再谈物理观念及其培养

沈峰，黄网官

摘要：理解物理观念，需要先理解观念及其表征。物理观念是内隐的，判断学生是否具有物理观念，可以基于学生面对现实世界时所表现出来的意见、思想、观点、看法等来反推。培养学生的物理观念重在培育他们的科学意识和理性精神。物理观念培养过程中，必须关注学生原先具有哪些非物理观念，以确定物理观念培养的起点，然后以物理知识的掌握为基础，以物理知识的直接应用来强化，用物理知识的迁移应用来巩固。物理观念培养的重点环节在于应用实践和迁移创新。

关键词：物理观念;核心素养;非物理观念;应用实践;迁移创新

《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”），在“课程目标”里阐述了“核心素养内涵”，其中明确指出物理课程要培养学生的物理核心素养，主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。每项核心素养的内涵如何理解，教学中又应当如何培养，需要研究。本文试从物理观念开始探索。

一、对观念的理解

显然，物理观念是观念的下位概念。理解物理观念，不妨先理解观念。《现代汉语词典（第7版）》对“观念”的解释有二：①思想意识;②客观事物在人脑里留下的概括的形象（有时指表象）。在教学的视域中，观念是需要培养才能生成的，因此应取“思想意识”之意。既然观念是思想意识，那就意味着观念是内隐的。当人面对具体事物或实际问题时，观念会影响人的判断与选择。这有点类似于默会知识，虽然是内隐的，但又确确实实会影响人的言行。那么，一个随之而来的问题是：如何判断人是否形成了观念呢？回答这个问题，涉及观念的表征。先来看一个例子：

1980年，陈省身先生在北京大学讲学。陈先生语出惊人：“人们常说，三角形的内角和等于180°，但是，这是不对的。”面对大家的惊愕，陈先生说：“说‘三角形的内角和等于180°不对，不是说这个事实不对，而是说这种看问题的方法不对，应该说‘三角形的外角和为360°。”陈先生进一步解释：“不同多边形的内角和是不等的，用公式表示为（n-2）×180°，而所有多边形的外角和是定值，都是360°。显然，后者是更为一般的规律。”

《义务教育数学课程标准（2022年版）》阐述“核心素养内涵”的时候，提到了“会用数学的眼光观察现实世界”。“数学家的眼光”体现在学生的数学学习中，自然就对应着“数学的眼光”。什么是“数学的眼光”？在我们看来，数学眼光就是数学观念的一种体现，有什么样的数学观念，就有什么样的数学眼光，就有什么样的判断结果。所以借助这一例子，我们可以认为，观念的表征就是一个人看待事物时的眼光、视角，以及所做的判断、选择等。

关于概念与观念的区别，高瑞泉教授指出：观念的用法要宽泛得多，可以表示概念，也可以泛泛而论地表示意见、思想、观点、看法等等复杂的意思。这是一个非常通俗的阐释：人们在生活中的多种场合，常常会表达自己的意见、思想、观点、看法，那从这些元素中，就可以反推观念的成色。

二、對物理观念的理解

既然“观念”取“思想意识”之意，即应认为物理观念就是关于物理的思想意识，或可理解为以物理（科学）为内核的思想意识。在新课标中，物理观念被描述为“是从物理学视角形成的关于物质、运动和相互作用、能量等内容的总体认识，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”。从基本语法的角度解读，这样的描述可以进一步抽象为“物理观念是……总体认识”“是……提炼与升华”“是……基础”。这样的抽象结果至少说明了一个事实，即对物理观念的理解可以是多角度的：从内容上看，物理观念是关于物质、运动和相互作用、能量等内容的认识;从形成途径上看，物理观念是通过对物理概念和规律的提炼与升华得来的;从功能上看，物理观念是用来解释自然现象和解决实际问题的。

上文提到了可以从意见、思想、观点、看法中反推观念，但要注意的是，这种反推本身并不是严格的逻辑推理，其结果并不必然正确。例如，在“声音是由于物体的振动产生的，声音的传播需要介质”这一规律性阐述中，有物质观念——离开了物质（体），就无法产生和传播声音;也有运动和相互作用观念——振动才能产生声音，发声的物体必然处于振动状态;还有能量观念——一个原本不发声的物体要发声，使其振动的过程也是赋予其能量的过程，声音传播时所传递的既是振动这种形式，同时也有借助声波传播的能量。但是，学生能够说出“声音是由于物体的振动产生的，声音的传播需要介质”，并不意味着学生已经形成了相关的物理观念，因为学生有可能只是机械的记忆与复述。

这说明，仅知其名等于一无所知。判断学生是否形成物理观念，应突破线性思维，少看表面现象，更多地从科学意识、理性精神两个维度来进行。意识是人判断事物时的起始感觉，决定着判断事物的方向。科学意识意味着从科学（而非经验、宗教或其他）的视角去判断事物，理性精神意味着遵循科学的逻辑去判断事物的起因、发展与结果。比如，关于上面提及的“声现象”，《刘宾客嘉话录》曾经记载过这样的一个小故事：

唐朝时期，洛阳某寺内一僧房中挂着一种乐器——磬。该磬经常自鸣作响，该僧以为是妖作祟，惊恐成疾，求医无治。其友曹绍夔，是朝中管音乐的官员，听闻此事，特去看望该僧，正好听见寺内敲钟声时，磬也作响。曹绍夔掏出怀中铁锉，在磬上锉磨数处，磬再也不作响了……

“磬自鸣作响”是一种共鸣现象，对应的物理知识是共振，但在僧人眼里却属灵异事件;曹绍夔之所以能够解决问题，则在于其具有相关的经验，知晓其中的原理（实际上，此类现象在我国古籍中多有记载）。此时就算物理观念的概念尚无影踪，但在曹绍夔的举措中已经能够看到物理观念的端倪。这也再次说明，真正的物理观念的表征，不在于概念本身，而在于面对现实世界及物理现象时，能够表现出科学的意识与理性的精神，并在此基础上表现出科学的意见、思想、观点、看法。

三、物理观念培养的路径探寻

既然物理观念是物理核心素养的组成要素，也就意味着在教学中需要发展学生的物理观念。而学生在生活、学习的过程中，会形成各种各样的观念，这些观念当中必然存在着非物理观念。这样的判断既符合事实，也符合史实：从物理学史的角度来看，物理观念是动态变化的，“地心说”向“日心说”的演变等无数事例足以说明其演变特征。物理学的发展，从某种程度上讲正是物理观念的发展。

再将物理观念培养的目光投射到学生身上，可以先来重温奥苏伯尔的经典判断：“假如让我把全部教育心理学仅仅归纳为一条原理的话，那么，我将一言以蔽之曰：影响学习的唯一最重要的因素，就是学习者已经知道了什么，要探明这一点，并应据此实施教学。”我们以为，在培育学生物理观念的时候，也必须关注学生原先具有哪些非物理观念，只有如此，才能确定物理观念培养的起点。可以认为，物理观念培养的过程，就是学生放弃某一非物理观念，进而建立相应的物理观念的过程。

上文已经提及，非物理观念更多地体现为建立在浅层经验基础上的低水平直觉，体现为不讲科学逻辑与原理的主观判断，甚至是臆断。对于学生而言，非物理观念更多的与错误的前概念相关，但又有所区别——前概念更多的是静态的认识，而非物理观念则影响着学生对事物的动态判断。如果学生基于错误的前概念而随意判断，那就可以理解为非物理观念在起作用。

高瑞泉教授认为，“（观念）表达了观念者的信念，是认识与信念的统一”。这是一个非常重要的论断，其说明观念的培养应当以培养学生的“认识”为基础，以确定“信念”为目标。显然，将物理观念作为物理核心素养，所追求的就是让学生形成信念，让学生运用物理观念对自身的言行施加积极的影响。

蔡铁权等人对物理观念进行了深入的研究，并提出物理教学中物理观念养成的架构（如图1所示）。根据这一架构，物理观念有着承上启下的地位。该架构对应的教学过程可以通俗地理解为：教师引导学生通过对事实经验的加工获得概念和规律，然后在此基础上提炼出核心概念，再升华为物理观念;形成物理观念之后，再将之反作用于实践并追求创新。如果只从物理观念的培养角度来看，从事实经验到概念规律再到核心概念，就是物理观念培养的前置过程。三者是物理观念的基础，之间具有明显的阶梯性;三者之间逐步演绎，伴随着的是学生思维的步步深入。这样的解读，可以给一线教师指明物理观念培养的基本途径。而且，这一架构与传统的物理教学范式基本一脉相承，因此教师很容易将其纳入已有的教学思路，从而让教学变得高效。

需要注意的是，在理解这一架构的时候，要防止与教师的教学惯性产生冲突：教学惯性源自当前的物理教学范式，其主要特征是“在物理范围内教物理”，追求的是物理知识的掌握与运用（解题），即使偶有从生活事例出发，也会在教师的“引导”之下很快进入物理知识的范围。这样的教学范式对应试是高效的，但又会使得学生在学习物理的时候，感觉到物理与生活、与自己原有的认知之间存在着明显的界限。这对于学生来说，导致的学习结果往往是：在物理课堂上，能够熟练地运用物理知识解答物理习题;走出物理课堂，仍然会用原来的经验看生活、看世界。显然，这样的状况意味着学生的物理观念并没有真正养成。

这样的教学，恰恰是费曼所反对的“用字解释字”。用字解释字，实际上就是在概念的基础上演绎概念。当物理教学在物理知识的范围内“兜圈”时，物理知识的价值只能体现在解题上，这也就意味着物理概念和规律难以被学生内化，更难以被提炼、升华为物理观念。因此，物理观念的培养需要突破传统的教学范式，需要将物理教学的重心向学生的生活，尤其是原有的非物理观念偏移，要引导学生在改造原有非物理觀念的过程中，实现物理观念的养成。

同时，我们还以为，基于对蔡铁权等人提出的物理观念养成架构的深度思考，物理观念培养的重点应当放在“应用实践”和“迁移创新”环节。这是因为只有经过这两个环节，知识层面的物理观念才能被洗礼，才能被学生所内化，才能转识成智，才能真正成为核心素养层面的物理观念。

四、物理观念培养的案例分析

培养物理观念应当落实在日常的教学中，教师要以铁杵磨成针的功夫，用“数日之寒”去成就学生的“三尺之冰”。限于篇幅，本文仅以“一日之寒”的例子来阐述我们对物理观念培养的基本理解。

相信很多二十世纪七八十年代出生的人小时候曾经有这样的疑惑：挂在墙上四四方方的广播箱里，说话的那个人是怎样藏身的？怎么每个人家广播箱里都是同一个人？认为“发声的广播箱里躲着一个人”，是儿童的一个极为简单的推理：生活中能说话的只有活生生的人，广播箱里传出人声，必定是那里藏有一个人——尽管这样的推理漏洞百出，但当时就是执着于这一判断。显然，这样的判断就是非物理观念的产物——在有了疑问又没有掌握相关知识的情形下，只能基于简单的直觉进行推理。这说明物理知识是物理观念形成的基础。当后来知道广播只不过是声、电信号之间的转换时，知道广播箱中声音产生的原因只是喇叭振动时，固然让童年时的那点天真的想象消失殆尽，却确认了在遇到声现象时，要从振动的角度进行分析。尤其是对于一个物理教师而言，声现象是如此的熟悉，以至于这已经是一种直觉了，这种直觉是能够迁移到生活中其他任何相关场景中的。

从这样一个例子也可以看出，物理观念的培养，当以物理知识的掌握为基础，以物理知识的直接应用来强化，用物理知识的迁移应用来巩固。对于“声现象”的教学而言，知识的掌握与直接应用，都是传统教学落实得比较好的，此处不再赘述。至于迁移应用，最关键的就是要给学生提供陌生的情境，看学生能否顺利地运用声现象相关知识去判断、分析。比如，以“声现象的未解之谜”为关键词在网络上搜索，可以发现很多介绍自然中难以解释的声现象的例子。这些现象发生在世界各地，各自不同，很是夺人眼球。如果让学生面对这些例子，那会出现怎样的情形呢？可以预料的是，必然会有一部分学生不假思索地接受搜索到的解读，而且如果有机会，还会绘声绘色甚至添油加醋地转述。显然，这种不加判断、人云亦云的情形并非物理教学所期待的，因为这种情形正说明学生在学习了声现象的知识之后，并没有形成真正的物理观念。

作为教师，面对这样的情形，应意识到这是学生的非物理观念在起作用。从这一教学起点出发，教师应该做的是引导学生剥离那些解读中的主观臆测成分，然后从声音的产生与传播角度去研究：所有声音，其发生必然存在声源，其传播必然需要介质，因此对这些所谓奇异声现象的解释，重在找出声源并判断传播路径——即从物质（声源）、相互作用（声源的振动）、能量（声音的传播）等角度去判断。当然，作为来源于现实的复杂声现象，对其分析可能还需要考虑其他因素。但只要抓住这两个要点，无论结论能否顺利出现，学生都会经历一个知识提炼、升华的过程，在此过程中所形成的观念就是物理观念。

最后顺便说一句，我们认为，真正学过物理的人，对各种骗术应当是有“抗体”的，这个抗体的“抗原”就是物理观念（或是科学观念、数学观念等）。物理学原理与一些社会科学也有关联。物理观念不仅会让人在遇到自然现象时产生科学判断的意识，同时也会让人在遇到社会现象时产生理性判断的意识——那些诈骗之举，十之八九是运用语言编造符合受众期待的故事，但认真分析则可以发现其明显不符合逻辑，与规律相悖，没有相信的理由。