物理观念“辩”与“立”

马亚鹏

(银川市第九中学，宁夏 银川 750011)

《普通高中物理课程标准(2017年版)》(下称“课标”)凝练了物理学科核心素养,着力体现物理学科的育人价值．然而,物理学科核心素养中的物理观念,一线教师反映“不好把握”．[1]有研究直言,这恰恰说明“‘物理观念’的提法在理论上存在着很大的问题”．[2]究竟应该怎样准确理解物理观念?对这一问题的回答将对物理课程实施产生重要影响．有鉴于此,本文在分析课标文本的基础上,从科学哲学、国际科学教育研究和我国物理教学研究传统等多维视角,系统反思并辨识之．

1 课标中物理观念的涵义

物理观念是课程政策文本中采用的术语,回归课标本身理应作为分析与讨论的基点．课标在多个地方出现了物理观念这一术语,对其涵义解释的主要有4处:[3](1) 在物理学科核心素养的释义中,指出“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、能量等的基本认识;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”．(2) 在学业质量水平中,与物理观念相关的5级学业质量水平,概括起来,均强调“物理概念与物理规律及其相互关系和应用”．(3) 在教学建议中,指出“物理观念的形成和发展需要学生通过物理概念、物理规律等内容的学习及运用才能逐步形成”．(4) 在教材编写建议中,指出“注重选择与物质、运动与相互作用、能量等相关的核心内容,帮助学生从物理学视角认识自然,理解自然,形成物理观念”．

仔细研读上述文本可以发现,课标并未严格区分物理知识和物理观念,甚至可以说,课标中的物理观念就具体内容而言实际上指的就是物理知识,即物理概念、规律及其联系与应用．另外,从课标中物理观念的具体内容还可以看出,物理观念又与国际科学教育改革中的“大概念”(big ideas)、“核心概念”(core concepts)相对等．正是在此意义上,我国学者在国际期刊发表的介绍我国科学教育改革的文章中将物理观念翻译为“big ideas of physics”．[4]

上述发现从课标修订组编写的《课标解读》中得到了印证．将物理观念作为物理核心素养的依据归纳起来有如下3点:“(1) 科学、技术与应用是学生发展非常重要的核心素养,主要包括科学技术的原理、方法与应用．(2) 世界各国的课程标准都将核心概念或者大概念等作为重要的科学素养;(3) 科学教育研究一直重视概念学习”．[5]至于为何使用物理观念这个术语,主要考虑到如下两点: (1) “应试教育背景下,我国特别重视知识和原理的教学,很多学校强调死记硬背的知识和原理的学习,而素养强调知识和原理的深度理解与灵活应用”; (2) “在中国文化中,概念是指一类事物的共同属性和本质特征,是抽象的,与国际上关于概念的内涵并不一致”．[5]

由此可见,课标中的物理观念实际上指的就是物理知识,其与国际科学教育中的大概念或核心概念相对等．为了避免“学校教学死记硬背知识的学习”以及考虑到“核心概念的提法与我国文化传统不符”的情况,用物理观念代替物理知识或核心概念,其用心不可谓不良苦．然而,物理观念的提法却造成了教学实践中的“不好把握”,这恐怕是始料未及的．而用物理观念替代物理知识作为物理学科核心素养的组成部分,恰恰忽视了物理知识、物理概念和物理观念之间的差异性,导致教师在理解的过程中出现偏差,这是“不好把握”的根源所在．弗兰西斯·培根(Francis Bacon)早就注意到了语词的误用引起谬见的现象,并称之为“市场的假象”,意指“人们相互之间的思想交流过程就如同市场上的物质交换活动一样,如果使用的概念不当,就会造成理解力方面的障碍”．[6]课标中物理观念的使用可作如是观．

2 准确理解物理观念

2.1 知识、概念和观念辨析

逻辑学对概念下定义的常用的方法是“属+种差法”,因此,对构成物理知识、物理概念和物理观念的上位概念知识、概念和观念的分析有助于增进我们的理解．有研究从辞书的释义辨析知识和观念、[7]概念和观念,[8]进而将3者区分开来,这是有价值的．但是,也要意识到,术语的涵义更是离不开使用它的情境,概念的涵义是在语境(context)中生成的,“概念必须(和只能)在概念的特定框架中获得意义”．[9]从知识、概念和观念使用的境脉中可以窥测到3者的差异．

(1) 对知识的理解应植根于知识论传统．自柏拉图(Plato)区分“意见”与“知识”起,知识论一再闪耀着理性的光芒．古典哲学的集大成者康德重申了这一区别,他的经典名著《纯粹理性批判》就是在讨论知识何以可能的问题．即使20世纪有地方性知识、默会知识等研究的兴起,但人们一提到知识,主要还是指“人类理性认识的结果,是人们对于事物本质的反映和表述”．[10]对事物本质的认识必然会构成一个系统,在这一系统中,人们才能知其然并知其所以然,因此,“只有系统的知识、纳入了理论的知识、科学知识,才配得上真知或知识这一称号”．[11]由此可见,知识具有超验性、确定性、系统性和概念性等特征．

(2) 概念是一个逻辑学术语,有严格的规定性．逻辑学中概念的涵义有两层:[12]从语言的角度,概念是词项(一部分语词)所具有的意义,即词项的“内涵”,是人们在思维中所共同理解的东西．从认知的角度,概念是事物的特有属性或区别性特征在思维中的反映,不同的概念指称或代表不同的事物．可见,概念反映一类事物的共同本质特征,有明确的内涵和外延．因此,概念具有概括性、严谨性等特征．科学概念往往还具有精确性,如可测量的物理量．

(3) 观念则应归属于思想史范畴．观念主要指某种思想的反映或提炼,类似于康德哲学中的信念,也可以理解为某种理念,是“介于主观的意见和客观的知识之间的”．[13]观念更是这样的一些关键词,“它已经不是思想家处理的‘概念’,而是变成社会上流行的东西,被许多人支持或反对的东西”．[14]观念可在个体层面和社会层面体现出来．个体层面上,观念可以是人人都有的东西,如个人的“人生观”．社会层面上,则往往表现为社会思潮,这种观念性的思潮则能够变成某种社会革命的先导,如五四新文化运动中的“德先生”与“赛先生”就是作为重要的观念引入的．由此可见,观念具有个体性、模糊性和思想性等特征．

2.2 准确理解物理观念

以上对知识、概念和观念的辨析可知,概念是确定性知识的有机组成部分,作为思想史范畴的观念则往往是远离具体知识的．因此,物理观念是人们对物质世界进行观察、实验和研究的过程中形成的基本认识,是物理思想的浓缩与提炼,具有总体性和概括性;物理观念还表现为哲学思维对物理学及其发展过程的反思中形成的基本观点,是思潮形态的科学观在物理学中的体现,具有主观性和个体性．同时,物理观念的演进是一个历史过程,具有局限性和发展性．要准确理解物理观念,需要注意以下几点.

(1) 物理观念不同于物理知识.

物理学的知识体系是由为数不多的物理概念、规律和方法建构起来的．科学家在建立物理概念、发现物理规律、形成物理理论体系的过程中,会更进一步去尝试从根本上解释物质、运动、能量等关乎物理理论合理性的基本问题,基于某种视角概括式地树立某种物理观念．如牛顿在建立经典力学体系的过程中,继承并扬弃了自笛卡尔以来建立的机械自然观,又形成了独特的绝对时空观,以解释牛顿体系的合法性．这里的机械自然观和绝对时空观就是典型的物理观念,它显然不同于牛顿运动三大定律和万有引力定律等理论知识．由此可见,物理观念不同于物理知识．我国物理教学传统中向来重视概念和规律教学,认为“形成概念和掌握规律是发展学生认知能力的重要途径”．[15]而对物理观念与物理知识不加区分的现象则不利于物理教学传统的传承,更不利于学生认知能力的发展．

(2) 物理观念不同于“大概念”.

近年来,国际科学教育界兴起了大概念、核心概念的研究．这里的概念一词固然不同于我国物理教学研究中对概念一词的用法,但这里的大概念绝不能理解为大观念．在大概念教育理论的经典著作《以大概念理念进行科学教育》一书中,详细解释了大概念提出的背景、大概念的特点、遴选大概念的原则及具体内容等．这里的大概念是指“能够对自然界一定范围内的有关现象进行解释和预测”的概念．在理论上,“将概念连接在一起形成较大概念的过程,可以一直延续下去,直到归纳成数目很少的几个顶层概念,甚至于可以用一个概念解释所有的事物”．[16]可见,这里对概念“大”“小”的约定,是从解释力或统摄性的角度而言的．从遴选的大概念如“宇宙中所有物质都是由很小的微粒构成的”“改变一个物体的运动状态需要有净力作用于其上”等实际上依然属于科学理论的范畴．只不过“大概念”的提出是从课程论的角度对科学知识的遴选．从课程设计的角度,是要让学生通过进阶式学习“形成有结构、有组织的科学知识和模型”,[17]体现“少即是多”(Less is More)的理念．

(3) 区分两类不同的物理观念.

从语义理解的角度,物理观念含“物理中的观念”与“关于物理的观念”两层意思,因而,实际上有两类物理观念．通常所说的物质观、时空观、运动观、能量观等都是“物理中的观念”,并不包含“关于物理的观念”,因而其提法有缩小概念外延之嫌．“关于物理的观念”是科学观在物理学中的体现,是伴随着对物理学自身的历史发展和理论体系的反思过程中逐渐形成的．这些观念本质上来说属于科学哲学的范畴,“是人们对科学的本质属性、存在样态、价值取向和发展规律的总体认识和基本信仰”．[18]可见,后一类物理观念牵扯到对物理学科本身的理解,是科学本质教育的重要组成部分,也是学生全面、准确理解科学、提高物理学科核心素养的重要观念来源．值得一提的是,有一些研究混淆这两类不同的物理观念做法则导致了理解上的混乱,还有一些研究提出“科学观念不同于科学观”的说法也是经不住推敲的．

(4) 物理观念的作用.

物理观念引发极大关注除了与课程标准的要求有关外,还与物理观念本身的吸引力有关．因此,还需要正确认识物理观念的作用．物理观念不仅是对物理世界认识的结果,还能为物理学的进步起到先导性的助发现作用．历史上非常有名的科学革命如从地心说到日心说,从绝对时空观到相对论时空观,从连续能量观到量子化的能量观的转变无一例外地表明,“物理学理论的发展历史,最集中、最本质地表现在物理学基本观念和相应世界图景的演变”,“物理学的发展总是以物理观念、物理思想的突破为先导和基底的”．[19]同时,物理学的发展历史也一再表明,根深蒂固的旧观念也会在一定程度上制约物理学的发展,这是物理观念的负效应．正是在对物理观念正、负向作用的批判反思之中,才真正凸显出物理观念的重要教育价值,这也是物理观念研究的旨归所在．

3 启示与讨论

本文主要澄清了课程标准中物理观念的涵义,对物理知识和物理观念教育提供有益的启示．

(1) 应给物理知识应有的位置．课标在采用物理观念这一术语时,实际上也是经历了艰难的选择斟酌过程,如前所述的一个理由是教学实践中存在学生死记硬背知识的现象而没有采用物理知识的提法．死记硬背知识是知识学与教中的错误做法,产生死记硬背知识现象的原因固然是多方面的,但不能因存在这种现象而回避或否定知识本身,这在逻辑上是经不住推敲的．知识、能力和素养之间的关系尽管错综复杂,但是指向核心素养的物理教学依然要植根于学生对物理知识结构的深层次掌握.这一点在认知心理学对“专家—新手”的研究中充分地被证实,专家型学习者拥有更多有组织的结构化知识,并能够在实践情境中灵活提取应用．因此,根本没有必要刻意回避知识,反而要给物理知识应有的重要位置.要遴选有益于学生发展的核心主干知识并以适当的方式纳入课程．同时引导并创新知识教育的方式,帮助学生习得物理知识结构,学会迁移运用,让学生学习物理知识的过程成为发展物理学科核心素养的过程．唯此,物理学科核心素养才能真正落到实处．

(2) 物理观念教育与物理知识教育的方式不同,物理观念教育应回归到物理学的发展历程之中．本文将物理观念限定在物理思想史范畴并区分了“物理中的观念”和“关于物理的观念”这两类物理观念.在这种分析框架之下,物理观念教育的主要途径亦浮出水面．物理观念教育要回归到物理学发展历程中去.这是物理观念教育首要途径．在具体的教学中,要尽可能展现物理学发展中不同观念的相互纠葛和物理观念的演变过程.客观评价不同的科学家所持有的不同观念.同时要尽可能避免“辉格史”的叙事方式,从做出巨大科学发现的科学家所处的具体社会历史

文化展现科学观念变革的艰巨性、复杂性和革命性．这样的教学超越了“就知识讲知识、就历史讲历史”的窠臼,在物理教学中深度融合物理学史、科学哲学和科学社会学,渗透物理观念,体现物理学科本质教育的思想,真正培育学生的科学精神和创新能力．