论物理观念的生成机制与教学策略

于海波　侯建华

专家论坛

《义务教育物理课程标准（2022年版）》解读文章系列

【专家介绍】

于海波，男，东北师范大学物理学院教授、博士生导师，教育部义务教育物理课程标准修订组核心成员、教育部国培专家，中国教育学会物理教学专业委员会理事、中国高等物理教育研究会理事、中国青少年科技教育工作者协会物理教育与普及专业委员会副秘书长、中国高等学校物理演示实验教学研究会常务理事，吉林省物理学会物理教学专业委员会主任委员。近年，主持全国教育科学规划课题、教育部人文社会科学重点研究基地重大课题、教育部基础教育质量监测中心重大课题等研究课题20余项。在《求是》《教育研究》《课程·教材·教法》《Physical Review Physics Education Research》《物理教学探讨》《物理教师》《中学物理教学参考》《物理通报》等学术刊物上发表学术论文160余篇，出版学术专著3部，主编教材2部。曾获宝钢优秀教师奖、全国教育硕士优秀指导教师奖、中国教育学会优秀论文奖、吉林省社会科学优秀成果奖、吉林省教育科学优秀成果奖、吉林省教学成果奖等多项荣誉。

摘   要：物理观念是初、高中物理学科核心素养的重要内容。目前，如何理解物理观念和有效实施物理观念教学是一线教学关注的焦点问题。文章力图在更大的视野下，深入分析物理观念的内涵与特点、结构与生成，进而尝试性提出了促进学生头脑中物理知识向物理观念转变的四条教学策略，即加强物理学的内在联系，在知识联系中生成观念；关注物理学的发现历程，在知识发展中生成观念；重视物理学的实践体验，在知识运用中生成观念；加强物理学的价值审视，在知识反思中生成观念。

关键词：物理知识；物理观念；生成机制；教学策略

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（202３）3-0001-6

无论是2022年颁布的《义务教育物理课程标准》，还是2018年颁布的《普通高中物理课程标准（2017年版）》，课程目标均为包括物理观念、科学思维、科学探究和科学态度与责任四个方面的物理学科核心素养。如何理解物理学科核心素养的内涵、价值、特点，并结合学情、资源、条件和教师情况将其转变成教学目标和教学活动，已经成为当下物理教师的重要工作。其中，物理观念是本轮物理课程标准修订提出的新素养、新目标、新内容，物理教师对于如何理解物理观念的生成机制、如何培养学生的物理观念等问题存在一定的迷茫、困惑或是误解。为此，我们有必要对物理观念的内涵与特点、结构与生成进行专门的厘清、辨析和解读，进而提出促进学生头脑中物理知识向物理观念转变的教学策略。

1    物理观念的内涵与特点

1.1    物理观念的内涵

要讨论清楚什么是物理观念，首先要理解什么是观念。“观念”这一概念在哲学、心理学、教育学中比较常见。从哲学的视域看，“人的观念作为人在社会实践过程中形成的对客观世界和规律的反映，一旦形成，就会反过来对人的行为进行指导，从而反作用于客观世界”［1］。哲学对观念的定义，强调观念是主动性与被动性、主观性与客观性的统一。从心理学的视域看，“观念是个体一生中作出决定的最好指标……即观念影响他们的知觉、判断，而这些又影响他们的课堂行为”［2］。心理学对观念的界定，更关注观念作为心理活动的基础性、指引性及其对个人行为的重要支配作用。从教育学的视域看，以教师的教育观念为例，“教育观念属于人们对教育现象和教育问题的主体认识以及由此而产生的某些行为意向。每个人都可以有也必然有属于自己的对教育的认识”［3］。观念反映了行为主体个体化的行为意向和基本认识。尽管不同领域对观念界定的关注点有所不同，但还是能够从中发现它们的共通之处，即强调个体面对某一领域或问题时，行为主体经过学习和实践获得的、并在现象分析和问题解决中所显现和反映出来的、具有鲜明个人视角和个性特点的、居于基础地位和发挥支配作用的整体而概括的认识。

理解观念将有助于我们思考物理观念是什么。《义务教育物理课程标准（2022年版）》对物理观念的定义是“物理观念是从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、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。”［4］定义中强调了三点：首先，物理观念是“从物理学视角形成的关于物质、运动与相互作用、能量等内容的总体认识”，这就意味着物理观念具有一定的学科性、情境性、问题性，同时是一种“总体认识”，是认知结构中更为基础和概括性的部分，但不是所有的认识、知识都能称为物理观念；其次，物理观念是“物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华”，明确了物理观念不等于物理知识，或者不等于一般性的“陈述性”物理知识，物理知识只有在头脑中通过思考、研究、使用，才能不断得到升华和凝练，进而转化成物理观念；最后，物理观念是“从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础”，这表明物理观念对于物理现象解释和问题解决发挥着深层次、方向性、根本性的作用，甚至具有微观的认识论、方法论和价值论的特点。物理观念对学生的学习和发展至关重要、影响深远，这也是物理观念被列为物理学科核心素养之首的原因。

怎样来理解物理观念呢？我们来举一个例子。在16世纪末叶，当时的物理学与天文学界流行着两个“太阳系模型”。一个是历史悠久的托勒密的“地心说”，另一个是哥白尼新近提出的“日心说”，那么当时的科学家和民众会如何选择呢？用现代人的眼光来看，大家应该齐刷刷地选择日心说，因为日心说更科学。但是，事实真的如此吗？其实，从物理学的视角看，地心说和日心说只是参考系不同而已。以地球为参考系，“看”太阳的运动，太阳就是绕着地球转；以太阳为参考系，“看”地球的运动，地球就是绕着太阳转，从物理学的视角来看两者并没有本质区别。也许有人会说，日心说更符合实际，更能得到天文观测数据的支持，但事实是地心说同样能够解释和预测当时的各种天文现象，解释力丝毫不亚于日心说，并且符合人们的日常经验。唯一的差别在于，以太陽为参考系，太阳系诸行星的运动轨迹是很规整的圆形；而以地球为参考系，行星们的运行轨迹就会变得异常复杂，需要借助很多的“轮子”才能描述。同时，我们也应该看到，日心说也面临着很多困难，比如当时日心说的拥趸就无法解释高杆上的落物为什么没有偏西，也无法解释地球“带”着月球绕着太阳转，为什么月球没有被地球甩在后面？于是，人们在两种模型之间开始了无限的纠结，就连那些大科学家也不例外。比如，第谷就非常苦恼，因为他既喜欢地心说的“真实”，也喜欢日心说的“简洁”。“真实”和“简洁”，都是第谷不愿放弃的物理观念，在百般纠结之后，第谷创造性地发明了双中心的太阳系模式，地球是太阳系的中心，太阳绕着地球转，而除了地球之外的诸行星则绕着太阳转。本质而言，从物理学的视角看，“地心说”“日心说”和“双中心说”都是等价的，但其发展过程不仅反映了物理观念在物理学和人的认识中的关键、核心作用，同时也反映了物理观念的稳固和倔强。而这种稳固和倔强既是旧科学完善的内核，也是新科学提出的阻力，所以在某种意义上来讲，物理学的发展就是物理观念的发展。

1.2    物理观念的特点

物理观念作为物理教育教学要培养的独特核心素养，具有以下六个特点：

一是抽象性。物理观念在人的认知结构中居于较为上位的层级，是对物理知识、方法、活动的进一步抽离、提炼和概括，因此具有抽象性在所难免。比如，“物质观”“物质形态观”“物质形态的转化观”等都具有一定的抽象性，同时对于整个物理理解也具有一定的统摄性。

二是基础性。物理观念虽然比较抽象，但是在物理学的研究和构建中，往往又处于基础性地位，居于研究和思考问题的逻辑起点。比如，太阳系运行的“地心说”信奉“地球为宇宙中心的观点”，这个“不容置疑”是研究和思考的起点，一切研究要以此为前提和起点。

三是综合性。物理观念的生成是一个复杂而艰巨的过程，是人们对多种物理现象、问题、理论进行深入而全面思考的结果。比如，亚里士多德坚持“力是维持物体运动的原因”的观念，如今我们看来荒谬可笑，但事实上它也是在纷繁复杂的物理世界中提炼出来，并得到了现实世界和理论逻辑的双重“检验”。这看似是一个简单的命题，但其背后隐藏着亚里士多德宇宙构成理论和物理世界“比附”式的解释逻辑，而这只是亚里士多德复杂观念网络的一个节点而已。

四是指引性。不管是物理学的学习发展还是物理学的研究进步，物理观念总是在无形中指引着人们学习和研究的方向，但物理观念为学习和研究提供明确方向的同时，也可能限制学习和研究的思考空间，加大了提出新方向、新想法、新思路的难度。比如，光本质的“波动观”在光的研究中起到了重要的推动作用，但后来也曾一度制约光的深入研究。这不能责怪任何物理观念或者物理学家，因为这是人类认识物理世界甚至是自然世界的基本规律，也是人类认识世界的规律。

五是结构性。从物理学的视角看，物理科学家共同体的物理观念是对物理知识、物理方法、物理活动的概括、凝练、体验的进一步升华，但结果并不是随意散乱的，而是具有一定的结构性，观念的力量来源恰恰就在于其结构性特征［5］。从物理学习的视角看，学习的内容、过程、方式、活动也是经过科学规划和实施的，其结果也力争使学生生成有一定结构性的物理观念。比如，初、高中物理课程标准都给我们描绘了一个结构化的物理观念蓝图——物理观念包括物质观、运动和相互作用观、能量观，当然这样的观念还可以继续细分下去。

六是发展性。无论是物理学中的物理观念，还是学生头脑中的物理观念，都是在不断发展变化的，理解这种发展性会让我们对物理学的理解更深刻，也会让我们对学生物理学习过程的认识更全面。比如在物理学中，物质的结构观就有一个从宏观表象、经验解释，到猜想假设、发散想象，再到微观结构、精细分析的认识过程；学生学习物质的组成也部分体现了认知反演过程，学生头脑中的物理观念在不断发展变化。

2    物理观念的结构与生成

2.1    物理观念的结构

物理观念是一个结构性存在，由不同的下位观念构成。按照物理学的研究问题、研究主题和教育需要，初、高中课程标准将物理观念分解为物质观、运动和相互作用观、能量观。这种分解是以物理学知识体系为基础展开的，主要关注物理学的内容和逻辑，对于老师们理解把握物理观念意义重大。但同时我们也应该看到，这只是物理观念分解、提炼的最直接、最简洁、最直观的视角。在教学中，我们还需要基于课标中物理观念的定义和思想，对物理观念展开进一步的追问、细化和分解。物理观念是物理概念和规律等在头脑中的提炼与升华［4］，这也就意味着，物理观念是学生通过各种方式学习物理学后，在观念层面上获得的与众不同的高阶认知。

经过文献梳理和现实了解，我们可以认为，从中学生学习层面来看，物理观念还可以进一步细化为实证观念、模型观念、系统观念、守恒观念、对称观念、时空观念等。

一是实证观念。物理学之所以被称为科学，就在于物理学讲究数据、证据、实验、检验，不管是证实还是证伪都讲究“实证”，空谈、玄论不是物理学。学生经过不断学习、思考、探究，实证的观念就会不断生成和发展。

二是模型观念。模型体现了物理学家研究纷繁复杂的物理世界时，力图把握本质，找准努力方向，抓住关键成果。物理学正是通过不同的物理模型，告诉我们一个理想的物理学世界的样态，同时又能通过理想的物理模型来解决现实物理世界的问题。物理学的学习，不仅能让学生学会物理模型，还能让学生获得模型的观念——日后在面对各种问题时，学生会不自觉地想到通过建构模型来解决问题。

三是系统观念。物理世界是一个大系统，每一个物理学具体的研究对象本身都是一个系统，并且是更上位系统的子系统，也是更下位系统的母系统。只有具有系统的观念，研究问题才能更深入、更全面、更明确。另外，物理学也是一个知识系统。经过物理学习和体会，学生逐渐会生成系统观念，日后在解决物理问题和生活问题时就会用系统的思维和方法来处理问题。

四是守恒观念。守恒观念是具有鲜明物理学特色的观念。物理学研究史往往就是一个在寻找守恒量的过程，然后利用守恒的规律来解释现实世界中不守恒的问题。经过各种守恒定律的学习，“守恒”这个观念就会在学生的头脑中不断生根发芽，进而影响学生的想法和行为。

五是对称观念。对称观念在物理学研究和物理理论建构中具有重要作用，但在中学物理学中还处于“潜隐”的状态，并不容易引起注意。即便如此，中学生还是具备了一些对称性观念。比如，在光的反射定律中，在抛体运动中，在弹性碰撞中，在质能方程中，在电磁转换中，在热在均匀介质传播中……无不彰显着物理现象的对称之美及其背后蕴含的对称观念，在物理学习过程中学生的对称观念将不断得到显化。

六是时空观念。时空观念是物理学中的重要观念，中学物理课程内容主要是经典物理学和很少的相对论初步知识，虽然力图弥补相对论时空观的缺失，但是整个中学物理传递的主要还是经典物理学的時空观。时空观念的转换是物理学一次重要的革命，其背后蕴含的教育价值毋庸置疑。如何科学恰切地渗透时空观教育也应成为物理课程教学及其改革的应有内容。

2.2    物理观念的生成机制

学生头脑中的物理观念显然是在学习中不断生成的。若探讨物理观念的生成机制，就涉及到物理学的哪些要素有助于物理观念的生成、怎样的学习更有利于物理观念的生成这两个问题。

对于第一个问题，物理学其实是一个整体，正如前文论述它是一个系统。但为了讨论得更深入，也只能对其进行适当的分解。在物理学中，有三个层面的要素对学生物理观念的生成很重要。一是物理知识。物理知识的整体性和逻辑性的呈现就是物理学理论，经常被认为是物理文化的主体内容，其构成主要是概念、规律、原理、学说等。物理知识或理论表面上展现的是对真实物理世界的客观认识成果，但在客观认识的深处又蕴含着科学家共同的物理观念，比方说经典物理學背后蕴含着“决定论”的物理观念、热力学第二定律蕴含着宇宙最终将走向“热寂”的发展观。二是物理方法。物理学研究的主要研究范式，包括科学观察、实验探究和推理计算［4］，在物理方法背后隐含着对物理世界、物理理论和人类认识等诸多方面的物理观念。科学观察方法，更多地强调世界的客观性、稳定性、统一性；实验探究方法，关注物理现象的可研究、可重复、可验证性；推理计算方法，则更重视物理规律的因果性、逻辑性、严密性。物理方法的运用不仅是在研究客观世界，同时也是在塑造物理研究者和学习者的大脑，随着方法的不断运用，研究者和学习者也渐渐接受了方法蕴含的物理观念。三是物理学史。物理学史是另一种物理学——历史逻辑书写的物理学。物理学史的教育价值容易被低估，人们经常认为物理学史就是一些事件、史料的堆积，其实不然，物理学史尤其是物理学思想史中蕴含着强大的科学思想、物理观念、科学精神培育的资源。

对于第二个问题，物理学中的观念生成要素和资源通过什么样的教学活动才能有效转换为学生的物理观念呢？整体而言，学生头脑中物理观念的生成有传递、自悟和启发三个途径。一是传递。在传递途径中，教师将物理课程中的观念进行挖掘、整理、加工，像陈述性知识那样教给学生，学生进行记忆、理解和运用。这种培养途径的优点是速度快，缺点是效果不好，记忆获得的观念内化的程度比较低，往往还是以静态知识形态存在，不容易转化为学生的观念。同时，传递途径对教师的物理观念和物理观念教学能力也是一个挑战。二是自悟。在自悟途径中，教师不再进行显性化的物理观念教学，学生物理观念的获得主要依靠自己对知识理论的理解、对思想观念的感受、对科学方法的运用、对学史过程的体悟，进而生成物理观念。虽然学生学习速度慢，效果受制于学生的知识基础和学习能力，但学生形成的物理观念往往更牢固、更明确、更扎实。三是启发。启发是对前两种途径的平衡和折中，尽量吸收两者的优点又避免两者的不足。在启发途径中，教师主要通过问题设计、课堂理答、活动安排、作业布置等教学环节，将观念的教育科学、适度地隐藏其中，做到“不愤不启，不悱不发”，让学生在启发下自己生成物理观念。启发途径具有效果好、效率高的优势，但是对教师的挑战更大。

3    物理观念的教学策略

物理观念与物理知识的关系最为密切，但物理知识不等于物理观念。物理观念是物理知识的高阶表现，物理知识是物理观念的低阶形式。如何促进学生头脑中的物理知识向物理观念转化，这是一个复杂的问题。为此，我们从不同视角提出四个教学策略。

3.1    加强物理学的内在联系，在知识联系中生成观念

正如前文分析，物理观念的生成要基于物理知识，但又不同于物理知识，是在对物理知识进行整体理解、思考和掌握的基础上形成的具有一定抽象性、深层次、概括化的个人认识。要使知识顺利地转化为观念，建立知识之间的内在联系，让学生发现不同知识内在的相似性、共通性和一致性就变得至关重要。例如，中小学生在科学和物理学习的不同阶段中，会学习到质量守恒、能量守恒、电荷守恒等不同的守恒定律。当学生学习每一个具体守恒定律的时候，这些守恒定律与具体的情境、条件、问题相联系，但当我们在这些守恒定律之间建立联系、进行比较、寻找共性之后，学生就容易发现原来物理世界背后存在着某些物理量守恒的特点。达到这步，学生就基本获得了守恒观念，但是守恒观念的获得过程还没有结束。我们还可以给学生介绍物理学历史上建构的一些失败的守恒定律，比如“活力守恒”“宇称守恒”等，让学生能够认识到，守恒定律的发现是一个曲折的历史过程，一些被认为科学、正确的守恒定律，后来又被推翻了。这会让学生对守恒的辩证性、发展性有更深刻的认识。综合各种与守恒相关的知识与史实，学生会进一步认识到，守恒的认识具有一定的结构性、条件性和发展性，这就生成了比较全面、辩证的守恒观念。

3.2    关注物理学的发现历程，在知识发展中生成观念

物理学史中蕴藏着培养学生物理观念的重要宝藏。物理学史不是单纯的物理事件、史实的罗列，而是依据历史逻辑对物理学的梳理、概括、提炼和组织，是物理学的另一种形态。物理学史，兼顾物理研究的活动与背景、过程与结果、数理逻辑与历史逻辑、科学知识与人文精神，会为学生打开一个不一样的物理世界和学习空间，对于提升学生的物理观念大有裨益。比如，学生在学习物质的组成和结构时，有必要鼓励引导学生学习相关的物理学发展史，让学生们认识到人类对物质的组成和结构的研究与认识过程，是经历了研究身边物体、探寻基本元素、发现微观粒子、建构原子模型、关注“无形”物质、再走向更微观的世界……这样一个研究与发现的历程。那么，我们就可以启发学生思考和提出各种各样的问题。比如，物质一定是可见的吗？物质无限可分吗？物质构成要素之间是如何联系的？物质之间可以转化吗？物质能够消失吗？随着学生不断地学习和思考，在其头脑中就会学习到关于物质的各种知识，还会生成个人确定、坚信的想法，这就生成了物质观念。在这个过程中，可以引导学生们不断获得和发展物质的形态观、结构观、守恒观、转化观和作用观等。

3.3    重视物理学的实践体验，在知识运用中生成观念

物理学的知识既有陈述性知识、程序性知识，还有策略性知识、观念性知识，越是高阶知识的学习和内化，越需要手脑活动的协同进行。在手脑活动的展开过程中，知识不仅能够得到内化，而且能够与学生原有认知结构发生广泛、深入、多样的联系，进而促进知识结构的拓展与优化，同时也就有了知识向观念转化和进阶的机会。例如，在“微小形变放大器”的教学中，常见的微小形变放大器的类型之一就是找一个玻璃瓶装满红色液体，瓶子的盖上穿一根细管，这样瓶子体积的微小变化就会在细管内液注的升降中得到明显体现。教学中，教师们一般会用这个装置来帮助学生了解坚硬的物体也能发生形变，且可以通过放大法将微小的形变显著化。但是，仅仅这样做还是有一些浪费了微小形变放大教学的实验资源和教学时间，这样一个小型演示实验教学完全有可能带领学生展开更深入的思考。比如，引导学生思考几个问题：挤压水瓶小液面就一定上升吗？小液面上升与温度有关吗？用手捂着水瓶，小液面一定上升吗？对于第一个问题，液面不一定上升，液面升降取决于瓶子的形状和挤压的位置；对于第二个问题，液面升降会跟室温有关；对于第三个问题，用手捂着水瓶，小液面是否上升要看瓶子和手的温度差，如果瓶子和瓶内液体的温度明显低于人手的温度，用手捂着甚至会出现液面先下降后上升的有趣现象。有了这些手脑并用的物理问题解决和实践过程，学生对物理知识、方法、实验、实践的体验就会很不一样。这不仅能激活知识解决问题，还能锻炼发展学生思维，促进学生实践观念、实证观念、系统观念等物理观念的形成和发展。

3.4    加强物理学的价值审视，在知识反思中生成观念

物理学既具有价值中立性、工具性，也具有价值性。学习物理学不仅要学习、内化、运用物理学和物理技术知识，还要学习为谁运用、如何运用、为什么运用的物理学知识。这需要从一个更大的视野来审视、选择和设计物理课程与教学内容。挖掘物理知识的价值负载，有利于学生科学价值观念的形成。生活中有一个问题——激光能打爆气球吗，这个有趣的实验后来被搬上了电视节目，有的教师还在课堂上做了这个实验。这个实验教学更多强调的是激光能量强、准直性好、照射点集中等知识点和安全教育。其实，这个演示实验或者视频的教育内容还可以进一步拓展，比如激光武器、激光手术、激光测距、激光显示、激光焊接、激光致盲等方面的知识。对于这些知识的学习和思考，可以让学生认识到激光知识虽然是价值无涉的，但是在技术应用中就可能具有了价值性。进而，教师可以引导学生对更多的物理知识进行价值反思性的思考，促进学生系统观念、辩证观念的生成与发展。

参考文献：

［1］賈丽艳.论人的观念现代化［J］.社会科学辑刊，2005（2）：178-180.

［2］辛涛，林崇德.教师心理研究的回顾与前瞻［J］.心理发展与教育，1996（4）：45-51.

［3］易凌云，庞丽娟.教师教育观念：内涵、结构与特征的思考［J］.教师教育研究，2004，16（3）：6-11.

［4］中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：4.

［5］高瑞泉.观念的力量及其实现［J］.华东师范大学学报（哲学社会科学版），2019，51（6）：1-13，173.

（栏目编辑    廖伯琴）