冯杰教授：物理学科核心素养之“物理观念”辨析
号主按：
经冯杰教授同意，本公众号转载冯教授关于“物理观念”的研究文章。
一线教师和大学教授普遍认为“物理观念”难以把握，在教学目标设计上要么矮化降格为知识与技能目标，要么好高骛远拔高到不切实际的课堂教学目标。因此，对物理观念有一个准确把握，是有利于课堂教学设计的，在听评课中不至于陷入混沌之处。
冯教授从多方视角对物理观念进行了剖析，对于我们一线教师把握物理观念是有启迪作用的。
为了方便大家引用学习，特提供引用格式：
冯杰. 物理学科核心素养之“物理观念”辨析【J】. 现代基础教育研究，2020（9）：64—70
进入 ２１ 世纪的新时代，我国高中课程体系的改革实现了从 ２００３ 年版的“三维目标”到 ２０１７ 年 版的“学科核心素养”的跨越。 《普通高中物理课程标准（修改稿）》 （以下简称“修改稿”） 提出以物理核心素养取代《普通高中物理课程标准（实验稿）》（以下简称“实验稿”）三维目标。 物理核心素养包括四个方面的要素：物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。 修改稿指出：“物理核心素养是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，是学生科学素养的关键成分。”①②
物理核心素养第一个要素是“ 物理观念”。 虽然修改稿对“物理观念”的内涵、外延和目标水平层次做出了明晰的界定，但是，从实践操作层面上而言，广大物理教师、学生以及物理教育研究者仍然存在比较大的理解差距，可以说是莫衷一是。
修改稿修订组主编的《普通高中课程标准（２０１７年版）解读》 对“物理观念” 解读甚少。③特别是近一段时间，许多学者纠结于“物理观念”与物理概念的浅显区分，甚至在物理教学实践中误读“物理观念”，导致了理解、释义和应用方面的迷茫。 因此，在目前全国陆续开始实施新的课程标准之时，辨析物理观念， 不仅及时而且非常有必要。
一、《普通高中物理课程标准（修改稿）》对“物理观念”的描述
修改稿指出：“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。④
1. “物理观念”的内涵界定
修改稿指出：“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。
根据这个界定，“物理观念”的范畴是“关于物质、运动与相互作用、能量等的基本认识”；其性质为“物理概念和规律等在头脑中的提炼和升华”，明确其是主客观结合的产物；其作用“是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础”；其内容“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”。
这个界定虽然清晰，但太宏观，广大物理教师在具体知识点的教学设计（ 课程内容） 中难以操作。
2. “物理观念”的水平层次划分
修改稿的正式文本对“物理观念” 作为教学目标达成的水平层次做了如下的划分：
水平一 ：能从物理学的视角解释一些简单的自然现象，具有将物理学与实际相联系的意识。
水平二：形成初步的物理观念，能从物理学的视角解释一些自然现象，能应用所学的物理知识解决简单的实际问题。
水平三：具有物理观念，能从物理学的视角描述和解释自然现象，能应用所学的物理知识解决实际问题。
水平四：具有清晰的物理观念，能从物理学的视角正确描述和解释自然现象，能综合应用所学的物质知识解决实际问题，能指导工作和生活实践。
水平五：具有清晰、系统的物理观念，能从物理学的视角正确描述和解释自然现象，能灵活应用所学的物理知识解决实际问题，能有效指导工作和生活实践。
由于教学活动的双边性，这种主要基于教育者期望的角度，而不是从学习者物理思维角度的“唯象”的“水平层次”的划分，在物理教学实践中不太容易把握。 在水平二、三、四、五中都出现了“物理观念”一词，但是，无论是修改稿的文本，还是目前的物理教学和教研领域，对“物理观念”的释义理解和教学设计实践，还需要一个辨析的过程。
3 应当从自然哲学的角度解码和认知“物理观念”
物理学是研究物质结构、物质相互作用和运动规律，以实验为基础的自然科学。 其研究的内容是宇宙的基本组成要素：物质、能量、空间、时间及其相互作用。 从研究对象的角度研究物质的各种最低级的运动形式，首先是物理学，其后是化学、生物学、医学、社会科学。 同时，物理学与其他许多自然科学有关联，物理学原理与一些社会科学也有关联。 数学是物理学的基本工具；地理的地质学要用到物理学的力学；气象学原理离不开 热学；天文学就是物理学；热力学第一定律就是能量守恒定律，也就是能量转化和守恒的普遍原理；热力学第二定律不仅仅描述了时间的单向性；量子力学是现代化学的基础，也是现代生命科学的基础；这是基于物理学本源从哲学层面对“物理观念”的最基本的诠释。
因此，我们可以给“物理观念”下一个更加简洁的定义：“物理观念” 是基于物理学客观规律、 经过逻辑加工的一种物理哲学思想。
二、探寻“观念”一词的本源
笔者认为，应当首先从哲学、逻辑学和语言学乃至社会学的角度，厘清“观念” 一词的涵义，然后再讨论物理观念。
1. “观念”一词的哲学涵义
何为“观念”？ 《辞海》（２０１０ 年版）有三种解释。 第一种：“观念”即思想，是思维活动的结果，属于理性认识。 第二种：“观念” 一词译自希腊语，通常指思想。 有时亦作表象或客观事物在人脑中概括的形象，属于感性认识。 第三种是阐述“观念” 一词在西方各派哲学中有不同的涵义。
其一，在客观唯心主义哲学中，常常译作“理念”“相”或“客观理念”，亦有译作“理式”。 其二，在主观唯心主义哲学中，“观念”通常被归结为主体的感觉与印象或产生世界的创造本原，它是事物的“涵义” 或“本质”。 其三，在英国经验派哲学中，“观念”指人类的意识或思维的对象，即感觉与知觉。 其四，在休谟的哲学中，“观念” 指回忆起来的印象或想象到的印象。①
值得注意的是：前两种解释把“观念”定位于两个不同的认知阶段。 第三种的客观唯心主义哲学解释类似于第一种解释，即“观念”属于理性认 识。 第四种的主观唯心主义哲学解释，类似于第二种解释，即“观念” 属于感性认识。 我们知道， 感性认识可以分为感觉、知觉和表象三种类型，理性认识可以分为概念、判断和推理三个阶段。 基于此解释，我们如 何界定和操作“物理观念”呢？
2. “观念”一词的逻辑学涵义
按照《辞海》对“观念”的第一种解释———“观念”即思想，那么，“观念”就是逻辑学中的“纯粹理念”。 所谓逻辑学，即关于思维形式及其规律的学科。 所谓“纯粹理念” 就是思维的活动和它的产物。 思维能产生思想，而且能产生它所需要的特定思想。 所以，能够产生“观念”。 逻辑学是指导人们掌握正确的思维方法的学科。 因为“纯粹理念”就是人类大脑思维的最抽象的要素所形成的理念，即“观念”。 如果没有逻辑学，人类就不能够寻找到真理。 因此，“观念” 产生、发展和更新必须借助于逻辑学。 由此，我们如何基于逻辑学界定和操作“物理观念”呢？
3. “观念”一词的语言学涵义
观念在《现代汉语词典》 有两种解释：一是“观念”即思想意识，比如，破除旧的传统观念；二是“观念”指客观事物在人脑里留下的概括的形象（有时指表象）。 比如，“某某观念”根深蒂固。也就是说，首先，“观念”属于意识范畴，因此它是主观的。 而且观念形成后，它对一个人的言行的指导应是下意识的，不需要特意思考。 其次，“观念”的形成是对客观事物形象的概括，这里客观事物的来源非常广阔，人长期生活学习的所见所闻所做都属于此范畴。 因此“观念”会发展变化。
总体而言，“观念” 既反映了客观事物的属性，又具有主观性。 由此，我们如何界定和操作“物理观念”呢？
4. “观 念”一词的社会学涵义
一方面，《辞海》 （２０１０ 年版） 第一种解释是把“观念” 定位于理性认识。 从广义的理性认识角度，社会存在决定人们的思想。 人们的思想具有相对独立性，可以成为观念形态，构成社会意识形态。 观念形态一旦成为社会意识形态，就会对社会存在反作用。 “正确的思想一旦为群众所掌握，就会变成巨大的物质力量” 就是这个道理。
另一方面，个体的“观念”是其对事物的主观与客观认识的系统化之后的集合体。 人们会根据自身的观念进行各种活动。 比如，利用观念体系对事物进行决策、计划、实践和总结等活动，从而不断丰富活动内容（生活、学 习和研究）和提高生产实践水平。 所以，观 念具有主观性、文化性、实践性、历史性和发展性等特点。 由此，我们如何界定和操作“物理观念”呢？
综上所述，观念是人们对事物的主观与客观认识的系统化之集合体，是人们根据自身主客观环境形成和进行的各种活动的阶段性总和。 观念具有主观性、实践性、文化性、历史性、发展性和局限性等特点。
三、必须为物理新课程中的“物理观念”正名
何为物理新课程实践中的“物理观念”？ 我们应该从哲学、逻辑学、语言学及社会学的角度出发，以物理学理论的起源、建立和发展历史脉络为依据，结合认知心理学相关理论和物理教育教学规律，才能够厘清“物理观念”的范畴和内涵。
1. “ 物理观念”的局限性
由于人类文化发展阶段的局限性，许多错误的“自然哲学观念”在物理学漫长的发展历程中发挥了巨大的作用。
亚里士多德关于“重的物体比轻的物体下落得快”就是一个经典的错误的“物理观念”。 从哲学的角度，在伽利略时代之前，这就是一条人们信服的科学规律。 其一，亚里士多德的主要研究方法是思辨和直觉，因为那个时代并没有科学研究的成熟方法，比如实验方法、数学方法等，大部分只是睿智思辨的推理；其二，后人及伽利略主要也是通过逻辑学的思辨方式与亚里士多德进行“对话”，通过“轻重物体绑在一起” 来证明亚里士多德的结论是自相矛盾的。 伽利略得出自己的正确推理之后，他才通过实验向公众宣传自己的正确的结论；其三，当下教科书和一些文章拿亚里士多德的错误观点来调侃古代哲人智慧，这是不严肃的。亚里士多德并没有进行系统的实验研究，而是集直觉、逻辑思辨推理和实际的物理情景观察得出的结论，所以，“物理观念” 的形成是一个历史文化过程，不能用现在规范的科学思维程序去解读。
亚里士多德还有一个经典的错误“ 物理观念”：“力是维持运动的原因”。 因为当时的西方也没有形成科学研究的规范方法，甚至运动状态是否可以用“速度”来描述都不是很清楚，更谈不上关于物体运动本质的正确“物理观念”。
2. “物理观念”的文化性
文化性，是人类物质和文明成果传导、融合要素的沉淀。 文化性连接承启、扬弃、传导、播撒、创建和集成特质。 可以说，作为量子物理学基石的“波粒二象性”是最具有文化特质的“物理观念”。
一直伴随和困扰人类的最大难题之一是光的本性：光到底是什么？ 惠更斯用“次波”的物理观念解释光现象，牛顿用“机械粒子”的物理观念解释光现象，这两种“物理观念” 在解释光的传播、反射、折射和衍射现象时都不完美，甚至互相矛盾；托马斯·杨用双缝干涉确信光是“波动”的物理观念，第一次波粒之争，以“粒子说” 失败而告终；１９００ 年，普朗克首先提出热辐射“量子假设”物理观念；１９０５ 年，爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释，试图重建光是“粒子” 的物理观念；１９２３ 年，康普顿在研究 ｘ 射线散射的实验时，从光子与电子弹性碰撞的角度对此实验现象进行了圆满的解释，人们不得不承认光波同时具有波和粒子的双重性质。 所以，１９２４ 年德布罗意提出“物质波”假说，认为一切物质，和光一样都具有波动性和粒子性的双重特性。 “光到底是什么”就是这样一个最基本而又最神秘的“物理观念”，使人类在不断探究的漫长艰苦的过程中，不断地更新和发展自己的物理观念，直到 ２０ 世纪初，终于形成了“波粒二象性”的物理观念。
3. “物理观念”的历史性
我们再从历史的角度，审视人们是如何建立和更新某些“物理观念”的。
波动光学：惠更斯的“次波”：→托马斯·杨的“介质波”→菲涅尔的“弹性横波”→麦克斯韦的“以太电磁波”→普朗克的“分立谐振子”（爱因斯坦将其理解为“光量子” ）→薛定谔和波恩的 “概率波” →德布罗意提出“物质波”……
这与其说是物理学的发展，不如说无一不是“物理观念” 的建立、更新和发展。 而且，无论是 惠更斯的“次波”、托马斯·杨和菲涅尔的“弹性横波”，还是麦克斯韦的“以太介质波”，其“物理观念”都是不正确的。 “概率波” 部分正确， “物质波”需要继续更新和发 展。电磁学：静电与静磁→１８２０ 年奥斯特电流磁效应→１８２６ 年安培分子电流假说→１８３１ 年法拉第电磁感应定律→１８６１ 年麦克斯韦位移电流假说→１８６５ 年麦克斯韦电磁理论（２０ 个方程 ）→ １８９０ 年赫兹简化为四个对称方程……。 在 １８２０年之前，人们具有理所当然的“物理观念” ：静电与静磁是两个独立的物理现象。然而，奥斯特电流磁效应不仅打破了这种形而上学的 “ 物理观念”，而且首先启迪了人类的哲学观念 ———自然现象是相互联系的；启迪了人类的逻辑观念 ——— 对称思维或逆向思维：既然“电”可以生“磁”，那么，“磁”是否可以生“电”？ 从而建立了“电磁感应”这一划时代的物理观念。
4. “物理观念”的逻辑性
“物理观念”的逻辑性在于，某些物理观念完全符合实验规律，但是有些物理观念却不可能完全通过实验来证明。
１８６５ 年，麦克斯韦电磁理论虽然完善了光学学科重要的物理观念：光的电磁波说。 但是却暴露了两个重大逻辑矛盾：其一，光速与参考系无关；其二，按照介质波的物理观念，如此高速的弹性横波怎么可能在真空和空气中传播？ 爱因斯坦正是寻着“光的电磁说”这一物理观念中的两个巨大漏洞，建立了狭义相对论，提出了“光速不变原理”和“狭义相对性原理”两大物理观念。 狭义相对论时空观彻底更新了人类对宇宙的认识。
5. “物理观念”的实践性
所谓实践性，是指人们在创造性思维的过程中，必须结合实践，或必须以实践活动为基础，在实践中检验思维成果是否正确，同时促进思维成果的进一步发展。“电子”的发现冲 击了原子是不可分的最小的物理观念。卢瑟 福的 α 粒子散射实验建立了 “ 原子的核式结 构”模型，原子的核式结构的物理观念奠定了 量子力学的物理事实基础。“质能守恒” 物理观念是狭义相对论的基石，其公式为Ｅ＝ｍc２。关于质量和能量之间的关系，在经典力学中该“物理观念” 的内涵是：其一，质量和能量之间是相互独立、没有直接关系的；其二，质量是基本量，能量是导出量，也可以说：质量决定能量。 但在狭义相对论力学中，我们不得不更新：其一，质量和能量之间不是相互独立的，质量和能量是相互依存的；其二，能量是基本量，质量才是导出量，即能量决定质量。 也就是说，能量和质量是物体力学性质的两个不同方面。 爱因斯坦指出： “ 如果有一物体以辐射形式放出能量 ΔＥ，那么它的质量就要减少Δｍ ＝ ΔＥ ／ ｃ２ 。至于物体所失去的能量是否恰好变成辐射能，在这里显然无关紧要，于是这样一个更加普遍的结论被引上来：物体的质量是它所含能量的量度。”———这显然是一种新的“物理观念”。 “质能守恒” 的深刻哲学意义在于：其一，质量决定能量表明物体系的惯性质量和能量以同一种东西的姿态出现，我们无法明确地区分体系的真实质量和表观质量；其二，任何惯性质量都可以理解为能量的一种储藏；其三，原来在经典力学中彼此独立的质量守恒和能量守恒定律结合起来了，构成了统一的质能守恒规律，深刻地反映了物质和运动的统一性。 其四，清晰简单地解决原子能核反应的能量转换问题。
6. “物理观念”的主观性
所谓主观性，即以主体自身的需求为基础去看待客体、对待客体。 其是客观存在经过主体内化以后的观念的存在形式。 物理学时空观念的演变最能够反映“物理观念” 的主观性。 时间与空间作为物理学中两个基本的概念，从古至今，一直是哲学各流派从各自主观的角度进行关注与探讨的对象。 而物理学时空观与哲学时空观的主要区别在于前者带有明显的“相对性”，即随着物质分布层次的深入（宏观到微观） 或拓展（宏观到宇观）以及运动状态的改变（由低速到高速运动）， 物理时空观必定不断进行变革，越来越反映实际， 但每一个相应的时空观都有其适用范围，可以说物理时空观这个“物理观念” 的历史演变带有明显的主观性。最古老的物理学时空 观包括：空间：上下四方谓之“宇”；时间：古 往今来谓之“宙”。物理学的旧时空观：盖天说—地心说。 公元前３世纪—公元1４世纪， 认识到地球是圆的，位于宇宙中心；以月球为界，宇宙分为两个部分；依次排列月球、水星、金星、太阳火星、土星等；物理学的经典时空观：哥白尼—日心说。 不仅仅是坐标系的变更———描述的简洁化———展示了太阳系的结构。牛顿力学时空观：一切力学规律在惯性参照系下都是等价的。适用于宏观低速领域。爱因斯坦的狭义相对论的时空观：一切物理规律在惯性参照系下都是等价的。 适用于宏观高速领域。 爱因斯坦的广义相对论的时空观（非惯性系与引力场等价）：进一步发展了“ 宇宙无中心” 的观点——— 等效原理；补充了时空观念依赖于物质分布的相对性———引力场方程；补充了时空结构与物质分布的关系———空间弯曲。
这些“物理观念”，从学生学习的角度看，包含许多物理概念、规律、原理等；从研究者的角度看，包含物理学家丰富的主观创造性。
四、新课程实践中关于“物理观念”的误读
如上所述，其一，因为修改稿对“物理观念”的描述的宏观性———相当于辩证法范畴的层面， 一方面引起了对其内涵的热议，另一方面导致其内容属性理解存在巨大差异；其二，修改稿中的 “物理观念”是作为物理核心素养的重要要素出现的，而物理核心素养是以取代三维目标呈现的。所以，造成了中学物理教学设计中把物理概念、规律、实验结果、方法论统统作为“物理观念”；或者干脆倒回到 ２０ 世纪单一的知识目标，即全然没有物理学科的教学目标了；或者索性只写双基目标，把三维目标也丢了。 ① ② 不可否认，一些物理教师的物理学理论素养的缺失是新课程实践中“物理观念” 误读的主要原因。 这是一个不容忽视的现实问题。
1. 将“物理观念 ” 等同于知识教学目标
实验稿的三维目标是微观（课时）教学目标，那么“物理观念”是物理教学的微观（课时）教学目标吗？
从前面的讨论可知，“物理观念”既不是微观（课时）物理教学的教学目标，也不是每个知识点的具体的教学目标，而是一种物理思想，是物理学科教学的宏观教育的长期目标。 或者说就像启发式教学一样，是一种教学理念，是教学活动都应该执行或体现的。 也就是说，“物理观念”是物理教师在相关物理知识（点、单元、学科） 的教学过程（可能需要相当长的教学时间） 中必须始终贯穿和扎实贯彻的一种教育指导思想。 ①
2. 将“物理观念”等同于物理概念
“物理观念”绝对不是“物理概念”。它们既不是包含关系，也不是从属关系，虽然它们有交集。 首先，概念是同类事物具有的共同、本质的属性，概念都有其明确的内涵和外延，而且内涵与外延是遵守反变关系的。 其次，物理概念是某类物理现象和物理过程的共同性质和本质特性在人们头脑中的反映，是对物理现象、物理过程抽象化和概括化的思维形式。 再次，概念是主观的思维形式。 最后，物理概念是单个形式的。从物理教学的角度看，物理概念的形成需要具备三大要素：一是概念形成的基础（感知活动、观察实验、经验事实）；二是概念形成的形式（概念结构、数学结构、知识结构）；三是概念形成的方法（问题解决、科学方法、观察证实）。 大多数物理概念具有定量的性质，它总是与数学和测量 联系在一起。当然，从认知过程角度看，物理观念的形成与物理概念的形成有一定的联系。 物理概念反映着人类对物质世界漫长而艰难的智力活动历程，物理观念和物理概念都是观察、实验与科学思维相结合的产物。②
3. 将“物理观念”等同于物理规律
“物理观念” 不是物理规律，也不是物理原理，更不是物理实验现象。 物理规律包括定律、定理、原理和定则等，是物理现象或物理过程在一定条件下发生、发展和变化的必然趋势及其本质联系的反映。 物理规律是客观的 ，是无条件的；物理概念是主观的，是有条件的。物理规律反映相关物理概念之间的必然联系。 当然，从认知过程角度看，物理规律的发现与物理观念形成有必然的联系，其是物理观念形成的基础。 人们在纷繁复杂的物质世界中，把握事物的本质特征，使之成为物理思维的基本单位和有力工具。 借助物理观念这种概括化的思维形式，人们找到了支配复杂的物质世界的简洁完美和高度概括化的思维形式———物理规律，建立了物理学的理论和方法体系。③
4. 中学的物理教学研究中值得商榷的一些倾向
物理概念的教与学具有阶段性，这是一 条显而易见的物理教学原则。但是有学者从 观念构成和综合性角度，提出“子观念”：“子观念”也具有一定综合性，“子观念” 形成之前，应该是学习物理知识后对一些问题的零散的观点。 从物理知识到物理观念，应该经过 这样的过程：物理知识→观点→ 子观念→ 物 理观念。从物质观、运动与相互作用观、能量观三大物理观念中分出子观念，再从子观念中分出由哪些观点组成，最后将观点落实到具体的物理知识上。 笔者认为，这是将简单问题复杂化了，在基础教育的教学研究中不应 当提倡。 其偏离了物理学科教育的规律，泯灭了青少年的物理学习兴趣，毁掉了青少年的物理潜质。又比如，有学者从“观念具有层次 性” 角度提出：能量观可以分为能量普适观、能量多样观、 能量转化观、能量量度观、能量守恒观、节能环保观。 这些子观念继续分化出观点，如能量转化观可以分为能量转化的方式、 能量转化的方向性、能量转化的快慢、能量转移等。 有学者依据逻辑学方法指出：其实子观念不一定直接分为观点，根据需要，子观念有时也可分出次级子观念。 如能量多样观，可以分为能量分类的多样性和种类的多样性两个次级子观念，在种类多样性中才具体到机械能、电能、动能、势能这些观点。 这是对逻辑学中某些名词的混淆，因为机械能、电能、动能、势能等是典型的基本的物理概念，不是“观点”，而且与“物理观念”相去甚远，这些基本物理概念是学生学习物理电学知识、夯实物理学习的基础，而且是其形成物理观念的基础。
五、结论
很显然，物理观念就是物理学范畴的观念。其内涵就是人类关于物理哲学中文化、历史、逻辑、科学（一段时间内不一定正确） 的观念；物理观念不等同于物理概念、物理规律、物理原理、物理实验现象。 物理观念的形成不是某个单一物理知识点（甚至一个单元）的学习就可以实现的，而且中学生的物理学习不可能从哲学、逻辑学、语言学及社会学的角度领会“物理观念”的涵义，其恰恰应当是我们物理教育者必备的素养。
因此，中学物理的教与学，是逐步地形成“初步的不完备的物理观念”。 而“初步的不完备的物理观念”的形成是中学生一段（长） 时间内，在具备扎实物理学理论素养的教师的教学主导下，在物理知识（概念、规律、原理、实验、应用） 亲历的学习进程中，在学生慢慢地自我感悟（逻辑加工的内化）中，在与其他学科学习的对比中，逐步地形成初步的零散的准物理观念。
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