于士博 于海波 楊振東 侯建華

(1. 東北師范大學教育學部，吉林 長春 130024； 2. 長春力旺實驗中學，吉林 長春 130000；3. 東北師范大學教師教育研究院，吉林 長春 130024)

指向“物理觀念”培養(yǎng)的教育探索已有較長的歷史，但“物理觀念”真正作為我國物理教育研究領域的研究熱點，肇始于近年“物理學科核心素養(yǎng)”的提出.《普通高中物理課程標準(2017年版)》頒布后，以“物理觀念”為主題的學術論文，無論是數(shù)量還是質量都已經(jīng)遠超從前.在這一背景下，既需要“以史為鑒”，全面梳理物理觀念研究成果中的智慧與不足，也需要“以實為本”，準確把握研究前沿與未來走向，從而為后續(xù)物理觀念的理論研究與實踐探索做出前瞻.鑒于此，本文以CNKI源刊文獻為基礎，利用Citespace軟件來客觀、直接、形象地呈現(xiàn)物理觀念研究現(xiàn)狀，并結合定性分析，對研究成果做出系統(tǒng)的梳理.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

在CNKI文獻庫的學位論文、期刊論文中，以“物理觀念”“物理觀念教學”“物理觀念培養(yǎng)”“物理觀念形成”為主題詞進行檢索，時間范圍選定為1980—2022年，刪除重復、無效文獻，共得到2684篇文獻信息，作為本研究的樣本數(shù)據(jù).其中，第一篇文獻刊于1994年.

1.2 研究方法與工具

以Citespace可視化軟件為基本工具，輸入樣本數(shù)據(jù)并處理.處理條件如下：以1年作為時區(qū)，時間范圍為1994—2022年；“術語來源”選擇文獻題目、摘要、作者關鍵詞和附加關鍵詞；節(jié)點類型選擇機構和關鍵詞，利用尋徑法和修剪合并網(wǎng)絡法裁剪關鍵詞共現(xiàn)；采用對數(shù)自然率算法進行聚類，并利用關鍵詞命名，呈現(xiàn)“物理觀念”研究領域的熱點及趨勢.

2 “物理觀念”研究的基本情況

2.1 文獻刊載的時空分析

從歷時演變視角來看，國內(nèi)關于物理觀念的研究歷程大致可分為兩個階段.

1994—2016年階段刊文量97篇，刊文量較少，且團隊間的聯(lián)系較少，多為獨立研究.2017—2022年刊文量突增，為2587篇，此階段的研究比較分散，主要以小規(guī)模研究團隊為主，隨著研究的逐步深入，也在逐步形成較為廣泛的合作群體.但目前看，各院校間的關聯(lián)并不多，進修學校與中學、中學與中學間的關聯(lián)較多.

2.2 關鍵詞共現(xiàn)的聚類分析

通過對關鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡的分析，可以了解文獻涉及的領域與內(nèi)容，一定程度上可以展現(xiàn)一段時間內(nèi)該領域的研究熱點與趨勢.通過Citespace 得出物理觀念研究文獻的高頻關鍵詞(頻次≥30，見表1)并聚類，最終得出21個聚類標簽，分別為物理觀念、核心概念、核心素養(yǎng)、學科素養(yǎng)、曲線運動、物理、高中物理、物理教學、教材、高考物理、物理學科、初中物理、教學、電磁學、深度學習、科學思維、高中、教學策略、學習方式、概念教學、創(chuàng)新.模塊值(Modularity)Q=0.8684(>0.3)，平均輪廓值(Mean silhouette)S=0.9721(>0.5)，可認為該聚類合理.

表1 高頻關鍵詞列表

精細分析歸納文獻內(nèi)容，國際上關于物理觀念實證研究的熱點主要有以下幾個主題(見表2).

表2 物理觀念研究內(nèi)容列表

續(xù)表

3 物理觀念研究的內(nèi)容回顧

3.1 關于物理觀念的內(nèi)涵的研究

《義務教育物理課程標準(2022年版)》指出：“物理觀念是從物理學視角形成的關于物質、運動和相互作用、能量等內(nèi)容的總體認識，是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從物理學視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題的基礎.”并將其具體分為物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念.

除此外，亦有學者從不同側面對物理觀念內(nèi)涵做出探討，主要有以下幾種觀點：一是認為物理觀念是基于物理學科核心概念的學習，從學生發(fā)展核心素養(yǎng)的角度提出來的，是知識與技能目標的提煉、概括和發(fā)展；二是對“觀念”和“科學觀念”內(nèi)涵分析進行比照后認為，我國初中物理課程標準對物理觀念的確定，符合詞源學和哲學的界定，也與“觀念史”的發(fā)展相一致，物理觀念是比物理概念更上位的概念；[1]三是物理觀念總體而言是一種物理的自然觀，是在物理知識基礎上的提煉和升華；四是物理觀念是知識、經(jīng)驗、態(tài)度、思想的一個綜合體，包含知、情、意3方面的內(nèi)容.

據(jù)此，我們可以從微觀、中觀和宏觀3個視角對物理觀念進行詮釋：微觀層面，物理觀念是物理學中最基本的概念性知識和規(guī)律，是對于運動及相互作用，能量及構成物體的物質的認識和理解；中觀層面，物理觀念是物理學科觀點的綜合和概括，理論活動和實踐活動奠定了思想框架和行動準則，接近于國外的“大概念”；宏觀層面看，還可以指向對科學宏觀的、理性的認識，指向科學本質和科學發(fā)展規(guī)律的高度哲理性的認識，對科學的哲學概括.

3.2 關于物理觀念維度的研究

在化學教育領域，有學者指出“化學的物質觀”涉及到“……怎樣想？”“為什么……？”因此是元觀念.[2]同樣，物理觀念也有類似的維度劃分，從認識論的角度來看，觀念按照其涵蓋范圍的大小可以分為元觀念、基本觀念，元觀念如“物質觀”“能量觀”，基本觀念如“一切物體都是由物質構成”“能量可以在物體內(nèi)部或物體之間發(fā)生轉移”等.如表3.

表3 物理觀念維度與類型

根據(jù)描述尺度可以分為宏觀觀念和微觀觀念.如“一切分子在不停地做無規(guī)則運動”就是微觀觀念，“固體熔化需要吸收熱量”就是宏觀觀念.根據(jù)描述方式不同可以分為直接觀念和間接觀念.如“磁極是磁體磁性最強的位置”，磁性的強弱通過吸引大頭針多少間接反映的，“照相機原理所成的是實像”是可以直接觀察到的.根據(jù)概念描述的類型，物理觀念還可以分為陳述性觀念、理論性觀念和結果性觀念.如“動能、重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱為機械能”就是陳述性觀念，陳述的是“什么是什么”的問題；理論型觀念往往包含對事物或現(xiàn)象本質的探討或猜想，如“牛頓第一定律”；結果型觀念是在指明“什么原因導致了什么樣的結果”，如“分子運動越劇烈，物體溫度越高”.按照物理觀念知識范疇的維度，研究者將其劃分為學科內(nèi)觀念、學科外觀念、跨學科觀念3大類.學科內(nèi)觀念是具有物理學科特性的觀念，如“運動和相互作用”就是學科內(nèi)基本觀念；學科外觀念是側重于物理學所包含的文化思想、人文思想，指的是物理的社會觀、物理的價值觀，如“可持續(xù)發(fā)展”就是學科外觀念；跨學科觀念不僅僅指的是物理學科包含的，其他學科也有的觀念，如“能量觀”可稱為跨學科觀念，此觀念物理、化學學科均有體現(xiàn).

3.3 關于物理觀念內(nèi)容的研究

《義務教育物理課程標準(2022年版)》中列舉出的尚未詳細闡釋的3個物理觀念，參照對一級主題的劃分，研究者認為可以這樣理解.(1) 物質觀：物質是質量在空間的分布，不同物質有其自己特有且不變的性質，豐富的物質屬性，共同構成了多樣的物質世界.宇宙是由物質組成的，物質以實物粒子和場兩種形式存在.物質具有質量、能量等基本屬性，也具有彈性、磁性、導電性和導熱性等重要屬性.物質主要有固體、液體、氣體3種存在狀態(tài).(2) 運動和相互作用觀：物質間存在4種基本相互作用.物體的運動狀態(tài)的穩(wěn)恒與改變，由其相互作用而受到的力決定.時空是物質運動的表現(xiàn)形式.(3) 能量觀：能量是普遍存在的，可以作為功的量度，其存在形式不固定，可以以不同形式存在于不同物質中，且相互間可以轉移或者轉化，但轉化過程具有方向性，其總量保持不變.

邢紅軍教授提出時空觀是物理學中一個基本的思想觀念.[3]徐衛(wèi)兵認為在學校教學中，物理基本觀念主要來自于3個方面：一方面來自于學生對物理學科知識的反思概括，另一方面來自于學生對物理探究過程、學習方法的反思，再一方面來自于學生對物理科學在社會生活中價值的認識和反思，主要形成物理情意類的基本觀念.[4]

王俊認為，學生在主動學習、深刻理解和應用物理概念和規(guī)律的過程中，教師應適度滲透、逐漸形成概括性認識，如自然觀、物質觀、時空觀、運動觀、相互作用觀、能量觀、守恒觀、物理價值觀等.[5]于海波提出，實際上物理觀念不只包括物質、運動與相互作用、能量這些內(nèi)容，對物理觀念的理解應該要有更宏大的視野：例如量子觀、時空觀、因果觀等.[6]

從物理觀念內(nèi)容研究演繹過程來看，內(nèi)容維度選擇兼具了時間維度和空間維度，并存在生活化、時代化的趨勢.具體來看，研究內(nèi)容已經(jīng)逐漸超越了對基本觀念的討論，由從表面的、可視化的觀念指標，發(fā)展為內(nèi)在的、不易直接觀測的觀念探究，尤其是對教材內(nèi)容復雜的整合觀念、潛隱的思維素養(yǎng)的精細討論.但是教師在準備教學和實施教學的過程中，如何深入挖掘教材中的內(nèi)容、積極與生活實際建立聯(lián)系進行觀念的價值延伸才能構建物理觀念的基本骨架、支撐觀念為本的育人取向、并實現(xiàn)核心素養(yǎng)所指向的育人目標，仍值得研究.

3.4 物理觀念建構路徑研究

物理觀念的建構路徑，至今沒有相對詳細的、穩(wěn)定的描述，但對于建構的宏觀設想和設計思路已有了一定的討論.在《義務教育物理課程標準(2022年版)》中提出：教師應該領會物理學科邏輯……防止教學碎片化、孤立化，努力讓學生的學習結構化、系統(tǒng)化.綜合各組織和地區(qū)的經(jīng)驗，其遴選和建構物理觀念體系的研究思路主要有3種：(1) 自下而上式，結合大單元教學理念，以核心概念為目標，思考核心概念與原有概念、核心概念與具體概念之間的聯(lián)系，將核心概念細化為一系列的具體概念.根據(jù)形成核心概念的需要精選合適的教學素材，再將知識概括和抽象出規(guī)律、原理等具體概念，最后通過創(chuàng)設核心概念的應用情境，在情境中進行應用遷移和反思概括，從而逐步形成物理觀念.例如蔡鐵權教授建議在進行觀念教學前，先制訂以觀念為導向的教學目標，并結合大單元教學理念，提出了教學目標的闡明過程.[7](2) 情景體驗式，是指利用AR技術仿真實驗室引導學生能夠基于經(jīng)驗事實進行分析、抽象、概括、從中得出物理概念、物理規(guī)律，并將其在頭腦中提煉和升華，形成“物理觀念”.例如張勇等利用了AR實驗課堂，通過學生與教師都使用AR技術進行實驗教學的方式幫助學生建立物理觀念.[8](3) 質疑論證式，是指強調(diào)慢下結論、敢于質疑，強調(diào)理解主題問題、澄清概念意義從而產(chǎn)生新的體悟、認識，最終形成觀念.例如王長江教授提出了“慢·論證·醒來”的論證教學模型.[9]

總體來看，物理觀念具有相對穩(wěn)定的建構過程，即先對物理觀念進行定位，據(jù)此分析其構成要素，初步形成教學框架，結合現(xiàn)有教學素材，制訂具體教學內(nèi)容并最終實施.不同在于，課型、內(nèi)容不同，教師經(jīng)驗、教學資源的差異，學生的個體差異，使得在建構環(huán)節(jié)中各有側重.并且，不同的建構路徑也有各自缺陷，例如論證式的教學模式對于觀念意識不強的、無法正常表達觀點的學生而言可能并不適用，而且在時間的花費上會較多，還有可能會進一步加重學生對于前觀念的誤解.隨著研究的深入，物理觀念培養(yǎng)的路徑也會更加傾向于一種“混合”的建構路徑.

3.5 物理觀念形成的教學策略研究

關于物理觀念形成的教學策略的討論主要是集中在促進學生理解、增強學生的體驗方面，專家學者們討論比較多的有探究性學習策略、概念圖學習策略、實驗學習策略、問題導向策略等.這些教學策略相對于以往增進教學效果的方法而言，在理解力層面，更加注重概念之間的關系，以及概念關系的遷移.

(1) 巧設問題——引導意義聯(lián)結.

通過將新學內(nèi)容與學生以往的經(jīng)驗關聯(lián)起來，促進新事物在大腦皮層中存儲的意義與價值，才能夠有意識地注意、在教師的引導下向著觀念層面去思考和建構.例如有研究者嘗試以問題鏈為線索的方式,構建教學設計.楊菲菲對問題鏈導學策略進行優(yōu)化，并提出問題鏈應該接近學生的“最近發(fā)展區(qū)”，問題不能遠遠超過學生已有經(jīng)驗，問題不能過于簡單等建議.[10]這樣看來，教師在教學過程中應該以問題為工具導向，注意問題設置的注意事項，注重對學生所輸入問題性刺激的意義，在教學過程中盡可能多地將所講授的東西與學生原有的信息相關聯(lián)，以建構意義上的聯(lián)系.當然，學生自身的注意和期望也是保證教學效果的重要因素，為避免學生對問題性刺激產(chǎn)生習慣化，教學過程中的刺激方式和種類應該具有新異性，從而影響學生的注意.

(2) 實踐活動——促進抽象認知.

無論是探究活動還是實驗操作，無論是野外實習還是模型制作，對于學生來講都是實踐經(jīng)歷.這樣的刺激除了能夠促進學生概念的理解，有助于形成觀念之外，還能夠提高學生的學習動機、自我效能感和學習的自信心等.例如李春來提出就地取材做實驗創(chuàng)造性地展現(xiàn)物理情境,設計逐層遞進的問題,讓學生通過問題解決過程在深度學習狀態(tài)下和理解的基礎上實現(xiàn)遷移應用,形成物理觀念.[11]也有研究者通過創(chuàng)設任務情境,充分發(fā)揮學生在學習中的主體地位和能動作用,優(yōu)化物理教學,落實物理學科核心素養(yǎng).具體而言，與閱讀、講座和工作表相比，在沒有直接指導的情況下進行動手操作和學習，可以提高學生對概念的理解.也有研究者基于實際情景，利用STEM教育理念、PBL教學方法進行物理學科核心素養(yǎng)的課堂滲透.

(3) 學史滲透——形成總體認識.

物理學的概念、規(guī)律隨著物理學的發(fā)展在不斷演變著.了解物理概念、定理、定律的來龍去脈和發(fā)生、發(fā)展過程,可以幫助學生了解物理學基本觀念的變革, 促進學生對知識更深層次地理解和掌握,認清物理知識的本質.將HPS理論引入到物理觀念的教學設計中，在近幾年研究較多.而HPS教育理論融入物理教學最有代表性的是孟克和奧斯本的“經(jīng)典HPS六步教學”模式，因此部分學者基于此進行了關于物理觀念的教學設計嘗試.有研究結合“經(jīng)典HPS六步教學”進行教學設計，體現(xiàn)了從現(xiàn)象到歷史、從歷史到科學、從科學到實驗、從實驗到結論、從結論到應用的有利于觀念培養(yǎng)的教學過程.然而“物理課”與“歷史課”存在著本質的區(qū)別，如何進行史學內(nèi)容的選取以及如何與教學內(nèi)容結合，還值得深入思考.

(4) 多彩課堂——助力觀念轉變.

某一物理觀念可能一節(jié)課就能夠實現(xiàn)，也可能需要經(jīng)過長時間的思考、提煉.豐富的課堂活動，就為此帶來了更多可能.湯倩倩就討論了在中學教學當中, 引入費米問題, 能很好地幫助學生建構物理模型,培養(yǎng)學生的物質觀念.[12]

研究中對此的討論依然還停留在課例設計與呈現(xiàn)方面，普適性和理論深度還不夠，但亦能激發(fā)人們思考，由以往對于零散知識的關注轉移到觀念的建立上.但由于物理觀念形成的教學策略呈現(xiàn)方式相對零散、淺層，因此對于該維度的研究可以從腦科學的視角對此進行歸結.

3.6 物理觀念形成過程影響因素的實驗研究

有研究者對初中物理力學錯誤前概念形成原因進行實驗研究，發(fā)現(xiàn)生活中的感知，錯誤理解，主觀建構概念等因素都會影響錯誤前概念的形成，其他概念的干擾也會對其產(chǎn)生影響.這些研究為物理學概念的教學及觀念形成提供了良好的參照和建設性意見.不過，在該論文中，他采用的是紙筆測試，但試卷測試本身并不能夠完全考查學生觀念的形成，基于觀念的認識框架，學習者還有可能是通過記憶、背誦、機械性地做題之后而完成試卷，而這樣的紙筆測試過于偏重知識點的考查，而非學生頭腦中觀念形成認知過程的考查.

4 研究結論與啟示

4.1 研究結論

結合可視化分析與文獻閱讀，得到以下幾點結論.

(1) 從刊文量上看，物理觀念研究在國內(nèi)仍具有一定的發(fā)展勢頭.以2016年為界限，大致可將物理觀念研究歷程分為2個階段，當前正處于研究的深化發(fā)展階段.

(2) 從研究中心機構來看，群體合作加強.物理觀念研究主要以高校為單位，其合作形式由初始的獨立研究，發(fā)展為跨校的交流與協(xié)作.除了高校合作之外，各基層教研機構與基礎教學單位組成的研究團體也逐步增多，這也說明，物理觀念研究受到了社會各界的關注與重視，其研究價值越來越符合社會期待.

(3) 從研究熱點演化來看，研究進入分化階段.國內(nèi)對物理觀念內(nèi)涵、體系、結構、培養(yǎng)等方面的研究已經(jīng)系統(tǒng)化、精細化，對部分研究開始進入反思批判的階段.從研究焦點的發(fā)展趨勢來看，未來對物理觀念的研究可能分化為兩條路徑，一是繼續(xù)對已有物理觀念的培養(yǎng)進行更加精細化的研究，二是對物理觀念的評價機制、方式進行更為深入的研究.

4.2 研究啟示

鑒于現(xiàn)有的研究，我國關于物理觀念的培養(yǎng)研究和評價方式的探索可以從以下方面進行嘗試.

(1) 以解決問題為研究思路.

從現(xiàn)有的物理觀念的研究歷程與熱點可以看出，不同研究者對物理觀念內(nèi)涵的討論、結構的探索、體系的建構看似千差萬別，但其出發(fā)點往往致力于解決學生發(fā)展、教學改革中最迫切的問題.以問題解決為思路建構的物理觀念體系，深入挖掘物理觀念領域中理論上需要發(fā)展而現(xiàn)狀中存在不足的關鍵指標，有利于科學、準確地定位為促進學生發(fā)展、提高教學質量所需的核心要素，避免物理觀念維度間的簡單羅列和刻板建構，使得各內(nèi)容要素圍繞著“問題解決”有機整合.

(2) 系統(tǒng)建構精細化觀念框架.

借鑒現(xiàn)有研究的經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，課標中對于需培養(yǎng)的觀念并沒有詳細說明，也沒有明確要求.為了滿足不同教學實踐需要，物理觀念內(nèi)容研究可以從以下幾個方面嘗試. ① 構建底層式物理觀念框架.依照課程標準及教材內(nèi)容，為不同地區(qū)、不同學段的物理觀念培養(yǎng)提供一個底層式的參考標準，及最低標準.② 制訂差異化物理觀念體系.研究者應根據(jù)各地區(qū)、學校、學段的實際情況，構建差異化的物理觀念框架，甚至形成地域或學校特色.差異化物理觀念體系原則上應該建立在底層式物理觀念框架之上.

(3) 促進物理觀念行動研究的發(fā)展.

分析國內(nèi)物理觀念研究發(fā)現(xiàn)，雖然已經(jīng)向實證取向發(fā)展，但是更多集中在單一課例的設計中.這樣的研究存在兩方面問題：① 以研究者主觀思想進行設計，不經(jīng)過實踐，形成什么觀念，是否能形成觀念都存在疑問；② 某一節(jié)課的教學設計，對于觀念培養(yǎng)，周期相對較短，甚至難以形成物理觀念.因此，研究者可以通過行動研究的方式，不斷改進教學實踐，促進學生物理觀念的發(fā)展.這樣的研究更能為物理觀念發(fā)展提供實踐意義.

(4) 開發(fā)適切性測評工具.

當前，對物理觀念的測評仍有很大的研究空間.① 針對我國物理觀念內(nèi)容，研究者需要科學地制訂評價標準，并保證測評題目與測評維度、評價標準有較高的一致性.② 在測評指標體系中加入實踐維度.僅以紙筆測評來評價物理觀念，當前看來缺乏說服力.加入實踐維度的測評，注重觀念的轉化與遷移，在未來的研究中值得被關注.