“质量”概念学习进阶的初步研究

2020-06-08王长江

物理教师 2020年5期

安秋王长江

(安徽师范大学物理与电子信息学院，安徽芜湖 241002)

1 问题提出

通过中国知网(China National Knowledge Infrastructure, CNKI)对关键词“质量”和“物理”进行高级检索，发现目前关于“质量”概念的研究主要表现在质量概念的演变、质量概念的教学、质量概念的分支研究等几个方面，但对于质量概念学习进阶的研究还未曾出现.“质量”是物理学科的基本概念之一，在物理、化学、数学等学科以及生产、生活中应用极广.在物理学发展的进程中，“质量”的概念是不断演变的，并且不断演变的“质量”概念均有学习研究的意义，因此，“质量”概念作为中学物理学科的基础内容和重要内容，在中学物理学科教学内容中具有占比较大、应用极广的特点，是学生学习的重要内容.在“学习进阶”作为科学教育研究中的热点议题的教育背景下，以学习进阶为研究方法对我国中学物理教学中的“质量”概念进行研究，能够发现我国中学物理教育中“质量”概念的相关学习进阶路径划分.那么现有中学物理学科教学安排是否符合学生的认知发展？若不符合又有怎样的改进方法？这些将是中学物理教育研究者共同面临的问题.

2 研究背景

2004年学习进阶第一次在科学教育领域被正式提出.[1]学习进阶(Learning Progressions)是指学生在一个领域内，从初级到高级的思维发展过程中，与核心思想和原则相关的思维发展过程模型.[2]学习进阶的研究主要集中在数学教育和科学教育领域.[3]越来越多的研究表明，学习进阶可能成为指导教师以引出、解释和回应学生想法的有效工作手段.[4]学习进阶的理念已经在一些国家的教育部门和商业实体中得到了广泛的欢迎，并产生大量的检查与评估关于教师使用学习进度证据的工具，如伯克利评价研究系统(Berkeley Evaluation and Assessment Research)评估系统以及相应的试卷质量分析软件Bond & Foxsteps、Wright map等、[5-6]基于模型的探究法(Model-Based Inquire Approach).[7]另外，Wilson 2009年就学习进阶框架的开发流程从定量测量的角度进行了介绍，并指出相应的研究步骤为从构建学习进阶框架、到开发测试题目、到确定结果空间、到形成实证证据、再到构建学习进阶框架的循环过程.[8-9]

关于学习进阶主题的确定在教育界中众说纷纭，有学者认为，并不是所有的科学概念都可以作为进阶变量，进阶变量必须是核心概念或核心实践能力；[10]还有学者认为，学习进阶是对概念的进阶研究.[11]笔者在研究学习过程中追根溯源，发现早在2007年，美国国家研究委员会(National Research Council)发表文章提出在科学中，学习进阶被定义为“对于一个可以作为学生长期学习的主题，学习进阶就是对学生在学习这个主题过程中产生的连续且越来越复杂的思维方式的描述”.[12]

综上，学习进阶的研究对象并不唯一确定，可以是基本概念或者是核心概念，也可以是一门学科或学科分支，表现为一个具有伸缩性的主题.作为学习进阶的主题选取方面，需要考虑两个方面的特点：学习时间较长、学习过程中学生的思维方式有发展变化.以物理学史为研究依据，“质量”作为一个物理概念已经具有很长一段时间研究的历史背景，并且其概念具有发展变化的特点，应用十分广泛.下面将以我国中学物理(7年级-12年级)“质量”概念为研究主题，进行相关的学习进阶探究.

3 物理学史中质量概念的进化

质量是物理学研究对象之一.在物理学史中，“质量”概念主要历经了多次演变，通过阅读乔际平先生的《重要物理概念规律的形成与发展》一书发现，17世纪20年代、17世纪80年代和20世纪初3个时间段对质量概念的发展有着里程碑性的意义.其中具有代表性的弗兰西斯·培根、艾萨克·牛顿和阿尔伯特·爱因斯坦3位物理学家通过细心研究和归纳，分别提出了质量、静质量、引力质量、惯性质量以及动质量的相关质量概念，对这些“质量”概念做了具体描述.[13]尤其是牛顿的静质量、引力质量和惯性质量等“质量”概念，是支撑经典力学大厦的有力根基，对现代社会科技的发展具有十分重要的作用；而爱因斯坦关于动质量概念的提出，更是为未来科技的发展和高速运动物质的探索提供了宝贵的理论基础.另外，“质量”概念的发展在历经多次科学家的探索后，又做出了其他补充，1881年J.J.汤姆生首次提出带电体应具有更大的质量，后来人们用“电磁质量”表示这部分增加的质量.随后，1904年洛伦兹得到电子质量与速度之间的关系.[14]

物理学家对质量的研究不仅仅局限于概念的探索，在对基本粒子(如电子、α粒子等)质量的测量和不同变化过程中质量所遵守的规律(如质量守恒定律、质能方程等)等方面均有所涉猎.因此，“质量”概念具有强的知识迁移能力，具有极大的学习和研究价值.下面将以时间轴的顺序对“质量”概念在物理学史中的发展做出相应的梳理(表1).

4 现行教材中质量概念的呈现顺序

我国中学生(7年级-12年级)对质量概念的认知演变，可以从我们的基本教学干预参考——教科书和课程标准中寻找出基本路径.随着基础教育的改革推进，“一纲多本”是我国教育发展的现状，课程标准方面，本着与时俱进的教学环境需要，笔者将选取《义务教育物理课程标准》(2001年版)和《普通高中物理课程标准》(2017年版)作为研究对象；教科书方面，根据教科书的适用范围广度和普及度，笔者将选取2012年初中、2010年高中人教版物理教材作为研究对象，对“质量”概念的学习要求和内容编排进行梳理.

表1 质量概念的演变

阶段1：初一年级.

根据我国教育安排，7年级的学生还没有开设物理学的相关课程学习，这一阶段的学生处于物理教学干预之前.由于“质量”这一概念与现代生活和学习的紧密联系，学生会受生活经验和其他学科知识的影响，形成一定的与“质量”概念相关的前概念.对这一年级学生对“质量”概念进行前概念测查，有助于了解学生的社会综合学习基础，有助于发现学生的迷思概念，从而为教师教学提供学情参考，辅助教学.

通过调查发现，学生在小学人教版义务教育教科书数学3年级上册的学习过程中学习认识了“质量”的单位“克、千克、吨”及换算；[15]在日常生活中，学生比较易于接触和了解到“两、斤”等质量单位；“重量”与“质量”混用等等情况都存在于学生对“质量”的前概念之中.

阶段2：初二年级.

依据《义务教育物理课程标准》对初中物理学科课程目标的要求，8年级学生在学习完相关内容后，应做到认识“质量”，包括基本概念“物体所含物质的多少叫做质量”和单位；[16]会用简单的实验仪器测量“质量”的大小；能对物质做出相关“质量”的描述.其中，将“用天平测量物体的质量”设置为学生必做实验之一.[17]

查阅8年级物理教科书，8年级上册第6章将“质量”作为一级主题，对“质量”进行概念、符号表示、单位、测量、计算、简单运用6个方面进行一章的系统阐述，8年级下册第7章探究了重力与质量的关系，第8章简单介绍了惯性，并没有深入探究惯性与质量间的联系，第10章介绍了浮力与质量间的联系，第11章介绍了能与质量间的联系.

阶段3：初三年级.

结合《义务教育物理课程标准》，9年级学生对“质量”概念并没有相应的变化与发展，属于在8年级学习到的“质量”概念基础上，加以运用和迁移.通过翻看相应的9年级物理教科书，能够发现内能、比热容、热值等与“质量”概念相关的知识安排.

阶段4：高一年级.

由于新版课标《普通高中物理课程标准》(2017年版)已颁布而新版教材还未使用，笔者将以新课标新思想来探究现用教材，对其中的“质量”概念相关表述进行梳理.新课标强调要以发展学生物理学科核心素养为教学宗旨，注重对物理概念本质的探索、研究与学习.因此，对于“质量”概念需要有深入性的研究发展.

翻看高中物理必修1，发现在第4章牛顿运动定律中对“质量”概念做出新表述，将质量定义为“描述物体惯性的物理量”,并且介绍了“动力学方法测质量”的新方法，[18]高中物理必修2中，第6章万有引力与航天相关内容介绍了“引力质量”和万有引力定律，是称量天体质量的有效方法.

阶段5：高二年级.

根据我国高中物理教育采取的“必修+选修”的课程结构，高中学生一般在高二年级完成物理选修部分知识的学习.选修电学部分(3-1，3-2)只介绍了电子质量的大小，对“质量”概念的发展并没有相关表述，热学部分(3-3)也属于对原“质量”概念的应用部分，相对论部分(3- 4)提出了“相对论质量”也叫“动质量”并指出“物体运动时的质量m总要大于静止时的质量m0”，[19]原子物理部分(3-5)提出了“质量”概念的迁移概念“质量数”，以及在介绍结合能时提出质量亏损.

阶段6：高三年级.

高中三年级对学生来讲是复习与冲刺的阶段.这个阶段对学生学业质量水平的要求要达到较完备的水平，学生对“质量”概念应形成系统的认识，以及对其迁移概念、规律要学会理解与运用.

通过按教学时间阶段的划分，可以看出我国物理教育对“质量”概念预期的学习进阶路径如表2.

表2 现行教材安排“质量”概念学习进阶路径

5 “质量”概念学习进阶的层级再划分

以上对现行人教版中学物理教材中“质量”概念学习进阶安排的路径分析是以学年划分的.可以看出初中阶段(7-9年级)对“质量”概念的学习进阶层级安排跨度较小，而高中阶段(10-12年级)对“质量”概念的学习进阶层级安排跨度较大.这也造成大部分学生认为在从中学阶段上升到高中阶段时，对物理学科学习的认知跨度较大，从而对物理学科失去学习的希望.因此，从学生的认知角度出发，现行人教版物理教科书关于“质量”概念的教学安排还有改进与提高的空间.

下面笔者将结合学习进阶的相关研究对中学物理教学中质量概念的教学安排进行分析.我国有关学习进阶研究专家郭玉英、姚建欣等人在经历一系列有关学习进阶的研究过程后，提出科学理解的进阶发展层级：事实经验、映射概括、系统关联，为进阶变量的确定提供了重要参考.[20]在考虑学生学习知识、建构物理观念时的系统与完整，笔者在前人研究的基础上，搭建事实与经验、经验与映射、映射与概括、概括与系统、系统与关联、关联与整合6层学生学习理解物理概念与形成物理观念的学习进阶层级，并将“质量”概念重新以质量的“经验”、“宏观”、“实验”、“推理”、“微观”、“聚合”6层表述来进行再划分，构建新型“质量”概念学习进阶研究路径，具体划分情况如表3.