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郭 玉 英 北京师范大学教授、博士生导师，高中物理课程标准修订组核心成员，初中科学课程标准研制组、修订组核心成员，中国教育学会物理教学委员会前理事长，国家基础教育课程教材专家工作委员会委员，北师大版初中物理教材主编。 周光召先生在给《科学教育的原则和大概念》一书作的序中写道：“科学教育不应该传授给孩子支离破碎、脱离生活的抽象理论和事实，而是应当慎重选择一些重要的科学观念，用恰当、生动的方法，帮助孩子们建立一个完整的对世界的理解。” 基础教育阶段的物理课程用物理核心素养一词集中概括了物理学科的教育价值，并将其作为教育目标来引领课程、教材和教学的改革方向。 一、物理核心素养与三维课程目标 物理核心素养是本次高中物理课程标准修订时提出的新概念，是指学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力，是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质，是学生科学素养的重要构成。物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面的要素构成，在高中物理课程标准征求意见时得到了专家学者和一线物理教师的普遍认同。物理核心素养的提出从发展学生核心素养的角度集中体现了物理学科的育人价值，是新课程三维目标的提炼与升华。物理核心素养对三维目标的发展主要体现在以下三个方面。 1. 明确提出了物理观念的内容和要求 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和升华；是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。将物理观念作为物理核心素养的第一个要素，是对物理知识目标进行的整合和提升，要求学生不仅要理解和掌握物理知识，而且要将所学习的大量具体知识围绕学科核心概念整合内化，在此基础上形成对物质世界的整体认识，即形成了物理观念。“物理观念”不仅是物理核心素养的主要内容，而且是其他物理核心素养的重要基础。 物理观念主要包括物质观念、运动观念、相互作用观念、能量观念及其应用等要素。在《义务教育物理课程标准（2011年版）》中，虽然没有明确提出物理观念这个术语，但已经用物理观念作为一级主题，统领课程全部的知识内容，将众多的物理知识联为一致整体。
课程标准中的“主题”是对学科内容的概括，描述的是课程内容而非课程目标；“观念”是学生头脑中形成的认识，描述的是具备物理核心素养的学生特征，是物理课程实施的结果。理解每个“主题”所涵盖的物理知识内容，是学生发展“物理观念”的基础，从标准中的“主题”到核心素养中的“观念”，其中蕴含着学生将物理知识整合、内化、提炼、升华的过程。可见，高中物理课程标准中提出的物理观念，是在初中物理课程基础上的进一步发展，其内涵与许多发达国家对物理学科核心概念的要求也是一致的。 2. 明确提出了科学思维能力和科学探究能力的要素 这是从物理学科发展学生能力的角度对过程与方法目标的提炼。科学思维和科学探究是从学生经历了科学思维和探究过程所获得的核心素养的角度对课程目标进行的表述，是在学生身上体现出来的可观察、可测评的学习结果。 科学思维是从物理学视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式；是基于经验事实建构理想模型的抽象概括过程；是分析综合、推理论证等方法的内化；是基于事实证据和科学推理对不同观点和结论提出质疑、批判，进而提出创造性见解的能力与品质。科学思维能力主要包括模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新。 科学探究是指提出科学问题，形成猜想和假设，设计实验与制订方案，获取和处理信息，基于证据得出结论并做出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思的能力。科学探究不仅是一种科学学习的主要方式，是形成其他物理核心素养的主要途径，而且对学生的提出问题能力、批判性思维能力、交流和合作能力等综合能力的形成具有重要价值。科学探究能力主要包括问题、证据、解释、交流四个方面。 3. 明确提出了科学本质和社会责任 科学态度与责任是指在认识科学本质，理解物理学与技术、社会和环境之间的关系基础上，逐渐形成的对科学和技术应有的正确态度以及责任感，是学生通过物理学习而形成的关键品格，对于学生正确的世界观、价值观和社会责任感的形成具有重要的价值。科学态度与责任主要包括科学本质、科学态度和社会责任。 这是科学本质术语第一次进入我国的物理课程目标。早在2001年颁布的初中科学课程标准就已经提出对认识科学本质的要求。认识科学本质是指对于科学知识、科学研究过程和方法、科学事业等方面最基本特点的认识。学校理科课程中应该包括哪些有关科学本质方面的观念呢？这个问题在国际科学教育领域已经基本达成共识，主要包括以下内容。 （1）关于科学知识的认识 主要是科学知识的确定性和发展性。学生应该了解为什么很多科学知识，尤其是学校科学课程中教的知识，是已经被充分地证明过的且不受怀疑的，而其他一些科学知识则是更开放的、接受质疑的。这应该解释为现代大部分科学知识是人类认识已经达到的最好水平，但如果有新的证据或对原有证据有新的更合理的解释出现时，它可能在未来发生变化。通过科学知识的历史发展可以说明这一点。 （2）关于科学研究的过程和方法的认识 科学方法与批判性验证：学生应知道科学运用实验的方法验证观点，有时候为达到目的需要运用一定的技术（如条件控制技术）；学生也应该清楚，一个实验的结果不能有效地证明一个科学论断。 假设与预测：学生应了解科学家们形成对自然现象的假设和预测是形成新知识的必要环节。 科学思维的多样性：学生应该了解在科学研究中科学家运用一系列的方法和手段，但并不存在一个统一的或唯一的科学方法和研究途径。 科学的创造性：学生应领会到科学同人类其他许多活动一样，是一种包含了很多创造与想象成分的活动。一些科学成果是超常的智力成果。同其他很多职业一样，科学家们有着同样的热情，并沉浸于依赖灵感和想象的人类事业中。 科学与提出问题：学生应知道一个科学家工作的重要方面就是不断地和反复地提出问题和寻求答案，之后引发新的问题。 （3）关于科学事业的认识 科学知识发展过程中的合作与协作：科学工作是一个公共的竞争性的活动，尽管个人可以做出重大贡献，科学工作还是经常由群体实施，经常具有一种跨学科和跨国家的性质。新知识通常要由科学共同体接受并承认，并必须经得起共同体的质疑和批评。 科学与技术的相互作用：学生应该了解尽管科学与技术存在重大差异，但二者却不断地发生相互作用。新知识的发现依赖于技术的运用，同时新知识又能促进新技术的发明。 社会责任包括“科学伦理”和“STSE”。科学伦理，是指在学习、研究和应用科学的过程中，应该考虑和遵守的规范准则，如应实事求是，不能弄虚作假，应顾及他人的利益，不对人类和自然带来不利影响等。STSE是“科学 · 技术 · 社会 · 环境”的英文缩写。 上述物理核心素养的四个方面是相互联系、共同发展的，物理观念的形成过程是学生经历科学思维和科学探究的过程，同时伴随着科学态度与社会责任感的发展过程和对科学本质的认识不断深化的过程。 二、核心素养引领下的中学物理教学 发展学生的物理核心素养是基础教育阶段物理课程的共同目标，初中物理是高中物理学习的基础，是核心素养发展的重要阶段。从我国目前的物理教学情况来看，需要重点关注以下三个方面。 （一）围绕物质、运动与相互作用、能量发展学生的物理观念，关注小学、初中、高中之间的衔接 在目前的教学情况下，学生物理观念的发展情况如何呢？近几年来，我们研究团队做了大样本调查，请看下面两道测题示例。 测题示例1：请写出图中相应序号的物态变化名称及吸、放热情况。 本题考查了北京市某区8年级和9年级的学生，各小问学生正确作答的人次百分比如表所示。 从表中可以看出，除第（5）小问以外，8年级学生在本题上正确作答的人次百分比都高于9年级学生。由于8年级学生刚学习完物态变化的相关知识，所以记忆较为深刻。而9年级学生学习物态变化已经时隔一段时间了，显然部分学生没有内化相关知识，所以再遇到时就不能正确再现物态变化相关知识。而在第（5）小问上，9年级学生作答正确率明显高于其他小问，这主要是由于学生受到“液化放热”示例的提示，唤起了对液体到气体的物态变化的记忆。 测题示例2： 各年级学生答题情况如下表所示。 从表中可以看出，选择正确答案C选项的学生比例逐年升高。7、8年级的学生以选择B选项居多，这些学生多是由于局部推理，他们对小球的整个运动过程感到迷茫，故只对比较确信的部分过程采用局部推理，认为小球最远只能到达与C点等高的E点。选择D选项的学生在7年级到9年级逐年递增，在学完高一的课程后明显减少。选择D选项的学生错误地调用了惯性来解答，而且他们对惯性的理解也有偏差，所以认为小球会到G点甚至更远。这反映出初中阶段对机械能守恒和惯性的教学没有达到理想的效果，多数学生不具有能量守恒的观念，而且他们理解的惯性和物理课程中学习的惯性并不一致，稍加误导学生就会采用对惯性的错误认识来进行分析判断，做出错误的预测。 结合我们所做的课堂观察和测试结果，发现教学中普遍存在学段之间的断层现象，学生在测试中表现出知识碎片化，不能形成系统的知识结构，缺乏上位的物理观念；模型建构能力较差；科学论证缺乏证据意识；科学推理逻辑不严谨。针对这些问题，迫切需要用物理核心素养引领小学、初中、高中之间的衔接，关注学生物理观念和能力的连续发展。 （二）深入挖掘中学物理课程中蕴含的科学思维教育价值，发展学生的科学思维和探究能力 以模型建构为例，初中物理教学中的模型有很多，例如：匀速直线运动，力的图示，重力场，连通器，杠杆，物质结构的微观模型，光线，电路图，磁感线，宇宙模型，原子模型，微观粒子模型等。在教学中，教师不但要引导学生了解物理学的研究需要建构模型，还要带领学生经历建构模型的过程，了解初中物理中所建构的模型是有局限性的，在以后的学习中需要进一步修正和完善。这样不但能为学生进入高中物理的学习留下发展空间，而且能帮助学生深化对科学本质的认识。 下面再以北师大版初中物理教材中的“议一议”栏目为例说明科学论证的结构：两名宇航员在国际空间站外进行太空行走，他们能否像在地球上那样直接面对面交谈呢？说出你的判断和依据。 图尔敏提出的科学论证的结构模型如下图所示。 本例中科学论证模型要素如下： 资料：太空行走的宇航员 限制条件：面对面交谈 正当理由：真空不能传声 支持：声音的传播需要介质 主张：不能 反驳：可以借助其他介质 由上述结构模型可见，科学论证中除了证据之外，还包含科学推理和质疑（反驳）等要素，前述科学思维中的四个方面也是相互联系的，在科学探究中也包含了科学思维。 （三）用核心素养引领中学物理教学设计 1. 基于物理核心素养进行教学内容分析，确定教学重点 首先用物理观念统领物理概念、物理规律的教学，具体分析该课题在发展学生物理观念中的地位和作用；然后分析该课题对发展学生科学思维能力和探究能力的价值，具体内容有助于发展哪些思维能力和探究能力要素；再分析该课题与学生生活、科技、社会有哪些联系，蕴含哪些科学本质、STSE的教育因素。 例如，初中物理《杠杆》课题内容分析如下。 （1）物理观念：运动和相互作用 物体运动有不同形式：平动、转动等。 平衡状态：杠杆静止或匀速转动的状态。 杠杆平衡的条件。 （2）科学思维 建构模型：杠杆、杠杆的平衡条件。 科学探究：在建立杠杆模型后，设计实验探究杠杆，可以发展学生进行实验设计与操作的能力。 （3）科学态度与责任 杠杆在生产、生活中的应用等。 2. 基于物理核心素养进行学情分析、确定教学难点 首先针对该课题具体分析学生现有的物理观念、科学思维、实验探究能力和科学态度与责任的发展水平；然后分析学生从现有水平发展到课程标准要求水平需要经过几个阶段，观念和能力的发展障碍是什么。 例如，初中物理《杠杆》课题学情分析如下。 学生对《杠杆》具有一定的生活经验，对杠杆模型中的五要素及其相互关系的理解需要一定的抽象、概括能力，特别是对力臂的理解是思维的难点；本课题可发展学生的运动观念和建构模型的能力，需要针对上述两点采用适当的教学策略。 3. 基于物理核心素养确定教学目标 具体包括物理概念、规律和相应观念的发展目标，科学思维能力的具体发展目标，科学探究能力的具体发展目标，科学态度与责任的渗透目标。 例如，初中物理《杠杆》课题教学目标如下。 （1）了解杠杆的运动，经历建立杠杆模型的过程，理解杠杆的五要素和平衡条件。 （2）能设计和完成探究杠杆平衡条件的实验。 （3）通过杠杆与实际生产、生活的联系，体会物理学的实用性，增强学习物理的动机和社会责任感。 4. 设计符合学生认知发展的教学过程 关于学习进阶的研究表明，科学概念的学习可以按照一定的系列逐渐进阶发展。科学概念理解的发展层级模型如下表所示。 基于学习进阶理论的教学过程模型如下图所示。 那么，如何在核心素养引领下，利用上述两个模型改进教学设计？ （1）根据概念理解的发展层级模型进行学情分析，从学生已有认识入手展开循序渐进的教学过程； （2）创设能给学生提供支撑性的事实经验的真实情境； （3）引导学生经历概念建构或探索规律的完整过程，促进相应能力的发展； （4）让学生解决真实的物理问题，从中认识物理学的价值和与生活、社会、科技的联系。  本文根据北京师范大学郭玉英教授在2016年北师大版初中物理教材交流研讨会的讲座整理而成，并获得郭玉英教授授权发布，其他公众号转载请注明出处。 |
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