“質(zhì)量”概念學(xué)習(xí)進階的初步研究

安 秋 王長江

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

1 問題提出

通過中國知網(wǎng)(China National Knowledge Infrastructure, CNKI)對關(guān)鍵詞“質(zhì)量”和“物理”進行高級檢索，發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于“質(zhì)量”概念的研究主要表現(xiàn)在質(zhì)量概念的演變、質(zhì)量概念的教學(xué)、質(zhì)量概念的分支研究等幾個方面，但對于質(zhì)量概念學(xué)習(xí)進階的研究還未曾出現(xiàn).“質(zhì)量”是物理學(xué)科的基本概念之一，在物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)等學(xué)科以及生產(chǎn)、生活中應(yīng)用極廣.在物理學(xué)發(fā)展的進程中，“質(zhì)量”的概念是不斷演變的，并且不斷演變的“質(zhì)量”概念均有學(xué)習(xí)研究的意義，因此，“質(zhì)量”概念作為中學(xué)物理學(xué)科的基礎(chǔ)內(nèi)容和重要內(nèi)容，在中學(xué)物理學(xué)科教學(xué)內(nèi)容中具有占比較大、應(yīng)用極廣的特點，是學(xué)生學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容.在“學(xué)習(xí)進階”作為科學(xué)教育研究中的熱點議題的教育背景下，以學(xué)習(xí)進階為研究方法對我國中學(xué)物理教學(xué)中的“質(zhì)量”概念進行研究，能夠發(fā)現(xiàn)我國中學(xué)物理教育中“質(zhì)量”概念的相關(guān)學(xué)習(xí)進階路徑劃分.那么現(xiàn)有中學(xué)物理學(xué)科教學(xué)安排是否符合學(xué)生的認知發(fā)展？若不符合又有怎樣的改進方法？這些將是中學(xué)物理教育研究者共同面臨的問題.

2 研究背景

2004年學(xué)習(xí)進階第一次在科學(xué)教育領(lǐng)域被正式提出.[1]學(xué)習(xí)進階(Learning Progressions)是指學(xué)生在一個領(lǐng)域內(nèi)，從初級到高級的思維發(fā)展過程中，與核心思想和原則相關(guān)的思維發(fā)展過程模型.[2]學(xué)習(xí)進階的研究主要集中在數(shù)學(xué)教育和科學(xué)教育領(lǐng)域.[3]越來越多的研究表明，學(xué)習(xí)進階可能成為指導(dǎo)教師以引出、解釋和回應(yīng)學(xué)生想法的有效工作手段.[4]學(xué)習(xí)進階的理念已經(jīng)在一些國家的教育部門和商業(yè)實體中得到了廣泛的歡迎，并產(chǎn)生大量的檢查與評估關(guān)于教師使用學(xué)習(xí)進度證據(jù)的工具，如伯克利評價研究系統(tǒng)(Berkeley Evaluation and Assessment Research)評估系統(tǒng)以及相應(yīng)的試卷質(zhì)量分析軟件Bond & Foxsteps、Wright map等、[5-6]基于模型的探究法(Model-Based Inquire Approach).[7]另外，Wilson 2009年就學(xué)習(xí)進階框架的開發(fā)流程從定量測量的角度進行了介紹，并指出相應(yīng)的研究步驟為從構(gòu)建學(xué)習(xí)進階框架、到開發(fā)測試題目、到確定結(jié)果空間、到形成實證證據(jù)、再到構(gòu)建學(xué)習(xí)進階框架的循環(huán)過程.[8-9]

關(guān)于學(xué)習(xí)進階主題的確定在教育界中眾說紛紜，有學(xué)者認為，并不是所有的科學(xué)概念都可以作為進階變量，進階變量必須是核心概念或核心實踐能力；[10]還有學(xué)者認為，學(xué)習(xí)進階是對概念的進階研究.[11]筆者在研究學(xué)習(xí)過程中追根溯源，發(fā)現(xiàn)早在2007年，美國國家研究委員會(National Research Council)發(fā)表文章提出在科學(xué)中，學(xué)習(xí)進階被定義為“對于一個可以作為學(xué)生長期學(xué)習(xí)的主題，學(xué)習(xí)進階就是對學(xué)生在學(xué)習(xí)這個主題過程中產(chǎn)生的連續(xù)且越來越復(fù)雜的思維方式的描述”.[12]

綜上，學(xué)習(xí)進階的研究對象并不唯一確定，可以是基本概念或者是核心概念，也可以是一門學(xué)科或?qū)W科分支，表現(xiàn)為一個具有伸縮性的主題.作為學(xué)習(xí)進階的主題選取方面，需要考慮兩個方面的特點：學(xué)習(xí)時間較長、學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的思維方式有發(fā)展變化.以物理學(xué)史為研究依據(jù)，“質(zhì)量”作為一個物理概念已經(jīng)具有很長一段時間研究的歷史背景，并且其概念具有發(fā)展變化的特點，應(yīng)用十分廣泛.下面將以我國中學(xué)物理(7年級-12年級)“質(zhì)量”概念為研究主題，進行相關(guān)的學(xué)習(xí)進階探究.

3 物理學(xué)史中質(zhì)量概念的進化

質(zhì)量是物理學(xué)研究對象之一.在物理學(xué)史中，“質(zhì)量”概念主要歷經(jīng)了多次演變，通過閱讀喬際平先生的《重要物理概念規(guī)律的形成與發(fā)展》一書發(fā)現(xiàn)，17世紀20年代、17世紀80年代和20世紀初3個時間段對質(zhì)量概念的發(fā)展有著里程碑性的意義.其中具有代表性的弗蘭西斯·培根、艾薩克·牛頓和阿爾伯特·愛因斯坦3位物理學(xué)家通過細心研究和歸納，分別提出了質(zhì)量、靜質(zhì)量、引力質(zhì)量、慣性質(zhì)量以及動質(zhì)量的相關(guān)質(zhì)量概念，對這些“質(zhì)量”概念做了具體描述.[13]尤其是牛頓的靜質(zhì)量、引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量等“質(zhì)量”概念，是支撐經(jīng)典力學(xué)大廈的有力根基，對現(xiàn)代社會科技的發(fā)展具有十分重要的作用；而愛因斯坦關(guān)于動質(zhì)量概念的提出，更是為未來科技的發(fā)展和高速運動物質(zhì)的探索提供了寶貴的理論基礎(chǔ).另外，“質(zhì)量”概念的發(fā)展在歷經(jīng)多次科學(xué)家的探索后，又做出了其他補充，1881年J.J.湯姆生首次提出帶電體應(yīng)具有更大的質(zhì)量，后來人們用“電磁質(zhì)量”表示這部分增加的質(zhì)量.隨后，1904年洛倫茲得到電子質(zhì)量與速度之間的關(guān)系.[14]

物理學(xué)家對質(zhì)量的研究不僅僅局限于概念的探索，在對基本粒子(如電子、α粒子等)質(zhì)量的測量和不同變化過程中質(zhì)量所遵守的規(guī)律(如質(zhì)量守恒定律、質(zhì)能方程等)等方面均有所涉獵.因此，“質(zhì)量”概念具有強的知識遷移能力，具有極大的學(xué)習(xí)和研究價值.下面將以時間軸的順序?qū)Α百|(zhì)量”概念在物理學(xué)史中的發(fā)展做出相應(yīng)的梳理(表1).

4 現(xiàn)行教材中質(zhì)量概念的呈現(xiàn)順序

我國中學(xué)生(7年級-12年級)對質(zhì)量概念的認知演變，可以從我們的基本教學(xué)干預(yù)參考——教科書和課程標準中尋找出基本路徑.隨著基礎(chǔ)教育的改革推進，“一綱多本”是我國教育發(fā)展的現(xiàn)狀，課程標準方面，本著與時俱進的教學(xué)環(huán)境需要，筆者將選取《義務(wù)教育物理課程標準》(2001年版)和《普通高中物理課程標準》(2017年版)作為研究對象；教科書方面，根據(jù)教科書的適用范圍廣度和普及度，筆者將選取2012年初中、2010年高中人教版物理教材作為研究對象，對“質(zhì)量”概念的學(xué)習(xí)要求和內(nèi)容編排進行梳理.

表1 質(zhì)量概念的演變

階段1：初一年級.

根據(jù)我國教育安排，7年級的學(xué)生還沒有開設(shè)物理學(xué)的相關(guān)課程學(xué)習(xí)，這一階段的學(xué)生處于物理教學(xué)干預(yù)之前.由于“質(zhì)量”這一概念與現(xiàn)代生活和學(xué)習(xí)的緊密聯(lián)系，學(xué)生會受生活經(jīng)驗和其他學(xué)科知識的影響，形成一定的與“質(zhì)量”概念相關(guān)的前概念.對這一年級學(xué)生對“質(zhì)量”概念進行前概念測查，有助于了解學(xué)生的社會綜合學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，有助于發(fā)現(xiàn)學(xué)生的迷思概念，從而為教師教學(xué)提供學(xué)情參考，輔助教學(xué).

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在小學(xué)人教版義務(wù)教育教科書數(shù)學(xué)3年級上冊的學(xué)習(xí)過程中學(xué)習(xí)認識了“質(zhì)量”的單位“克、千克、噸”及換算；[15]在日常生活中，學(xué)生比較易于接觸和了解到“兩、斤”等質(zhì)量單位；“重量”與“質(zhì)量”混用等等情況都存在于學(xué)生對“質(zhì)量”的前概念之中.

階段2：初二年級.

依據(jù)《義務(wù)教育物理課程標準》對初中物理學(xué)科課程目標的要求，8年級學(xué)生在學(xué)習(xí)完相關(guān)內(nèi)容后，應(yīng)做到認識“質(zhì)量”，包括基本概念“物體所含物質(zhì)的多少叫做質(zhì)量”和單位；[16]會用簡單的實驗儀器測量“質(zhì)量”的大小；能對物質(zhì)做出相關(guān)“質(zhì)量”的描述.其中，將“用天平測量物體的質(zhì)量”設(shè)置為學(xué)生必做實驗之一.[17]

查閱8年級物理教科書，8年級上冊第6章將“質(zhì)量”作為一級主題，對“質(zhì)量”進行概念、符號表示、單位、測量、計算、簡單運用6個方面進行一章的系統(tǒng)闡述，8年級下冊第7章探究了重力與質(zhì)量的關(guān)系，第8章簡單介紹了慣性，并沒有深入探究慣性與質(zhì)量間的聯(lián)系，第10章介紹了浮力與質(zhì)量間的聯(lián)系，第11章介紹了能與質(zhì)量間的聯(lián)系.

階段3：初三年級.

結(jié)合《義務(wù)教育物理課程標準》，9年級學(xué)生對“質(zhì)量”概念并沒有相應(yīng)的變化與發(fā)展，屬于在8年級學(xué)習(xí)到的“質(zhì)量”概念基礎(chǔ)上，加以運用和遷移.通過翻看相應(yīng)的9年級物理教科書，能夠發(fā)現(xiàn)內(nèi)能、比熱容、熱值等與“質(zhì)量”概念相關(guān)的知識安排.

階段4：高一年級.

由于新版課標《普通高中物理課程標準》(2017年版)已頒布而新版教材還未使用，筆者將以新課標新思想來探究現(xiàn)用教材，對其中的“質(zhì)量”概念相關(guān)表述進行梳理.新課標強調(diào)要以發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)為教學(xué)宗旨，注重對物理概念本質(zhì)的探索、研究與學(xué)習(xí).因此，對于“質(zhì)量”概念需要有深入性的研究發(fā)展.

翻看高中物理必修1，發(fā)現(xiàn)在第4章牛頓運動定律中對“質(zhì)量”概念做出新表述，將質(zhì)量定義為“描述物體慣性的物理量”,并且介紹了“動力學(xué)方法測質(zhì)量”的新方法，[18]高中物理必修2中，第6章萬有引力與航天相關(guān)內(nèi)容介紹了“引力質(zhì)量”和萬有引力定律，是稱量天體質(zhì)量的有效方法.

階段5：高二年級.

根據(jù)我國高中物理教育采取的“必修+選修”的課程結(jié)構(gòu)，高中學(xué)生一般在高二年級完成物理選修部分知識的學(xué)習(xí).選修電學(xué)部分(3-1，3-2)只介紹了電子質(zhì)量的大小，對“質(zhì)量”概念的發(fā)展并沒有相關(guān)表述，熱學(xué)部分(3-3)也屬于對原“質(zhì)量”概念的應(yīng)用部分，相對論部分(3- 4)提出了“相對論質(zhì)量”也叫“動質(zhì)量”并指出“物體運動時的質(zhì)量m總要大于靜止時的質(zhì)量m0”，[19]原子物理部分(3-5)提出了“質(zhì)量”概念的遷移概念“質(zhì)量數(shù)”，以及在介紹結(jié)合能時提出質(zhì)量虧損.

階段6：高三年級.

高中三年級對學(xué)生來講是復(fù)習(xí)與沖刺的階段.這個階段對學(xué)生學(xué)業(yè)質(zhì)量水平的要求要達到較完備的水平，學(xué)生對“質(zhì)量”概念應(yīng)形成系統(tǒng)的認識，以及對其遷移概念、規(guī)律要學(xué)會理解與運用.

通過按教學(xué)時間階段的劃分，可以看出我國物理教育對“質(zhì)量”概念預(yù)期的學(xué)習(xí)進階路徑如表2.

表2 現(xiàn)行教材安排“質(zhì)量”概念學(xué)習(xí)進階路徑

5 “質(zhì)量”概念學(xué)習(xí)進階的層級再劃分

以上對現(xiàn)行人教版中學(xué)物理教材中“質(zhì)量”概念學(xué)習(xí)進階安排的路徑分析是以學(xué)年劃分的.可以看出初中階段(7-9年級)對“質(zhì)量”概念的學(xué)習(xí)進階層級安排跨度較小，而高中階段(10-12年級)對“質(zhì)量”概念的學(xué)習(xí)進階層級安排跨度較大.這也造成大部分學(xué)生認為在從中學(xué)階段上升到高中階段時，對物理學(xué)科學(xué)習(xí)的認知跨度較大，從而對物理學(xué)科失去學(xué)習(xí)的希望.因此，從學(xué)生的認知角度出發(fā)，現(xiàn)行人教版物理教科書關(guān)于“質(zhì)量”概念的教學(xué)安排還有改進與提高的空間.

下面筆者將結(jié)合學(xué)習(xí)進階的相關(guān)研究對中學(xué)物理教學(xué)中質(zhì)量概念的教學(xué)安排進行分析.我國有關(guān)學(xué)習(xí)進階研究專家郭玉英、姚建欣等人在經(jīng)歷一系列有關(guān)學(xué)習(xí)進階的研究過程后，提出科學(xué)理解的進階發(fā)展層級：事實經(jīng)驗、映射概括、系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，為進階變量的確定提供了重要參考.[20]在考慮學(xué)生學(xué)習(xí)知識、建構(gòu)物理觀念時的系統(tǒng)與完整，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，搭建事實與經(jīng)驗、經(jīng)驗與映射、映射與概括、概括與系統(tǒng)、系統(tǒng)與關(guān)聯(lián)、關(guān)聯(lián)與整合6層學(xué)生學(xué)習(xí)理解物理概念與形成物理觀念的學(xué)習(xí)進階層級，并將“質(zhì)量”概念重新以質(zhì)量的“經(jīng)驗”、“宏觀”、“實驗”、“推理”、“微觀”、“聚合”6層表述來進行再劃分，構(gòu)建新型“質(zhì)量”概念學(xué)習(xí)進階研究路徑，具體劃分情況如表3.

表3 “質(zhì)量”概念學(xué)習(xí)進階的初步制定

續(xù)表

6 小結(jié)

本文通過對“質(zhì)量”概念的物理學(xué)史發(fā)展分析、“質(zhì)量”概念的中學(xué)物理教科書教學(xué)安排分析、“質(zhì)量”概念的學(xué)習(xí)進階分析，制定了初步的“質(zhì)量”概念學(xué)習(xí)進階模式.在后續(xù)的工作中，筆者將進行相應(yīng)測試問卷的編制，并確定結(jié)果空間，然后回收測試結(jié)果，對質(zhì)量概念的學(xué)習(xí)進階模型加以修正.