物理概念与规律的教学要求：反思与重构

发布时间：2022-10-05 10:03 热度：

　　邢红军1a，张抗抗1b，胡扬洋1c，石尧2

　　(1.首都师范大学a.教师教育学院;b.物理系;c.教育学院;北京100048;2.中国人民大学附属中学分校，北京10086)

　　摘要：物理概念与规律教学既是中学物理教学的核心议题，也是中学物理教学的重要内容。通过对各种版本经典物理教学法教材表述的回顾与梳理发现，我国中学物理概念与规律的教学要求始终未能达成共识，且一直滞留于经验层面，从而影响了中学物理教学的发展。为此，基于科学方法中心的“物理学知能结构”，重构了中学物理概念与规律的教学要求，这为中学物理教学落实核心素养提供了有益启示。

　　关键词：科学方法;物理概念;物理规律;教学要求

　　中图分类号：G633.7文献标志码：A文章编号：1000-0186(2018)02-0091-06

　　一、物理概念与规律教学要求的回顾与反思

　　物理概念与规律的教学既是我国物理教学理论与教学实践的基本问题，又是我国中学物理教学的重要内容。应当说，我国物理教育界对物理概念与规律教学的讨论与研究始终在进行，并涌现出了一系列重要的教育教学成果及经典论著，这对我国中学物理教学的发展及基础教育水平的提高起到了重要的促进作用。然而，在丰硕成果的背后，我们发现，我国中学物理概念与规律教学中仍然存在着一些长期未被关注的问题，需要通过研究加以解决。这对于在中学物理教学中落实立德树人的根本任务，发展学生的核心素养具有重要的意义。

　　基于此，我们梳理了我国师范大学广泛使用的经典物理教学法教科书中有关“物理概念与规律的教学要求及教学环节”的内容，希望为中学物理概念与规律教学问题的解决寻找思路。采用这种研究方式是因为物理教材比较准确地反映了同时期物理教育的研究水平和发展状况。因此，对经典物理教学法教科书进行研究，就聚焦了物理概念与规律教学要求的研究取向与研究结论，同时具有一定的时代性与代表性。按照这种研究思路，我们分别研究了许国梁先生主编的物理教学法教材与阎金铎先生主编的物理教学法教材。

　　许国梁先生主编的教材关于物理概念与规律教学要求的论述见表1。

　　认真研读可以发现，该版本未对物理概念与规律教学进行区分，而是将其视为一体。从数量上看，该版本提出了五个教学要求和四个教学环节。其教学要求的第一条指出：为什么要引入某个物理概念和研究物理规律，第二条又专门指出研究方法，第三条和第四条虽然分开论述，但其实都是在探讨物理概念和规律的本质，最后是概念与规律的应用;该版本的四步教学环节首先是教学情境的创设，其次是强调方法，但是这里的方法范围较窄，并不直接指科学方法。第三步主要强调物理概念与规律的本质，但最后一步“形成概念要注意阶段性”，显然不是指物理概念及规律的应用，而且其实质也不属于教学环节。

　　表2所示是阎金铎先生主编的教材关于物理概念与规律教学要求的论述。

　　仔细梳理不难发现，该版本分别对物理概念和物理规律进行了讨论。从数量上看，该版本提出物理概念教学遵循五个要求，对应三个环节;物理规律教学遵循五个要求，对应四个环节。

　　在教学要求部分，该版本的第一条为“明确建立概念的事实依据和研究方法”，也即认为物理概念教学要求的第一条是“事实依据和方法”。而在相应的教学环节中，第一步却是创设学习情境，第二步是引导学生运用科学思维方法建立物理概念。由于“事实依据”和“方法”是两个范畴，该版本的第一条教学要求其实是将事实依据与方法等同了。

　　进一步分析发现，该版本的教学要求第二、三、四条虽然分开论述，但实际都是在探讨物理概念的本质。也就是说，该版本中物理概念教学的要求其实包含四条，即明确建立概念的事实依据，明确建立概念的科学方法，探讨概念的本质(包括概念的内涵外延及与其他概念的联系)，最后是概念的运用。物理规律的教学要求和环节与物理概念的教学要求与环节基本相同。

　　透过对上述经典教材的回顾与梳理可以发现，许国梁与阎金铎先生主编的两部中学物理教材作为我国师范大学公认的经典且广泛使用的教材，在物理概念与规律教学这一议题上的论述并不统一。这种不统一表现为以下两点：1.教学要求没有达到统一，不仅体现为教学要求的数量不一致，而且教学要求的内容也有差异;2.教学环节没有达成一致，教学环节的数量不尽相同，教学环节的内涵表述各异。

　　要回答造成这一现象的原因，自然绕不开对我国中学物理教学法特征的认识。老一辈物理教育研究者乔际平先生认为：中学物理教学法建立在经验总结的基础上。[3]虽然经验层面的研究在一定意义上促进了物理教育教学的发展，但也在一定程度上制约了物理教育教学的进一步提升，并最终影响了中学物理教学的发展。因此，我国物理教学法经典教材分别提出内涵不同的物理概念和规律教学要求及教学环节，不能认为是一种合理的状态。换言之，中学物理概念与规律教学要求及环节的确立亟待超越经验，形成规范的理论。鉴于此，有必要对我国物理概念与规律教学进行回顾与反思，对物理概念与规律的教学要求进行重构，形成中学物理概念与规律教学的规范。

　　二、物理概念与规律教学要求的规范与重构

　　实施物理概念与规律教学要求规范与重构的一个重要思路，就是要超越经验思维，进行理论思维，最终形成中学物理概念与规律教学要求的理论。

　　(一)物理概念与规律教学要求的理论建构

　　物理学三维结构图能够为物理概念与规律的教学提供具有指导意义的理论基础。追溯该三维结构图的演变历程，发现其来源于美国霍尔顿提出的物理学三维结构模型和苏联费多琴柯提出的经典力学学科结构平面图。霍尔顿是美国哈佛物理教材改革计划的主要执笔人，他认为，物理学的任何一部分基本内容(包括物理量、定律、理论)的结构及其发展都可以分解为三种因素或三个坐标：X———实验(事实)、Y———物理思想(逻辑、方法论)、Z———数学(表述形式或计量公式)[4]，这可谓抓住了物理学知识结构的核心。因此，这一普适的物理学结构模型也为物理学各分支学科、各章节单元课题的结构及其教学规律指明了方向。苏联费多琴柯的学科结构图(如下图1所示)实际上是把三维结构投影到平面上，形成了上(实验)、中(核心理论)、左(科学方法论)、右(数学)、下(运用与延伸)五个区域，从而全面反映了物理学的特点及其相互关系，特别是反映了知识和方法的关系，是一种典型的物理学知能结构图。[5]

　　毋庸置疑，物理学知能结构图的提出为物理

　　图1以物理知识为中心的物理学知能结构图

　　概念与规律教学要求的建立提供了启示。然而，认真分析之后，我们发现这一结构还存在问题。因为实验事实与物理概念规律之间并不存在直接关联，实验事实必须借助科学方法才能进一步形成物理概念与规律。因此，由实验事实直接抵达物理概念、定理、理论，在教学逻辑上是存在问题的。同样，物理概念与规律的应用也不能直接完成，也需要借助科学方法的介入才能延伸与应用。

　　为解决上述问题，我们建构了以科学方法为中心的物理学知能结构图(如图2所示)。[6]

　　图2以科学方法为中心的物理学知能结构图

　　与传统结构图不同的是，以科学方法为中心的物理学知能结构图虽然也由实验事实、物理概念规律、科学方法、数学以及延伸和应用五部分组成，但科学方法居于整个结构图的中心地位，分别与其他四个部分发生联系，起着核心和纽带的作用。而且，它将物理概念与规律教学分为知识获得和知识应用两个过程。物理知识获得过程包括从实验事实出发，借助科学方法形成物理知识。物理知识应用过程包括从物理概念、规律出发，借助科学方法进行延伸与应用。如此，以科学方法为中心的物理学知能结构图就为物理概念与规律教学要求的规范和重构提供了坚实的基础。

　　(二)物理概念与规律教学要求的重构

　　以“科学方法中心物理学知能结构图”为基础，遵循物理教学的逻辑，我们重构了物理概念与规律的教学要求。

　　1.创设物理概念规律建立的情境

　　“现象是物理学的根源”。[7]因此，在物理概念与规律的教学中，应以实验事实作为出发点，把创设情境作为物理概念与规律教学的第一步，为学生提供感性认识的材料，这与物理学的根本特点是一致的。但以往的研究对实验事实和科学方法并不进行区分，而是将两者一同作为物理概念与规律的教学要求，这种方式极易混淆物理概念与规律教学的起点，不利于教学逻辑的顺利展开。

　　2.运用科学方法建立物理概念与规律

　　物理概念与规律作为物理知识，其获得必然要借助科学方法。因此，在创设物理情境之后，就需要沿寻物理概念与规律获得的逻辑路径，运用科学方法建立物理概念及规律。

　　为了恰当运用科学方法建立物理概念与规律，需要将科学方法的运用过程加以展开，按照科学方法的内在逻辑呈现物理概念与规律建立的过程。比如，建立密度概念时，比值定义法呈现过程就应当包括以下四个步骤：①选取比较的对象(质量m);②选取比较的标准(体积v);③研究比较的意义(m/v);④得到比较的结论(ρ=m/v)。正是通过科学方法的展开过程，才能使物理概念与规律以一种符合物理教学逻辑的方式水落石出。[8]

　　需要指出的是，数学也是科学方法的一种。

　　物理概念与规律的建立往往需要上升到定量的层次，这时就要用到数学方法。通过明确并梳理科学方法的分类，有利于物理概念与规律教学过程的顺利展开。

　　3.理解物理概念与规律的本质物理概念与规律的教学不能仅满足于得出定义或表达式，还应注意物理概念与规律本质的阐释，包括内涵、外延、使用条件及其背后蕴含的物理思想和物理观念等，如此才能使学生真正理解物理概念与规律的本质。

　　以能量概念为例，我国中学物理课本长期囿于“能量是一个表明物体做功本领物理量”的定义。对此，美国学者莱尔曼进行了尖锐的批判，他认为能量的定义应该同时以热力学第一定律和热力学第二定律为依据，把热也作为一种形式考虑在内。他指出：一定量的功可以产生一定量的热，一定量的热却不能在不受外界影响的情况下完全转化为功;能量在转化中总保持守恒，而做功的本领却不是守恒的，它在转化的过程中要不断地损失掉。[9]因此，完整的能量定义应当是：能量是表明物体做功本领和产生热本领的物理量。由此可见，要使学生真正理解能量的定义，除了定义的精准外，还应使学生理解能量定义背后蕴含的“守恒”与“转化”思想。因为能量依据守恒才能被定义，同时功与热可以定量地相互转化。

　　显然，依据科学方法中心的物理学知能结构图，可以确定物理概念与规律的获得过程。在这一过程中，实验事实经由科学方法加工得到物理概念与规律。换言之，在物理概念与规律的获得过程中，起点是情境，过程是方法，终点是知识。

　　4.借助科学方法应用物理概念与规律

　　物理教育心理学的研究表明，物理概念与规律教学唯有通过应用，才能使学生理解得更为深刻，掌握得更为牢固。由于物理概念与规律的应用同样需要经由科学方法才能实现，所以，为了使物理概念与规律能够顺利应用，就必须借助科学方法。研究显示，获得物理概念与规律的科学方法和应用物理概念与规律的科学方法并非同一类群，二者在内容上只有少部分交叉。所以，在应用过程中就需要注意对科学方法的甄别与选取。以牛顿第二定律教学为例，获得牛顿第二定律需要使用控制变量法、实验法、图像法和比例系数法等;而应用牛顿第二定律，则主要使用隔离法和整体法。

　　借助科学方法应用物理概念与规律具有重要意义。这是因为，这一教学要求实际上是通过对科学方法在不同教学过程中运用的分类，厘清物理概念与规律教学中的两个重要路径，使教学的脉络更加清晰。进一步说，通过显化物理概念与规律应用过程中的科学方法，凸显科学方法的枢纽地位，从而完善物理概念与规律教学要求的内涵。

　　5.运用物理概念与规律解释物理现象

　　“延伸与应用”是物理概念与规律教学的最后环节。需要明确的是，这一环节绝不是物理概念和规律的简单应用，不能理解为解答物理习题。只有通过解决实际物理问题，学生才能真正理解物理概念与规律。因此，在教学的这一阶段，可以通过引入原始物理问题进行教学。所谓原始物理问题，是对物理现象的描述，不仅新颖而且与社会生活紧密相联。以隧道广告为例：当地铁在漆黑的隧道中稳定运行时，乘客通常会看到窗外动态的广告。如果地铁运行速度稍快或者稍慢，乘客就会看到广告向后或者向前缓慢移动，请解释这一现象。

　　通过解决这样的问题，物理概念与规律的延伸与应用就摆脱了习题训练的模式化倾向，为学生提供了掌握物理概念与规律的机会。不难发现，在物理概念与规律的应用过程中，起点是知识，过程是方法，终点是应用。

　　因此，正是依据以科学方法为中心的物理学知能结构图，我们给出了物理概念与规律的教学要求，从而厘清了物理概念与规律教学中长期遗留的问题，这对中学物理教学具有重要的启示意义。

　　三、研究反思与启示

　　(一)重视物理概念与规律教学的理论研究

　　长期以来，我国物理概念与规律的教学始终未能突破经验总结，深层原因在于研究一直缺乏真实的理论基础。因此，物理概念与规律的教学要求欲改变踟蹰不前的局面，就需要寻找坚实的理论基础。

　　哥德尔定理表明：一种足够丰富和前后一贯的理论，是不能由它本身，或者比它本身更不完善或更“弱”的手段来证明自身的无矛盾性的;一个理论体系如果仅仅以自身的手段为工具去证明自己，就必定会导出一些不能决定其真伪的命题来。任何一个理论体系就其自身来说总是不完备的。一个理论体系要证明自身的无矛盾性就必须借助另一个比它更完善或者更“强”的理论。[10]在这个意义上，以科学方法为中心的物理学知能结构堪担大任。它在抓住物理教学要素的同时，兼具科学、合理、流畅的教学逻辑，从而展现了物理概念与规律教学的应有之意，使物理概念与规律的教学得以超越经验而上升到理论层面，它有效解决了物理概念与规律教学要求中长期“潴留”的问题，从而为物理概念与规律教学要求的重构提供了理论指引。

　　在物理教育中，把获得知识本身作为目的，还是把获得知识作为工具和手段以掌握科学方法作为目的，这是两种完全不同的教育思想。[11]因此，物理教学不应当只是简单地揭示物理知识的内涵，更为重要是要找寻研究物理知识的方法。显然，重构的物理概念与规律教学要求就较好地体现了以科学方法为中心的物理教育思想。在这种物理概念与规律教学要求中，把方法作为教学要求的核心，物理知识的得出与应用都要借助科学方法。换句话说，科学方法是“源”，而物理知识是“流”。这就从根本上扭转了传统的以知识为中心的物理概念与规律教学要求，从而为物理概念与规律教学要求的研究谱写了新的篇章。

　　(二)把握物理概念与规律教学的逻辑

　　追寻物理概念与规律教学要求的逻辑内涵，必须回答如下问题：教学要求的理论依据是什么，逻辑顺序是什么，究竟包含哪几项，有没有遗漏，是否存在重复。显然，只有正确回答这些问题，才能重构物理概念与规律教学的要求，进而突破传统物理概念与规律关于教学要求的认识。

　　物理教学要求应当讲求逻辑，这不仅是因为物理学逻辑诠释与彰显的需要，还是因为物理教学所独有的教育性与简约性要求。正因为如此，研究物理概念与规律的教学要求，仅从经验层面无法发现逻辑缺失。只有通过对科学方法为中心的物理学知能结构的深入研究，才能发现物理概念与规律建立和应用的逻辑道路。由此观之，基于科学方法中心的物理学知能结构重构的物理概念与规律教学要求，完满地解决了长期悬而未决的问题。它明确指出，物理概念与规律的教学要求包括五个部分，依次是：创设建立物理概念与规律的情境—运用科学方法得到物理概念与规律—诠释物理概念与规律的本质—借助科学方法应用物理概念与规律—运用物理概念与规律解释物理现象。概而言之，通过达成物理概念与规律教学要求的逻辑自洽与内涵合理，从而为物理概念与规律教学提供实践导引。

　　(三)反思物理概念与规律教学的传统

　　我国物理教学具有诸多优秀的传统，这些传统需要在研究中不断继承与发展，才能使物理教学更加完善。然而，回溯传统并不是拘泥抑或片面膜拜，而是在尊重传统的基础上，不断发现我国物理教学传统中存在的问题，进而找到破解与发展之道。

　　回顾几十年来物理教学的发展历程，不难发现，物理教学研究一直伴随着基础教育课程改革前行。当前，我们需要思考的是，是否需要适当放缓匆匆的脚步，回首审视以往研究的成败得失，看看还有哪些已有研究尚存不足，是否需要以新的视角进行审视。这样，物理概念与规律教学要求研究的意义就不应当理解为仅仅是对物理教学传统的反思与修正，而应当把这一研究的意义上升到落实核心素养的高度。因为核心素养是知识、技能、能力在相关工作领域与个体特质相互作用的结果。[12]所以，再次研究物理概念与规律教学的要求，既是对物理教学传统反思的一个典型范例，又是落实核心素养的有益尝试。

　　事实上，在物理课程改革中，无论是“双基教学”“三维目标”，还是“核心素养”，归根结底，都要以概念与规律的教学为基石并在此基础上落实课程目标。如果不能从本质上厘清物理概念与规律教学的基本要求，那么，再先进的教育理念运用到教学实践中，也难逃昙花一现的命运。正如古语所言：皮之不存，毛将焉附?在这个意义上，重构物理概念与规律教学要求的研究，无疑是对我国物理教学传统最好的继承与发展。

　　参考文献：

　　[1]许国梁，束炳如.中学物理教学法[M].北京：高等教育出版社，1999：119-126.

　　[2]阎金铎，郭玉英.中学物理教学概论[M].北京：高等教育出版社，2016：148-187.

　　[3]乔际平，等.物理学科教育学[M].北京：首都师范大学出版社，1999：3.

　　[4]G.Holton.物理科学的概念和理论导论：上册[M].张大卫，戴念祖，等，译.北京：人民教育出版社，1983：323-325.

　　[5]阎金铎，田世昆.中学物理教学概论[M].北京：高等教育出版社，1991：38-42.

　　[6]邢红军，陈清梅.从知识中心到方法中心：科学教育理论的重要转变[J].首都师范大学学报(自然科学版)，2011，32(6)：20-26.

　　[7]杨振宁.杨振宁文集[M].上海：华东师范大学出版社，1998：508.

　　[8]邢红军，胡扬洋.密度概念教学的高端备课[J].教学月刊(中学版)，2013(8)：53-56.

　　[9]莱尔曼.能量并非是做功的本领[J].雷树人，译.物理教学，1980(2)：44-47.

　　[10]雷永生，等.皮亚杰发生认识论述评[M].北京：人民出版社，1987：9.

　　[11]袁振国.反思科学教育[J].中小学管理，1999(12)：2-4.

　　[12]辛涛，姜宇，林崇德，等.论学生发展核心素养的内涵特征及框架定位[J].中国教育学刊，2016(6)：3-7.