于士博 于海波 杨振东 侯建华

(1. 东北师范大学教育学部，吉林 长春 130024； 2. 长春力旺实验中学，吉林 长春 130000；3. 东北师范大学教师教育研究院，吉林 长春 130024)

指向“物理观念”培养的教育探索已有较长的历史，但“物理观念”真正作为我国物理教育研究领域的研究热点，肇始于近年“物理学科核心素养”的提出.《普通高中物理课程标准(2017年版)》颁布后，以“物理观念”为主题的学术论文，无论是数量还是质量都已经远超从前.在这一背景下，既需要“以史为鉴”，全面梳理物理观念研究成果中的智慧与不足，也需要“以实为本”，准确把握研究前沿与未来走向，从而为后续物理观念的理论研究与实践探索做出前瞻.鉴于此，本文以CNKI源刊文献为基础，利用Citespace软件来客观、直接、形象地呈现物理观念研究现状，并结合定性分析，对研究成果做出系统的梳理.

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

在CNKI文献库的学位论文、期刊论文中，以“物理观念”“物理观念教学”“物理观念培养”“物理观念形成”为主题词进行检索，时间范围选定为1980—2022年，删除重复、无效文献，共得到2684篇文献信息，作为本研究的样本数据.其中，第一篇文献刊于1994年.

1.2 研究方法与工具

以Citespace可视化软件为基本工具，输入样本数据并处理.处理条件如下：以1年作为时区，时间范围为1994—2022年；“术语来源”选择文献题目、摘要、作者关键词和附加关键词；节点类型选择机构和关键词，利用寻径法和修剪合并网络法裁剪关键词共现；采用对数自然率算法进行聚类，并利用关键词命名，呈现“物理观念”研究领域的热点及趋势.

2 “物理观念”研究的基本情况

2.1 文献刊载的时空分析

从历时演变视角来看，国内关于物理观念的研究历程大致可分为两个阶段.

1994—2016年阶段刊文量97篇，刊文量较少，且团队间的联系较少，多为独立研究.2017—2022年刊文量突增，为2587篇，此阶段的研究比较分散，主要以小规模研究团队为主，随着研究的逐步深入，也在逐步形成较为广泛的合作群体.但目前看，各院校间的关联并不多，进修学校与中学、中学与中学间的关联较多.

2.2 关键词共现的聚类分析

通过对关键词共现网络的分析，可以了解文献涉及的领域与内容，一定程度上可以展现一段时间内该领域的研究热点与趋势.通过Citespace 得出物理观念研究文献的高频关键词(频次≥30，见表1)并聚类，最终得出21个聚类标签，分别为物理观念、核心概念、核心素养、学科素养、曲线运动、物理、高中物理、物理教学、教材、高考物理、物理学科、初中物理、教学、电磁学、深度学习、科学思维、高中、教学策略、学习方式、概念教学、创新.模块值(Modularity)Q=0.8684(>0.3)，平均轮廓值(Mean silhouette)S=0.9721(>0.5)，可认为该聚类合理.

表1 高频关键词列表

精细分析归纳文献内容，国际上关于物理观念实证研究的热点主要有以下几个主题(见表2).

表2 物理观念研究内容列表

续表

3 物理观念研究的内容回顾

3.1 关于物理观念的内涵的研究

《义务教育物理课程标准(2022年版)》指出：“物理观念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.”并将其具体分为物质观念、运动与相互作用观念、能量观念.

除此外，亦有学者从不同侧面对物理观念内涵做出探讨，主要有以下几种观点：一是认为物理观念是基于物理学科核心概念的学习，从学生发展核心素养的角度提出来的，是知识与技能目标的提炼、概括和发展；二是对“观念”和“科学观念”内涵分析进行比照后认为，我国初中物理课程标准对物理观念的确定，符合词源学和哲学的界定，也与“观念史”的发展相一致，物理观念是比物理概念更上位的概念；[1]三是物理观念总体而言是一种物理的自然观，是在物理知识基础上的提炼和升华；四是物理观念是知识、经验、态度、思想的一个综合体，包含知、情、意3方面的内容.

据此，我们可以从微观、中观和宏观3个视角对物理观念进行诠释：微观层面，物理观念是物理学中最基本的概念性知识和规律，是对于运动及相互作用，能量及构成物体的物质的认识和理解；中观层面，物理观念是物理学科观点的综合和概括，理论活动和实践活动奠定了思想框架和行动准则，接近于国外的“大概念”；宏观层面看，还可以指向对科学宏观的、理性的认识，指向科学本质和科学发展规律的高度哲理性的认识，对科学的哲学概括.

3.2 关于物理观念维度的研究

在化学教育领域，有学者指出“化学的物质观”涉及到“……怎样想？”“为什么……？”因此是元观念.[2]同样，物理观念也有类似的维度划分，从认识论的角度来看，观念按照其涵盖范围的大小可以分为元观念、基本观念，元观念如“物质观”“能量观”，基本观念如“一切物体都是由物质构成”“能量可以在物体内部或物体之间发生转移”等.如表3.

表3 物理观念维度与类型

根据描述尺度可以分为宏观观念和微观观念.如“一切分子在不停地做无规则运动”就是微观观念，“固体熔化需要吸收热量”就是宏观观念.根据描述方式不同可以分为直接观念和间接观念.如“磁极是磁体磁性最强的位置”，磁性的强弱通过吸引大头针多少间接反映的，“照相机原理所成的是实像”是可以直接观察到的.根据概念描述的类型，物理观念还可以分为陈述性观念、理论性观念和结果性观念.如“动能、重力势能和弹性势能统称为机械能”就是陈述性观念，陈述的是“什么是什么”的问题；理论型观念往往包含对事物或现象本质的探讨或猜想，如“牛顿第一定律”；结果型观念是在指明“什么原因导致了什么样的结果”，如“分子运动越剧烈，物体温度越高”.按照物理观念知识范畴的维度，研究者将其划分为学科内观念、学科外观念、跨学科观念3大类.学科内观念是具有物理学科特性的观念，如“运动和相互作用”就是学科内基本观念；学科外观念是侧重于物理学所包含的文化思想、人文思想，指的是物理的社会观、物理的价值观，如“可持续发展”就是学科外观念；跨学科观念不仅仅指的是物理学科包含的，其他学科也有的观念，如“能量观”可称为跨学科观念，此观念物理、化学学科均有体现.

3.3 关于物理观念内容的研究

《义务教育物理课程标准(2022年版)》中列举出的尚未详细阐释的3个物理观念，参照对一级主题的划分，研究者认为可以这样理解.(1) 物质观：物质是质量在空间的分布，不同物质有其自己特有且不变的性质，丰富的物质属性，共同构成了多样的物质世界.宇宙是由物质组成的，物质以实物粒子和场两种形式存在.物质具有质量、能量等基本属性，也具有弹性、磁性、导电性和导热性等重要属性.物质主要有固体、液体、气体3种存在状态.(2) 运动和相互作用观：物质间存在4种基本相互作用.物体的运动状态的稳恒与改变，由其相互作用而受到的力决定.时空是物质运动的表现形式.(3) 能量观：能量是普遍存在的，可以作为功的量度，其存在形式不固定，可以以不同形式存在于不同物质中，且相互间可以转移或者转化，但转化过程具有方向性，其总量保持不变.

邢红军教授提出时空观是物理学中一个基本的思想观念.[3]徐卫兵认为在学校教学中，物理基本观念主要来自于3个方面：一方面来自于学生对物理学科知识的反思概括，另一方面来自于学生对物理探究过程、学习方法的反思，再一方面来自于学生对物理科学在社会生活中价值的认识和反思，主要形成物理情意类的基本观念.[4]

王俊认为，学生在主动学习、深刻理解和应用物理概念和规律的过程中，教师应适度渗透、逐渐形成概括性认识，如自然观、物质观、时空观、运动观、相互作用观、能量观、守恒观、物理价值观等.[5]于海波提出，实际上物理观念不只包括物质、运动与相互作用、能量这些内容，对物理观念的理解应该要有更宏大的视野：例如量子观、时空观、因果观等.[6]

从物理观念内容研究演绎过程来看，内容维度选择兼具了时间维度和空间维度，并存在生活化、时代化的趋势.具体来看，研究内容已经逐渐超越了对基本观念的讨论，由从表面的、可视化的观念指标，发展为内在的、不易直接观测的观念探究，尤其是对教材内容复杂的整合观念、潜隐的思维素养的精细讨论.但是教师在准备教学和实施教学的过程中，如何深入挖掘教材中的内容、积极与生活实际建立联系进行观念的价值延伸才能构建物理观念的基本骨架、支撑观念为本的育人取向、并实现核心素养所指向的育人目标，仍值得研究.

3.4 物理观念建构路径研究

物理观念的建构路径，至今没有相对详细的、稳定的描述，但对于建构的宏观设想和设计思路已有了一定的讨论.在《义务教育物理课程标准(2022年版)》中提出：教师应该领会物理学科逻辑……防止教学碎片化、孤立化，努力让学生的学习结构化、系统化.综合各组织和地区的经验，其遴选和建构物理观念体系的研究思路主要有3种：(1) 自下而上式，结合大单元教学理念，以核心概念为目标，思考核心概念与原有概念、核心概念与具体概念之间的联系，将核心概念细化为一系列的具体概念.根据形成核心概念的需要精选合适的教学素材，再将知识概括和抽象出规律、原理等具体概念，最后通过创设核心概念的应用情境，在情境中进行应用迁移和反思概括，从而逐步形成物理观念.例如蔡铁权教授建议在进行观念教学前，先制订以观念为导向的教学目标，并结合大单元教学理念，提出了教学目标的阐明过程.[7](2) 情景体验式，是指利用AR技术仿真实验室引导学生能够基于经验事实进行分析、抽象、概括、从中得出物理概念、物理规律，并将其在头脑中提炼和升华，形成“物理观念”.例如张勇等利用了AR实验课堂，通过学生与教师都使用AR技术进行实验教学的方式帮助学生建立物理观念.[8](3) 质疑论证式，是指强调慢下结论、敢于质疑，强调理解主题问题、澄清概念意义从而产生新的体悟、认识，最终形成观念.例如王长江教授提出了“慢·论证·醒来”的论证教学模型.[9]

总体来看，物理观念具有相对稳定的建构过程，即先对物理观念进行定位，据此分析其构成要素，初步形成教学框架，结合现有教学素材，制订具体教学内容并最终实施.不同在于，课型、内容不同，教师经验、教学资源的差异，学生的个体差异，使得在建构环节中各有侧重.并且，不同的建构路径也有各自缺陷，例如论证式的教学模式对于观念意识不强的、无法正常表达观点的学生而言可能并不适用，而且在时间的花费上会较多，还有可能会进一步加重学生对于前观念的误解.随着研究的深入，物理观念培养的路径也会更加倾向于一种“混合”的建构路径.

3.5 物理观念形成的教学策略研究

关于物理观念形成的教学策略的讨论主要是集中在促进学生理解、增强学生的体验方面，专家学者们讨论比较多的有探究性学习策略、概念图学习策略、实验学习策略、问题导向策略等.这些教学策略相对于以往增进教学效果的方法而言，在理解力层面，更加注重概念之间的关系，以及概念关系的迁移.

(1) 巧设问题——引导意义联结.

通过将新学内容与学生以往的经验关联起来，促进新事物在大脑皮层中存储的意义与价值，才能够有意识地注意、在教师的引导下向着观念层面去思考和建构.例如有研究者尝试以问题链为线索的方式,构建教学设计.杨菲菲对问题链导学策略进行优化，并提出问题链应该接近学生的“最近发展区”，问题不能远远超过学生已有经验，问题不能过于简单等建议.[10]这样看来，教师在教学过程中应该以问题为工具导向，注意问题设置的注意事项，注重对学生所输入问题性刺激的意义，在教学过程中尽可能多地将所讲授的东西与学生原有的信息相关联，以建构意义上的联系.当然，学生自身的注意和期望也是保证教学效果的重要因素，为避免学生对问题性刺激产生习惯化，教学过程中的刺激方式和种类应该具有新异性，从而影响学生的注意.

(2) 实践活动——促进抽象认知.

无论是探究活动还是实验操作，无论是野外实习还是模型制作，对于学生来讲都是实践经历.这样的刺激除了能够促进学生概念的理解，有助于形成观念之外，还能够提高学生的学习动机、自我效能感和学习的自信心等.例如李春来提出就地取材做实验创造性地展现物理情境,设计逐层递进的问题,让学生通过问题解决过程在深度学习状态下和理解的基础上实现迁移应用,形成物理观念.[11]也有研究者通过创设任务情境,充分发挥学生在学习中的主体地位和能动作用,优化物理教学,落实物理学科核心素养.具体而言，与阅读、讲座和工作表相比，在没有直接指导的情况下进行动手操作和学习，可以提高学生对概念的理解.也有研究者基于实际情景，利用STEM教育理念、PBL教学方法进行物理学科核心素养的课堂渗透.

(3) 学史渗透——形成总体认识.

物理学的概念、规律随着物理学的发展在不断演变着.了解物理概念、定理、定律的来龙去脉和发生、发展过程,可以帮助学生了解物理学基本观念的变革, 促进学生对知识更深层次地理解和掌握,认清物理知识的本质.将HPS理论引入到物理观念的教学设计中，在近几年研究较多.而HPS教育理论融入物理教学最有代表性的是孟克和奥斯本的“经典HPS六步教学”模式，因此部分学者基于此进行了关于物理观念的教学设计尝试.有研究结合“经典HPS六步教学”进行教学设计，体现了从现象到历史、从历史到科学、从科学到实验、从实验到结论、从结论到应用的有利于观念培养的教学过程.然而“物理课”与“历史课”存在着本质的区别，如何进行史学内容的选取以及如何与教学内容结合，还值得深入思考.

(4) 多彩课堂——助力观念转变.

某一物理观念可能一节课就能够实现，也可能需要经过长时间的思考、提炼.丰富的课堂活动，就为此带来了更多可能.汤倩倩就讨论了在中学教学当中, 引入费米问题, 能很好地帮助学生建构物理模型,培养学生的物质观念.[12]

研究中对此的讨论依然还停留在课例设计与呈现方面，普适性和理论深度还不够，但亦能激发人们思考，由以往对于零散知识的关注转移到观念的建立上.但由于物理观念形成的教学策略呈现方式相对零散、浅层，因此对于该维度的研究可以从脑科学的视角对此进行归结.

3.6 物理观念形成过程影响因素的实验研究

有研究者对初中物理力学错误前概念形成原因进行实验研究，发现生活中的感知，错误理解，主观建构概念等因素都会影响错误前概念的形成，其他概念的干扰也会对其产生影响.这些研究为物理学概念的教学及观念形成提供了良好的参照和建设性意见.不过，在该论文中，他采用的是纸笔测试，但试卷测试本身并不能够完全考查学生观念的形成，基于观念的认识框架，学习者还有可能是通过记忆、背诵、机械性地做题之后而完成试卷，而这样的纸笔测试过于偏重知识点的考查，而非学生头脑中观念形成认知过程的考查.

4 研究结论与启示

4.1 研究结论

结合可视化分析与文献阅读，得到以下几点结论.

(1) 从刊文量上看，物理观念研究在国内仍具有一定的发展势头.以2016年为界限，大致可将物理观念研究历程分为2个阶段，当前正处于研究的深化发展阶段.

(2) 从研究中心机构来看，群体合作加强.物理观念研究主要以高校为单位，其合作形式由初始的独立研究，发展为跨校的交流与协作.除了高校合作之外，各基层教研机构与基础教学单位组成的研究团体也逐步增多，这也说明，物理观念研究受到了社会各界的关注与重视，其研究价值越来越符合社会期待.

(3) 从研究热点演化来看，研究进入分化阶段.国内对物理观念内涵、体系、结构、培养等方面的研究已经系统化、精细化，对部分研究开始进入反思批判的阶段.从研究焦点的发展趋势来看，未来对物理观念的研究可能分化为两条路径，一是继续对已有物理观念的培养进行更加精细化的研究，二是对物理观念的评价机制、方式进行更为深入的研究.

4.2 研究启示

鉴于现有的研究，我国关于物理观念的培养研究和评价方式的探索可以从以下方面进行尝试.

(1) 以解决问题为研究思路.

从现有的物理观念的研究历程与热点可以看出，不同研究者对物理观念内涵的讨论、结构的探索、体系的建构看似千差万别，但其出发点往往致力于解决学生发展、教学改革中最迫切的问题.以问题解决为思路建构的物理观念体系，深入挖掘物理观念领域中理论上需要发展而现状中存在不足的关键指标，有利于科学、准确地定位为促进学生发展、提高教学质量所需的核心要素，避免物理观念维度间的简单罗列和刻板建构，使得各内容要素围绕着“问题解决”有机整合.

(2) 系统建构精细化观念框架.

借鉴现有研究的经验发现，课标中对于需培养的观念并没有详细说明，也没有明确要求.为了满足不同教学实践需要，物理观念内容研究可以从以下几个方面尝试. ① 构建底层式物理观念框架.依照课程标准及教材内容，为不同地区、不同学段的物理观念培养提供一个底层式的参考标准，及最低标准.② 制订差异化物理观念体系.研究者应根据各地区、学校、学段的实际情况，构建差异化的物理观念框架，甚至形成地域或学校特色.差异化物理观念体系原则上应该建立在底层式物理观念框架之上.

(3) 促进物理观念行动研究的发展.

分析国内物理观念研究发现，虽然已经向实证取向发展，但是更多集中在单一课例的设计中.这样的研究存在两方面问题：① 以研究者主观思想进行设计，不经过实践，形成什么观念，是否能形成观念都存在疑问；② 某一节课的教学设计，对于观念培养，周期相对较短，甚至难以形成物理观念.因此，研究者可以通过行动研究的方式，不断改进教学实践，促进学生物理观念的发展.这样的研究更能为物理观念发展提供实践意义.

(4) 开发适切性测评工具.

当前，对物理观念的测评仍有很大的研究空间.① 针对我国物理观念内容，研究者需要科学地制订评价标准，并保证测评题目与测评维度、评价标准有较高的一致性.② 在测评指标体系中加入实践维度.仅以纸笔测评来评价物理观念，当前看来缺乏说服力.加入实践维度的测评，注重观念的转化与迁移，在未来的研究中值得被关注.