在分析解决问题的思维过程中体现了学生对物理观念的认识和理解程度.结合物理观念的五个特征，教学中可以从以下五个方面帮助学生养成物理观念.

（一）尊重物理知识的客观性

物理教学的起点不是概念、规律，更不是观念，而是始于直观的物理现象，客观的物理事实.在对物理现象和事实描述、分析、理解、抽象的基础上，提炼出相应的概念、规律，逐渐形成相应的物理观念.因此，物理教学总是离不开实验，总是需要构建模型，让学生在学习过程中体验到“事实是这样”，理解“事实为什么是这样”.

（二）尊重学生认知的主体性

教学的终极目标是学生学会、会学，而不是教师教的如何、讲的如何.教师教的目的必然指向学生的学.所以，在教学过程中教师不能替代学生的体验、感悟、思考、总结，只有学生切身感受到的才是真实的，自身感悟出来的才是理解的，经历思考过程的才是有印象的，主动总结出来的才能应用到新问题的分析中去.

（三）尊重形而上的认知升华

物理教学中所遭遇的事实、问题等都是具象的，由此形成的概念、规律虽然具有抽象的特点，但仍然是离不开具体的物理情景.如果教学中仅仅局限于事实描述、具体问题的分析，物理概念、规律的具体应用等，那么，学生只能停留在“形而下”的学习境界.学习的过程有时需要思维“信马由缰”，想法“天马行空”，捕捉学习中的“灵感”，用“形而上”的认知去感悟自然界的真与美，进而上升到观念层面.

（四）尊重认知发展的规律性

物理观念的形成可以说是“永远在路上”.学生心智成熟是需要培育且是渐变的.学习总是内容不断丰富、认知领域不断扩展、思维能力不断提升、概念和规律不断积累的过程.所以，教学过程中要尊重认知规律，从简单到复杂，从具象到抽象，从表象到本質.

（五）尊重学生的主体差异性

学生的差异性存在于两个方面.一是学生在不同阶段的认知存在差异，二是学生个体之间存在差异.有了差异也就存在层次，如果直接进行高层次观念的教学，将违背规律，偏离本真.

学生物理观念的形成，经历的是一个螺旋上升的过程.开始由物理现象引发物理问题，为解释现象、解决问题而凝练出物理概念、规律（物理知识），经不断累积、思维加工进而形成了相关物理观念.如表2所示，是运动与相互作用观念的形成过程.

学生是否具有物理观念，表现为学生能否用物理概念、规律去表征物理现象和物理问题.表征是学生内心活动、思维与物理现象、物理问题等文本对话的过程.面对物理现象、物理问题相关文本时，能否进入物理的“话语体系”，进而用物理的思维来认识、分析问题，是物理观念发展的关键[3].要强化学生的物理观念，教学过程中需要引导学生将现象、问题等与已有的物理观念产生联系，养成用物理的话语去描述、思考、研究现象与问题的习惯.

面对这样的问题文本，学生联想的过程就是思维与该文本对话的过程，从而将该问题与已有的观念、概念、方法联系起来.如果联想到运动的合成与分解的观念，同时意识到轻绳的总长度不变的特点（这是物质观的体现），会将轻绳B端的速度分别沿着绳和垂直于绳两个方向进行分解，沿着绳的分速度大小就是岸上人运动的速度v1.由此得到v2cos[θ]=v1.如果联想到能量观，即意识到轻绳既不能存储能量，也不能释放能量，即人对绳做功的瞬时功率和绳对船做功的瞬时功率相等.设绳中的弹力大小为F，由此得到Fv1=Fv2cos[θ].教学过程中如果直接告知学生利用速度分解的方法或功率相等的方法去解决问题，学生只是掌握了这道题的解法.如果教学中渗透运动观、物质观、能量观，学生将领会到处理轻绳模型的一般方法.经常性地经历这样观念意识的渗透，学生将逐渐养成用观念指导思维的习惯，这正是观念价值之所在.

三、物理观念的评价

要保障各核心素养落到实处，必需要有与以往不同的评价方式.如果评价方式不发生改变，对于广大教师而言，仍然会“穿新鞋，走老路”，使核心素养仅仅停留在文本中和口号上，不能达成这一轮课程改革的初衷.现在《课程标准》中明确提出了核心素养的水平层级.那么，如何在评价中体现学生核心素养发展的水平是当下面临的关键问题.

要考查学生核心素养发展的水平，需要从两个维度进行思考.一是试题的分层命制，即试题定位于考查核心素养的哪个水平，可称之为分层水平测试;二是试题的分层评价.学生的解答有正确和错误之分，存在观念、方法、思路等的差异.这些差异的背后体现了学生核心素养发展的水平，由此可以对学生的解答过程进行分层水平评价.

例2    利用如图2所示的电路做光电效应实验，某种频率的光照射到光电管的金属材料上发生了光电效应.

基于这一物理事实，可以命制不同水平层级的试题，从而考查学生物质观的发展水平.

水平一：光电效应发生的场所在哪里？

水平二：如果灵敏电流计有读数，回路中的电流方向如何？

水平三：如果要使灵敏电流计的读数变大，该如何操作？

水平四：如果需要测量该装置中的遏止电压，该如何操作？

水平五：该实验表明光具有什么特性？试举例说明光还具有其他特性吗？谈谈你对光的本性的认识.

水平一考查学生对这一物理现象的基本认识，是关于“是什么”的考查.需要学生知道光电效应是光子与金属表面的电子相互作用而产生的物理现象.水平二考查该光电效应现象中“怎么样”的特征，知道发生光电效应后，电子从阴极被激发出来后运动到阳极形成回路，产生顺时针方向的电流.水平三考查该光电效应现象中“怎么办”的问题，知道入射光的频率、入射光的强度、光电管中金属材料、光电压等是影响光电流强度的因素.水平四综合考查光电效应与分压电路“还能怎么办”的相关知识，通过分压电路可以测量遏止电压.水平五考查学生对光的本性的认识，考查学生是否灵活掌握光电现象与相应本质之间的联系.其实，波粒二象性是对光的本性认识的一种不得已的说法，至于光的本性是什么，目前只是根据光传播过程中所表现出来的现象来描述.有时光表现为粒子性，有时光表现为波动性.波粒二象性只是一种折中的说法.客观地说，人们至今还不清楚光的本性到底是什么，或者说这种追问本身无意义.只能就其表现而给出相应的表象描述，这并非是光的本性.就好比对某个人来说，当其行善时，他是“好人”，当其有恶行时，他是“坏人”.至于这个人的本性是“好人”还是“坏人”，不能离开他具体的行为而给出一个抽象评判，只能根据他的具体行为表现来定性这次行为的善与恶.这种认识，超越了传统认知，突破了常规思维，更是观念的创新.

《课程标准》中给出了学业水平考试试题案例，并给出了相应的评价方案建议，这是从试题对核心素养要素考查的维度和解答正确程度角度进行评价的.学生在解题过程中，在方法、思路、概念、计算等方面存在错误.但错误并非不能反映学生的素养水平，可以根据学生错误的类型进行分层评价.

例3   如图3所示，电阻不计、间距为l的光滑平行金属导轨，水平放置于磁感应强度B、方向竖直向下的匀强磁场中，导轨左端接一定值电阻R.质量为m、电阻为r的金属棒MN置于导轨上，始终垂直于导轨且接触良好.当MN受到垂直于棒的水平恒力F的作用，由静止开始运动，经过位移x，获得速度v.求金属棒在运动中回路产生的热能.

这三位学生并不是没有物理观念和科学思维.如果仅仅看方法是否合理，方程是否规范，答案是否正确，以上三位学生的解答都不能得分，但三位学生的错误原因各不相同.

学生甲认识到焦耳定律是求解热能的一种途径，电流强度是感应电动势产生的，运动的时间与位移和速度有关系.该学生具备了焦耳定律、动生电动势、闭合电路欧姆定律等知识，但缺乏对金属棒运动过程的动态分析，忽视了该题中金属棒是变速运动的，回路中的电流强度是变化的特点.可以给出相当于水平一的评价.学生乙和丙也许认识到该题只能借助于功能关系分析.学生乙是混淆了安培力做功和焦耳热之间的关系，在同一个方程中重复出现安培力做功和焦耳热.可以给出相当于水平二的评价.学生丙是混淆了功能关系的转化，得出的焦耳热是一个负值.可以给出相当于水平三的评价.如果按传统的评价方式，这三种解答都不能得分，不能对学生解答过程的差异性给出客观的评价.如果分析学生错误的类型及原因，根据核心素养的水平也将错误类型进行分层，给出相应的肯定性评价，有利于核心素养的分层在评价中得到落实，也是促进评价的科学性和有效性的关键.

参考文献：

[1]罗莹.物理核心素养研究：物理知识与物理观念[J].物理教师，2018（6）：2-6.

[2]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[3]高杰，等.高考考生物理核心素养部分要素发展状况的诊断与分析[J].考试研究，2017（1）：27-37.