物理学科能力研究的比较与启示

2021-11-27董鑫鑫翟彦芳

教育研究与评论（中学教育教学） 2021年10期

董鑫鑫翟彦芳

摘要：物理学科能力的研究是关系到物理教育变革和新时代学生发展的重点领域。当前，物理学科能力的研究百花齐放。通过对内涵、理论基础（起点）、建构过程和构成要素几个方面的比较，分析关于物理学科能力的各种理论的差异，得出进一步研究的有益建议。在开展物理学科能力的后续研究时，需要认真甄别与谨慎选择建构的理论起点，尽量从物理学起点出发;应关注物理学科的“习得”过程和“应用”过程;注重建构逻辑;可将已有理论中较被认可的构成要素作为后续研究的重要基础。

关键词：物理学科能力;理论基础;建构逻辑;构成要素

长期以来，培养学生的学科能力一直都是教育界关注的重点问题。伴随着核心素养时代的到来，学科能力问题更加引起人们的关注。比如，物理学科能力的要素是什么？怎样培养学生的物理学科能力？这些都是物理学科能力研究中需要回答的问题。令人欣慰的是，目前已经有许多研究者对这些问题展开了有益的探索，生成了不同的解读和界定。为此，本文通过遴选国内近年来具有代表性的物理学科能力理论做比较分析，以期为进一步研究提供有益的建议。

一、物理学科能力研究的回顾

美国科学哲学家托马斯·库恩在《科学革命的结构》中提出了“范式（paradigm）”一词，认为范式是由科学共同体所共享的信仰、理论、规则、技术和价值等要素构成的集合，其本质是一种理论体系。此后，范式理论逐渐被运用到其他社会科学领域，用以分析社会研究中的“突变”状态。美国哈佛大学彼得·霍尔教授结合由于政策变化所引起的突变和间断特征，提出了“政策范式”的概念。他认为，政策变化会导致社会科学研究的中心变量发生转变。物理学科能力的研究变革，自然也是由相关政策推动的。

改革开放以来，物理学科能力的培养便在不同课程文件中被反复强调，许多研究也是围绕课程文件展开的。进入21世纪，物理课程标准将国际科学教育中的“科学探究”引进国内，一度成为我国物理教育界讨论和争辩的主战场。直到2010年后，我国相继出台了《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》等政策文件，明确了“能力为重”和“素养发展”的总体目标，物理学科能力的理论研究逐渐进入到本土化建构阶段。

尽管物理学科能力的研究经历了曲折的发展过程，但是仍然有不少研究者对物理学科能力展开过持续研究。不过，“前范式”时期的理论研究在表达“学科”特殊性上明显要弱于范式转变后的理论研究。因此，我们按照文章发表的时间顺序，遴选了2010年以后国内具有代表性的物理学科能力的理论研究文献，并梳理了各自对于物理学科能力要素的描述。

欧阳映在《中学物理学科能力的研究》一文中指出，物理学科能力包括：（1）物理观察实验能力;（2）物理符号表征能力;（3）物理模型构建能力;（4）数理推理能力;（5）物理论证能力。

张宇等人在《中学物理学科能力的核心要素构建——基于一线物理教师的实证调查》一文中指出，物理学科能力分为基础能力、一般能力和综合能力。基础能力包括阅读能力（物理教材阅读、物理习题阅读、物理课外阅读）和数学能力（代数运算能力、空间想象能力、数理结合能力）等。一般能力包括观察能力（物理现象观察、物理仪器观察、物理图表观察）、思维能力（物理形象思维、物理抽象思维、物理直觉思维）和实验能力（实验操作能力、实验分析能力、实验设计能力）等。综合能力包括研究能力（信息获取能力、课题选择能力、探究课题能力）和创造能力（质疑旧观点的能力、提出新观点的能力、用新观点解决实际问题）等。

郭玉英等人在《物理学科能力及其表现研究》一文中指出，物理学科能力包括学习理解能力、应用实践能力和迁移创新能力。学习理解能力包括观察记忆（观察与信息提取、信息与知识对应）、概括论证（抽象概括、指向知识获得的推理）和关联整合（知识关系建构、核心概念整合）等。应用实践能力包括分析解释（分析物理问题、解释物理现象）、推论预测（基于推理进行推论、基于推理结果预测）和综合应用（多过程的情境问题解决、多知识的提取与综合使用）等。迁移创新能力包括直觉联想（远距离联想、估算判断）、迁移与质疑（新情境下的應用、基于批判性思考的评价）;建构新模型（创意设计、针对新情境建构模型）等。

邢红军等人在《论物理学科能力的建构及其启示》一文中指出，物理学科能力包括：（1）观察实验能力;（2）科学方法运用能力;（3）物理推理运算能力;（4）物理知识建构能力;（5）物理迁移创新能力。

可以看出，已有物理学科能力理论既存在着单级的能力体系，又有分级的指标体系，能力要素不尽相同。随之而来的问题就是：究竟什么样的物理学科能力理论更令人信服呢？

二、物理学科能力研究的比较分析

正如哲学中的“我是谁？”“我从哪里来？”“我将去往哪里？”等终极问题，任何物理学科能力理论的建构都需要回答的问题是：研究对象是什么？从哪种理论起点出发？按照何种路径和逻辑？最后得到怎样的能力理论？为此，我们从内涵、理论基础（起点）、建构过程和要素构成四个方面，对遴选的物理学科能力的理论展开比较分析。

（一）物理学科能力的内涵

物理学科能力是什么？这是一个本体论问题。依照“循名责实”的认识方法，理解物理学科能力可以从“物理”和“能力”两个方面进行解读。 “物理”是一门科学和学科，它反映了物理学科能力的本质归属。“能力”属于心理学范畴的概念，是物理学科能力的理论基底。从这个角度来看，物理能力就是指学生在物理教育教学活动中通过培养与训练所形成的物理问题解决能力。

心理学家斯皮尔曼主张一切智力活动均由一般因素和特殊因素构成。一般因素所代表的能力能够呈现在一切智力测验课题中，特殊因素所代表的能力则表现于个别特殊课题中。因此，能力有一般能力和特殊能力之分。在这个意义上，物理学科能力可以认为是学生在物理科学活动中表现出来的能力。这种能力不仅包含着从事任何认知活动所共同要求的一般能力，也包含着从事物理认知活动或物理专业活动时所必需的特殊能力。

一般而言，在未进行物理学科学习之前，学生已经具有学习各类学科的基本能力，如感知、观察、记忆、想象、言语和操作等。但是，这些能力并不能称为物理学科能力，因为物理学科能力中的“学科”是相对于“非学科”提出的。这无疑是将物理学科能力定位为“特殊能力”，强调物理学科能力是其他学科无法培养的特殊能力，是物理学科教育价值的集中体现。因此，学生从事所有学科认知活动的基础能力更应被称为物理能力中的“一般能力”。

特殊能力的形成和发展又以一般能力为基础和前提。换言之，物理学科能力无法从一般能力中完全剥离，两者的界限就在于“学科性”的表达上。物理学科能力的“学科性”是建立在物理学科所独有的研究对象、方法和知识领域的基础之上的，体现在能够满足物理学科的特殊要求和解决物理学科的特殊问题。比如，没有接受过物理学科学习的学生，看到机械钟只能认识到摆锤在左右摆动。而当学生学习过相关物理学科知识后，就能够将机械钟的机械结构抽象为摆的模型。在这个过程中，物理学科能力就成为学生在掌握物理学科知识和解决物理学科问题时所形成和发展的独特、必要和稳定的心理特征。

（二）物理学科能力的理论基础

物理学科能力是一个涉及物理学、心理学和教育学三大学科范畴的研究课题，其相应的理论基础就应当有三种，即物理学、心理学和教育学。

欧阳映的研究将物理学的本质特征和特殊要求与心理学模型相结合，从而得出物理学科能力。为了筛选和确定物理学科能力要素，他对物理学科领域的专家进行调查。总的来看，他的物理学科能力研究主要是以物理学为起点，研究方式较为综合。张宇等人的研究通过对物理学科能力要素的整合分类，直接提出了物理学科能力。这样，就导致很难发现其所提出的中学物理学科能力是基于什么理论建构出来的。从研究调查的对象来看，这本质上是一线物理教师对研究者所提出的物理学科能力所进行的评价综合，然后根据一线物理教师的意见进行物理学科能力的归纳。据此，可以将其研究起点确定为教育学。郭玉英等人是以心理学为理论起点进行的研究，他们借助王磊教授提出的学习理解、应用实践与迁移创新导向的多维整合模型，将物理学特色容纳其中，从而提出了物理学科能力表现的理论框架。邢红军等人从物理学起点出发建构物理学科能力。他们以美国G.霍尔顿提出的物理学三维结构模型为基础，通过对模型内在逻辑的整合，形成了以科学方法为中心的物理学“知识—能力”结构，并由此进一步深化和提炼得到物理学科能力。

综上所述，不同研究者分别从三种研究起点对物理学科能力进行了理论建构，而不同研究起点也就呈现出了不同的特征。从心理学和教育学两个起点生成物理学科能力，力求揭示出物理学科能力的内涵，较难排除非学科能力要素的影响，可能难以完全抽离出属于物理学科特性的能力;而从物理学直接生成的物理学科能力则更容易反映出物理学科的本质，较少受到一般能力要素的影响。因此，我们认为，从物理学起点出发建构的物理学科能力与物理学科活动具有较强的对应性，能够指向物理学科学习和物理问题解决。比较而言，以物理学为研究起点来生成物理学科能力更具有理论优势。

（三）物理学科能力的建构过程

在物理学科能力的建构中，研究者往往无法回避这样的问题：是选择实证研究，还是选择思辨研究？一般而言，实证研究总体上遵循归纳法的思路，即从一定的经验事实出发，“从个别到一般，归纳出事物的本质属性和发展规律”。而思辨研究总体上遵循演绎法的思路，即从一个宏大叙事推导出另一个相对的宏大叙事，两个宏大叙事之间存在着明显的从一般到个别或同类类比的特征。因此，物理学科能力的建构过程可以分为实证研究、思辨研究与混合型研究三种类型。

物理学科能力实证研究的代表为张宇等人。这种物理学科能力研究主要依据的是实证数据。他们首先以文献分析的方式，通过整合和分类得到初步的物理学科能力，再依据一线中学物理教师的认可程度加以修正，最后通过实证研究得出物理学科能力要素。实证研究虽然有着基于数据和实证研究的优点，有助于揭示物理学科能力的要素，却较难揭示出物理学科能力要素之间的逻辑关系，研究结果也较易被调查对象的意见所左右。因此，依据这种建构过程得出的物理学科能力往往无法令人满意。

采用思辨研究的主要有郭玉英和邢红军等人。郭玉英等人将心理学的能力模型作为研究基础，再融入物理学科特色，形成一级和二级指标，并包含了学习活动的“输入”“输出”以及“高级输出”过程，从而得出物理学科能力要素。邢红军等人将物理学科“知识—能力”结构图进行了动态分析，按照“实验事实→方法论问题→数学→物理知识”和“物理知识→方法论问题→数学→延伸与应用”两条逻辑路径分别加以展开，从而得到物理学科能力要素。不难发现，思辨研究能够较为顺畅地说明物理学科能力要素的来龙去脉，揭示物理学科能力建构的基本逻辑。

欧阳映的研究既有理论建构的过程，又有实证调查的手段，属于混合型研究。但是，他的研究主要是将实证数据作为支撑理论建构的辅助手段，从而增加研究的效度。可见，他的研究更倾向于以思辨研究进行物理学科能力的理论建構。当然，思辨研究也并非尽善尽美。欧阳映在物理学科能力模型中虽然提出了“获取知识和技能”和“表征应用知识和技能”两个阶段，但是其建构逻辑主要还是侧重于“物理理论的形成过程”，因而并不完备。由此可见，采用思辨研究需要研究者具有较高的理论思维水平，才能够把握物理学科能力的建构逻辑。

（四）物理学科能力的构成要素

尽管众多研究者所获得的物理学科能力要素不尽相同，但他们无一例外地将观察实验能力、数学运用能力和思维能力作为物理学科能力中的必备要素。我们以为，正是由于伽利略采用了实验和数学相结合的方法，物理学才得以由自然哲学中诞生，物理学研究才由思辨研究走向实证研究。因此，将观察实验能力、数学运用能力纳入物理学科能力中是无可争议的。心理学上一般将思维能力作为智力结构的核心。正如林崇德教授所言，任何一种学科的能力，都要在学生的思维活动中获得发展，离开思维活动，无所谓学科能力。对学生来说，思维能力是学生形成能力最为关键的要素。因此，在物理学科能力的建构中就必须对思维能力加以考虑。

进一步，研究者较为认可的是建构物理知识的能力和迁移创新能力。事实上，知识和能力关系的“迷思”最早起源于“形式训练说”和“实质训练说”。前者认为，教育的目的不在于实质性的知识获得;后者认为，知识的获得本身就包含能力的培养，能力的培养离不开知识。现代心理学的研究认为，知识是能力的组成部分，学科能力必然要以学科知识为中介：一是要将知识作为教育的目的，二是要将知识作为手段进行应用。因此，物理学科能力将有关于“知识”的能力要素明确提出，可以有效避免一味强调能力培养，而忽视知识教学的弊端。对于迁移创新能力，越来越多的研究者认识到此项能力对学生发展的重要性。郭玉英和邢红军等人对迁移创新能力的定位并非基于现有学科发展的状况，而是依据学生的现有认知水平提出的，主要指学生面对新问题和新情境能够实现知识应用和方法应用的创新。这在物理教育中更切合学生物理学科能力的发展规律。

应当指出的是，研究者对物理学科能力要素的理解可能存在偏差。比如，将分析和解决物理问题的能力作为要素提出。从物理思维的角度来看，物理思维包含着分析、综合、抽象、概括、直觉、想象等。从物理问题解决的过程来看，物理问题解决又包含识别定向、知识和方法的运用、数学运算、开展实验等。由此可见，分析和解决物理问题的能力是一项综合性能力。对分析和解决物理问题能力进行“窄化”处理，就有可能导致最后呈现的物理学科能力要素发生重叠。这在物理学科能力的后续研究中是需要加以注意的。

三、对后续研究的启示

物理学科能力的研究是关系到物理教育变革和新时代学生发展的重点领域。基于上述比较和分析，我们可以得到以下对后续物理学科能力研究的启示：

（一）合理的理论起点是物理学科能力建构的前提

物理学科能力是物理学科中的特殊能力。因此，物理学科能力的建构，首先需要考虑的就是选择什么样的理论起点。林崇德教授指出，要探索一种学科的学科能力，首先要揭示这种学科的特殊性，找出最能直接体现这种学科的特殊要求与特殊问题的一般能力。这其实就已经指出，物理学科能力的建构要从学科本身出发，才能建构出与学科特殊要求相对应的物理学科能力。以此观点来审视已有的物理学科能力理论，不难发现，除了由物理学科本身演绎而得到的物理學科能力外，其他物理学科能力的建构往往较难充分考量物理学科的特色，从而导致物理学科能力理论中的物理特征依附于其他理论框架进行滞后表达，最终使得物理学科能力较难彰显出物理学科本质。因此，如果存在一个建构物理学科能力的最优起点选项，那么研究者需要认真甄别与谨慎选择，从而使物理学科能力的建构由最适切的理论起点出发。

（二）完善的建构逻辑是物理学科能力建构的关键

一般而言，物理学科能力的建构存在演绎和归纳两条路径，与之对应的就是两种建构过程。当然，每一种建构过程都具有合理之处，也存在一定的问题。然而，建构物理学科能力的决定因素并非其建构过程（范式、路径），而是蕴含在理论背后的建构逻辑。因此，物理学科能力的建构究其根本，还是要以学生的物理认知活动为纽带，以动态的视角审视学生通过物理学习所获得的能力的进阶发展过程。事实上，无论吉尔福特的智力三维结构模型，还是斯腾伯格的三元智力理论，他们都在能力理论中提出了能力结构的组成成分，其中的操作过程与能力体系的动态逻辑是相对应的，而内容和产品成分则是与能力活动相联系的桥梁。从这个角度出发，将物理学习过程和能力理论相结合，物理学科的“习得”过程和“应用”过程相联系就成为物理学科能力建构的必要环节。换句话说，完善的建构逻辑是物理学科能力建构的关键。

（三）科学的构成要素是物理学科能力建构的主体

应当说明的是，任何一种物理学科能力的研究均属于理论假设，研究者试图通过理论建构的方式，将物理学科能力要素的心理结构从“黑箱”中揭示出来，以形成物理教学实践和学生物理学科能力发展的指南。这无疑对物理教育教学具有重要意义。然而，作为一种理论假设或理论模型，物理学科能力的建构并不能被证实或证伪，而只能通过不断研究去逐步趋近物理学科能力的本真。这就要求研究者在物理学科能力的建构过程中，自始至终牢牢把握物理学科能力的本质，全面而又清晰地认识物理学科能力建构的环节和逻辑，把握物理学科能力的静态要素构成与动态逻辑关联，并通过将其运用于物理教学实践之中，来判断、鉴别并修正物理学科能力的构成要素。基于上述比较与分析，我们不难发现，在已有的研究中，物理观察实验能力、数学运用能力、物理思维能力、建构和运用物理知识的能力以及物理迁移创新能力，已基本涵盖了物理学科认识活动的全过程，要素逻辑清晰，界限分明。这将成为后续开展物理学科能力研究的重要基础。

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