以核心素養(yǎng)為課程靈魂，構建高水平初中物理課程

劉玉斌

南開大學物理科學學院，天津 300071

我國義務教育課程方案和物理等16個課程標準的修訂工作歷經(jīng)3年完成，2022年3月25日教育部印發(fā)了《義務教育課程方案》和《義務教育物理課程標準（2022年版）》[以下簡稱“物理課標（2022年版）”]等16個課程標準，新修訂的課程方案和課程標準在2022年秋季學期已經(jīng)開始執(zhí)行。物理課標（2022年版）以學生發(fā)展為本，以物理觀念、科學思維、科學探究和科學態(tài)度與責任作為核心素養(yǎng)的主要內涵[1]，在依托物理學知識的傳授、聚焦能力培養(yǎng)的同時，高度重視對全體學生世界觀、人生觀和價值觀的塑造。

義務教育物理課程在我國的教育體系中具有非常重要的地位和作用。一方面，從學生知識學習視角看，它是小學科學課程的繼續(xù)和深化，是應用數(shù)學對自然界物質運動及其相互作用規(guī)律半定量以及定量的學習，因其在對自然界物質運動及其相互作用規(guī)律的描述和理解方面具有鮮明的特點，它在我國國民科學素質培養(yǎng)方面的地位極為重要；從課程體系構建方面看，它是其他課程無法代替的。另一方面，它是高中物理教育的基礎，為實現(xiàn)高中學科核心素養(yǎng)提供了不可缺少的支撐和保障，同時也為進入職業(yè)高中學習的學生提供了來自自然科學方面的核心素養(yǎng)。

物理學是在人類對自然的研究過程中發(fā)展起來的，從古希臘的亞里士多德將自然科學研究從哲學研究的范疇中分離出來開始，人們對自然科學的探索逐漸形成了獨特的方法。16世紀的伽利略將實驗引入物理學研究，完善和凝練了經(jīng)典物理學的一般研究方法，該研究方法也成為其他自然科學的重要研究方法。而與伽利略幾乎同一時期的弗朗西斯·培根，在關于科學研究的論述中也認為“科學是通過歸納、分析、比較、觀察和實驗等方法，將經(jīng)驗與實驗結果結合起來”，同時提出了科學規(guī)律的建立需要經(jīng)過實驗驗證。目前，關于科學的基本描述是：科學是人們認識世界的知識體系，這個知識體系是建立在公理（或稱為第一性原理）基礎之上的，它需要經(jīng)過嚴格的邏輯演繹和數(shù)學推理，而且科學理論一定要被當時最高精度的實驗驗證是正確的。物理課標（2022年版）關于核心素養(yǎng)的主要內容正是集中體現(xiàn)了科學在觀念、思維、探究等方面的邏輯和研究歷程，是培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)不可替代的課程。

目前，基于物理課標（2022年版）新要求開展的義務教育物理課程的研究已全面啟動。這些研究主要涉及如下幾個方面：一是關于教學理念的調整，二是關于課程內容的重構，三是關于教學方法的創(chuàng)新，四是關于教學評價的深化和體系的建立，五是關于考試與評估方法的改革等。這些研究將促進我國義務教育物理課程發(fā)生根本變化。物理課標（2022年版）對物理教師提出了新的要求，它要求物理教師要高度重視課程設計與規(guī)劃，站在義務教育全過程的角度設計一個學年或者一個學期甚至一個章節(jié)的課程。在課程設計、規(guī)劃和實施過程中，首先，要高度注意核心素養(yǎng)各個方面并不是完全獨立或相互無關的，它們是有機的整體，不能人為割裂，要統(tǒng)籌考慮；其次，除需要重點考慮物理課標（2022年版）的新要求之外，還要全面考慮地域和學校特點，考慮學生心理和生理發(fā)展實際等，全面、科學、合理設計和規(guī)劃課程。

1 物理觀念是構建課程的基礎

物理課標（2022年版）指出，物理觀念是物理概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，表現(xiàn)為客觀與主觀的統(tǒng)一[1]。物理學中的任何概念和規(guī)律的形成都不是一蹴而就的，是通過人們長期對事物的觀察，在不斷修正和調整的基礎上總結出來的。自伽利略開始，物理學逐漸形成了“通過對典型實驗的研究總結出一般規(guī)律，再應用這些規(guī)律解決未知問題”的研究模式。這種具有鮮明物理學特點的關于自然的研究模式，是自然科學的最主要方法，其中蘊含著豐富的科學哲學思想。在物理的發(fā)展過程中，科學家通過實驗不斷修正對自然及其運動規(guī)律的判斷，使概念和規(guī)律在不斷的修正中逐漸接近真理，接近自然的本質。這種觀察問題的獨特視角和研究問題的獨特方法，使得物理概念和規(guī)律具有物理學科自身的特點，是其他學科不可代替的。在初中物理課程教學中，概念和規(guī)律的教學是非常重要的內容，帶領學生思考，幫助學生在頭腦中形成關于對自然的觀念更為重要，這是物理觀念的主要內涵，也是其他學科教學無法代替的。

關于物理觀念教學，在課程設計和規(guī)劃過程中，要重視將著名科學家在構建物理概念、凝練規(guī)律過程中形成物理觀念的歷程有機融入教學中，引領學生形成物理觀念。具體來說，第一，使學生了解科學家在構建物理概念、凝練物理規(guī)律過程中的基本方法，這實際上是幫助學生掌握正確的科學方法；第二，帶領學生理解科學家在建立物理概念和規(guī)律時，不斷修正錯誤、不斷自我否定、不斷接近真理的探索過程，體驗物理概念和規(guī)律的發(fā)展特性，這對幫助學生形成正確科學觀非常重要；第三，引領學生感悟科學家對研究自然科學問題的濃厚興趣和為解決問題不懈努力的精神。例如，質量、速度概念等都是在總結前人研究結論的基礎上，通過不斷凝練、不斷發(fā)展形成的，如質量的概念、物質的質量是如何產(chǎn)生的等問題，一直到今天人們還在不斷探索中。而伽利略的斜面實驗及自由落體研究開啟了人們對科學研究從定性描述向半定量和定量研究的轉化，這也引導著人們不斷優(yōu)化科學研究方法。

2 科學思維是構建課程的核心

我們知道，科學是建立在基于經(jīng)驗和認識的公理基礎之上的知識體系。特別是自然科學，它在發(fā)展過程中，強調聚焦模型建構，應用數(shù)學工具，開展科學推理和論證，得到研究結論，并通過實驗驗證。這是科學研究的一般進程，也是普遍的研究方法。分析作為科學基礎的物理學，我們發(fā)現(xiàn)它主要表現(xiàn)為以下幾個特點：第一，有第一性原理作為基礎支撐理論體系的建立，因此我們知道任何物理規(guī)律都是有條件的；第二，物理規(guī)律的發(fā)展需要有嚴格的邏輯演繹和數(shù)學推理以及自洽的論證，這表現(xiàn)為物理規(guī)律的建立是需要有如哲學和數(shù)學語言一樣來進行描述；第三，每一個規(guī)律被認可的必要條件是經(jīng)過實驗驗證，在目前的實驗條件下被驗證是正確的，這也可以被稱為物理規(guī)律的實驗檢驗。

物理學在長期發(fā)展過程中，在關于物質的基本結構、相互作用和運動規(guī)律等領域建立了系統(tǒng)的科學理論，即使如此，這個理論目前還是一個有效理論，還沒有完備。一方面，目前物理學的理論作為一個有效理論，它是分層次的，我們不能用更小尺度層次上的理論代替更大尺度層次上的理論。例如，我們應用量子色動力學理論研究夸克及其由夸克組成的強子層次物質性質及其相互作用規(guī)律，但是我們不能將這個理論用于研究宏觀物質的性質及其相互作用。另一方面，根據(jù)目前的天文觀測推測，在宇宙的組成中，有70%左右是暗能量，有20%左右是暗物質，我們所能探測的世界只有4%左右。由此可見，自然界中還有很多物理學尚無法解釋和解決的問題。因此，在課程設計與規(guī)劃中，要將上述物理學的本質，通過知識作為載體，讓學生逐漸了解和領會，初步掌握科學思維的基本方法。這既是發(fā)展學生核心素養(yǎng)的核心，也是發(fā)展學生科學思維的核心，更是構建課程的核心。

例如，我們在初中物理課程中，雖然沒有系統(tǒng)介紹牛頓第一定律和慣性系等概念，但關于平衡（包括杠桿的平衡實驗、天平的質量測量實驗、彈簧秤關于重力的測量實驗等）問題的討論都是基于慣性系的，這個條件是一些規(guī)律建立的基礎。在課程設計與規(guī)劃中，通過典型實驗引導學生經(jīng)歷科學思維的主要環(huán)節(jié)，通過對不同問題的分析引領學生梳理科學思維過程的共同點和不同點。例如，杠桿的平衡實驗、天平的質量測量實驗、彈簧秤關于重力的測量實驗等有兩個共同點，一是這些實驗都被置于慣性系中，另一個是平衡；不同點是關于平衡的性質：杠桿的平衡實驗和天平的質量測量實驗中的平衡是非共點力的平衡（力矩的平衡），彈簧秤關于重力的測量實驗是共點力的平衡（二力平衡）。

在課程設計和規(guī)劃中，要讓學生了解到，物理學是在不斷自我否定中前進和發(fā)展的。例如，17世紀60年代建立的燃素說，雖然在當時可以解釋一些物質的燃燒現(xiàn)象，但在解釋金屬燃燒機制時卻遇到了困難；18世紀80年代發(fā)展的熱質說，可以很好地解釋更多物質的燃燒，不僅如此，熱質說極大推動了能量概念在物理學研究中的應用，進而推動能量守恒觀念的發(fā)展。雖然從現(xiàn)在的分子動理論角度看，基于連續(xù)物質分布觀念上的燃素說和熱質說是不正確的，但是這完全沒有影響這些學說對推動科學發(fā)展的作用。

在科學思維中，模型建構是非常重要的部分，它是表示事物的本質屬性和基本關系的過程。從科學角度說，科學研究是模型建構和通過構建的模型解決問題的過程。從初中物理課程看，模型建構是引導學生抓住事物（或物理過程）的主要因素，根據(jù)不同的具體問題，應用不同的方法，構建反映其本質特征的科學抽象過程。廣義地說，初中物理課程是一個建立在模型建構基礎上的課程，因此在課程設計與規(guī)劃過程中，要注重通過物理模型的建構培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。關于模型建構，有不同的分類，比較常見的有理想模型和理論模型等，按照研究目標（或稱為對象）、研究過程和實驗條件等我們可以對物理模型進行簡單分類。如從研究目標（或稱為對象）看，模型有質點、點電荷、點光源等；從物理過程看，有勻變速直線運動、穩(wěn)恒電流等；從實驗條件看，有輕質剛性桿、勻強電場等；從理想實驗模型看，有伽利略斜面實驗等。這些模型不但貫穿了初中物理課程學習的全部過程，也貫穿高中、大學甚至將來科學研究的全過程，學生在初中階段對模型建構的學習是高中、大學和進入社會工作的重要基礎。

物理課標（2022年版）中關于科學思維還包括科學推理、科學論證和質疑創(chuàng)新?？茖W推理是理論與實證相結合，通過運用歸納法、演繹法以及類比法等方法，經(jīng)歷如分析與綜合、抽象與概括等基本過程，學習關于對自然的認識?？茖W論證是基于科學證據(jù)的主張，通過邏輯演繹和推理，得到支持主張的過程。它的基本要素包括主張（觀點）、證據(jù)、推理（邏輯演繹）。質疑和創(chuàng)新是對現(xiàn)有結論和規(guī)律提出質疑、批判，進而提出創(chuàng)造性見解。大膽的質疑和科學的批判是創(chuàng)新的基礎。例如，物理課標（2022年版）在物質主題中，關于科學思維指出：知道建構模型是物理研究的重要方法，了解原子的核式結構模型；能通過實驗或實例，歸納總結物態(tài)變化過程中的吸熱、放熱規(guī)律；在歸納或演繹中會引用證據(jù)，養(yǎng)成使用證據(jù)的習慣；能運用物質的彈性、磁性、導電性等知識，對一些說法進行質疑，發(fā)表自己的見解[1]。因此，在物質主題的課程設計與規(guī)劃中，我們可以分析物態(tài)變化規(guī)律，經(jīng)過科學思維的典型過程，得到物體吸熱、放熱的基本規(guī)律。再如，在運動和相互作用主題的課程設計與規(guī)劃中，我們可以通過分析地球上物體下落和月球繞地球運動，經(jīng)過嚴格數(shù)學推理得到它們滿足相同的相互作用關系，即萬有引力，在此基礎上引導學生質疑引力場與物質之間的相互作用的機制。關于光學的教學，建議教師帶領學生通過探究方法，經(jīng)實驗得到光的直線傳播規(guī)律，經(jīng)過邏輯判斷和數(shù)學推導得到光的折射規(guī)律以及透鏡成像規(guī)律，在此基礎上引導學生質疑光如何攜帶能量，為高中階段學生了解“光的波粒二象性”奠定基礎。

3 科學探究是構建課程的關鍵

科學家在最初建立物理觀念、凝練物理規(guī)律時，很常用的手段是在系統(tǒng)仔細觀察典型實驗的基礎上，通過對現(xiàn)象的深刻分析，運用智慧對其本質的規(guī)律作出判斷?；蛘吆唵蔚卣f，其中有很大成分是靠猜測的，分析16世紀伽利略以后的物理學的進展，這種現(xiàn)象更加明顯。一個理論的誕生，依靠一批智慧的科學家，通過對實驗的仔細分析，依托大膽的猜測得到初步結論，然后再經(jīng)過不斷改變條件的實驗的逐步修正和完善，最終被人們認可和接受。因此，我們常常提到物理學發(fā)展中很多規(guī)律的建立是歷史的必然，不是邏輯的必然。讓學生理解物理學的上述特點，是提升學生核心素養(yǎng)的關鍵之一。

在課程設計和規(guī)劃中，要發(fā)展學生的科學探究能力和素養(yǎng)。與高中和大學不同，初中物理課程在科學探究方面，一般可以分為以下五個主要過程：第一，通過對自然現(xiàn)象和實驗的觀察和測量，總結和提出問題；第二，通過猜想和假設初步完成對現(xiàn)象和實驗結果的解釋；第三，進一步更新實驗方案，采取更加全面的科學方法，獲取更加全面、更加準確的觀察信息和實驗數(shù)據(jù)，并按照科學規(guī)范要求進行處理；第四，對現(xiàn)象和實驗結果進行重新解釋；第五，組織和參與相關活動，對得到的結果開展交流、討論、評價與反饋。

科學探究不單單是做實驗，根據(jù)時代的不同、研究內容的不同，科學家開展科學探究的理念和方法也不相同，這里按照時間順序介紹幾位科學家的例子。

第一位是亞里士多德，他的科學探究理念和方法為近代科學研究提供了重要的參考和依托。他將自然科學從哲學中分離出來，強調實驗，基于實驗觀測開展科學探究，這一直是科學探究的基本方法。雖然他的很多理論被后人推翻，如“物體下落速度和重量成正比”被伽利略推翻，“力是維持物體運動的原因”被牛頓推翻，但是亞里士多德關于科學研究的理念和方法是后人的寶貴資源。

第二位是伽利略，他的科學探究方法更加具有物理特質，主要表現(xiàn)為：通過對典型實驗研究，提出有價值的科學問題（或為假設，或為猜想），然后運用邏輯和數(shù)學得出初步結論，在此基礎上進一步開展實驗探究和驗證，對假設或者初步結論進行修正和推廣。他對自然現(xiàn)象的研究方法是近代力學誕生的標志，也可以看作是近代物理學發(fā)展的起點[2]。這種方法一直到現(xiàn)在還是我們開展科學研究的基本方法之一。他被譽為“物理學之父”“科學探究方法之父”是當之無愧的。愛因斯坦對伽利略的科學探究給予了高度的評價：“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所用的科學推理方法，是人類思想史上最偉大的成就之一，而且標志著物理學的真正開端”[3]。愛因斯坦在這里提到的“科學推理方法”就是“觀察與實驗”，這正是科學探究的重要組成部分。伽利略將對典型現(xiàn)象的觀察和實驗，與科學猜想和假設、科學思維相結合，這是科學研究的最基本的方法。

第三位是牛頓，他對光現(xiàn)象、運動和力的關系等開展研究，牛頓將數(shù)學應用到實驗、猜想、假設和科學思維中，建立了人類認識自然規(guī)律的最基本的觀念。在牛頓的科學探究過程中，“分析與綜合”是牛頓的科學探究的標志[4]，這是弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek，美國物理學家，2004年諾貝爾物理學獎獲得者）對牛頓在科學探究方面的評價。牛頓在科學探究中提出的科學探究的思想極大影響了自然科學的進步和發(fā)展，推動了物理學的第一次革命。

第四位是麥克斯韋，他大膽質疑電磁相互作用中的“超距作用”，基于法拉第提出的場的概念，將科學探究的方法應用于電磁現(xiàn)象研究。麥克斯韋同樣非常重視實驗，在此基礎上，他應用嚴格邏輯推理和數(shù)學工具于1864年建立了一直沿用至今的電磁場理論[4]。愛因斯坦對麥克斯韋的科學探究給予了高度的評價，他在《麥克斯韋對物理實在觀念發(fā)展的影響》文章中說：“自從牛頓奠定理論物理學的基礎以來，物理學的公理基礎的最偉大變革是由法拉第和麥克斯韋在電磁現(xiàn)象方面的工作所引起的。”“在麥克斯韋之前，人們以為物理實在——就它應當代表自然界的事件而論——是質點，質點的變化是由那些服從全微分方程的運動所組成的。在麥克斯韋以后，他們則認為物理實在是由連續(xù)的場來代表的，它服從偏微分方程，不能對它作機械論的解釋。實在概念的這一變革，是物理學自牛頓以來的一次最深刻最富有成效的變革?！盵5]麥克斯韋理論推動了物理學的第二次革命。

第五位是愛因斯坦，他的科學探究方法具有“前科學性”[4]。與牛頓和麥克斯韋等物理學家有著明顯的不同，愛因斯坦從伽利略、牛頓和麥克斯韋理論出發(fā)，通過對更深刻的“對稱性”的理解，構建了全新描述時間和空間的理論——狹義相對論。該理論主要表述為兩點：第一是物理定律在洛倫茲變換下?lián)碛袑ΨQ性（即不變性），即“狹義相對性原理”；第二是光在真空中的速度大小與光源的運動狀態(tài)無關，即“光速不變原理”。這樣構造的時空巧妙解決了麥克斯韋方程組的對稱性問題。并且，當物體的運動速度較低時可從狹義相對論自然過渡到牛頓力學。但是，牛頓引力中的萬有引力理論卻與狹義相對論不自洽，根本原因是牛頓的萬有引力理論是圍繞著質量的概念建立的，在牛頓的萬有引力理論中質量是守恒的，但是在愛因斯坦的狹義相對論中質量不再守恒。愛因斯坦在它的廣義相對論中，通過提升對稱性解決了這個問題。這一系列科學探究成果成為了推動物理學第三次革命的起點。

物理課標（2022年版）明確指出，科學探究包括問題、證據(jù)、解釋與交流的要素[1]。因此，在課程設計與規(guī)劃中，要深刻領會科學家們開展科學探究的理念和方法，結合具體教學內容，讓學生領悟和掌握科學家們探索未知科學問題的方法。

4 科學態(tài)度與責任是構建課程的靈魂

義務教育階段的科學態(tài)度與責任是指探索自然的內在動力，嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態(tài)度，以及遵守道德規(guī)范、保護環(huán)境并推動可持續(xù)發(fā)展的責任感，包括科學本質觀、科學態(tài)度、社會責任[1]。在課程設計與規(guī)劃中，要高度重視對學生科學本質觀、科學態(tài)度、社會責任的培養(yǎng)。

例如，時空觀是科學本質觀的重要組成部分，它是物理學的基礎。物理課程中主要表現(xiàn)為牛頓的絕對時空觀與愛因斯坦的相對論時空觀，這兩種不同的時空觀是學生分析問題和解決問題的基礎，也影響著學生世界觀、價值觀和人生觀的形成。初中物理教學中，主要以牛頓的絕對時空觀教學為主，這既符合學生對日常生活的感知，也符合學生在知識體系建立過程中螺旋上升、由淺入深的認識規(guī)律。

經(jīng)典物理學發(fā)展過程中常用的方法是歸納法，歸納法是從事物中凝練公理和概念的有效方法，同時也是進行正確思維和探索真理的重要工具。與歸納法相對應的是演繹法，演繹法的代表人物很多，如亞里士多德、歐幾里得、笛卡爾等。牛頓應用的科學研究方法是有機融合了歸納法和演繹法，他認為自然界的科學要滿足兩個主要要素：第一是基于觀察和實驗驗證，或來自于實驗；第二是在邏輯上與公理相符合，這種方法對于牛頓以后的物理學和自然科學的研究非常重要。這個時期的物理學研究不但對物理規(guī)律構建提出要求，同時也對研究者本身進行了熏染，在學習和研究過程中，會使研究者形成嚴謹認真、實事求是和持之以恒等的科學品質。關于科學本質觀的培養(yǎng)不是一個問題或一節(jié)課就能實現(xiàn)的，必須通過在不斷依托知識傳授、培養(yǎng)學生能力的過程中，讓學生通過自身對學科的感悟、對科學家研究問題的理解，從而在頭腦中逐漸形成屬于自己的科學本質觀，切忌生硬灌輸。

對學生科學態(tài)度和社會責任的養(yǎng)成，如培養(yǎng)學生嚴謹認真、實事求是和持之以恒的科學態(tài)度，以及遵守道德規(guī)范、保護環(huán)境并推動可持續(xù)發(fā)展的責任感方面開展教育等。這些內容是學生成長過程中非常重要的部分，實現(xiàn)這方面的培養(yǎng)目標，需要教師在課程設計與規(guī)劃過程中，結合課程內容本身和學生發(fā)展實際，采取靈活的方法，有機地將這些內容融入教學中，不要“做加法”“貼標簽”“表面化”和“硬融入”，要在教學方法方面下功夫，做到“如春在花”“潤物無聲”。

物理課標（2022年版）已經(jīng)在全國開始實施，深入理解課標的內涵，高質量完成立德樹人的人才培養(yǎng)目標，是擺在初中物理教師面前的重要任務，也是教師的光榮使命。通過以學生發(fā)展為中心的高質量的物理課程設計與規(guī)劃，突出核心素養(yǎng)理念，采取具有學科特色并符合學生認知特點的靈活的教學方法，堅持教師的主導性。在全體教師的不懈努力下，不遠的將來我國初中物理課程水平一定會有更大的提高。