物理教育对课程革新的启示

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一、我国物理教育存在生态化缺失

人们普遍认为，我国物理教育效能低的原因在于物理教育中缺乏科学探究。因此，《物理课程标准》将科学探究列入内容目标，旨在将学习重心从过分强调知识的传承和积累向知识的探究过程转化，从而培养学生的科学探究能力、实事求是的科学态度和敢于创新的探索精神，希望通过提高科学探究质量来提高物理教育的效能。然而笔者则认为，我国物理教育效能低的根本原因不在于缺乏科学探究，而在于缺乏生态性，具体表现为物理教育以习题为核心。对此，杨振宁认为，“很多学生在物理学习中形成一种印象，以为物理学就是一些演算。演算是物理学的一部分，但不是最重要的部分，物理学最重要的部分是与现象有关的。绝大部分物理学是从现象中来的，现象是物理学的根源。一个人不与现象接触不一定不能做重要的工作，但是容易误入形式主义的歧途，对物理学的了解不会是切中要害的”[1]。物理学是自然科学，现象是物理学的根源。从这个基本思想出发，笔者提出一个观点———必须重新认识习题的价值与作用。习题虽然有相应的价值与作用，但存在着缺乏生态性的缺陷。习题是从物理现象中抽象而来，已经把物理现象中的一些次要细节、非本质的因素舍去，其情境是人为设置且条件控制严格，因而使物理教育情境的真实性受到破坏，使学生解答习题的认知心理及行为表现与解决实际问题的认知心理及行为表现相去甚远，这样，直接导致了物理教育的低效能。习题教学的效率虽然较高，但其效益却较低。

做习题确实能使学生在短时间内掌握物理定理、定律和原理，但却很难使学生理解这些定理、定律和原理的意义、精神及其价值。许多学生经过多年苦读，学习了大量的物理概念、规律，做了许多习题，却不能有效地提高物理水平。他们面临物理问题时不能迅速判断，稍一动笔就错误百出；在理解物理问题的机制方面也是除了简单的分析外，不能准确表达自己的思想，不能完整地解决问题。许多人学习物理如同开中药铺子，概念、规律都被放置在柜子的小匣子里，不能形成一个有机的整体。笔者认为，做习题只是学习物理的必要条件，在这个意义上，“学习物理，不做习题是不行的”[2]，然而，习题并不是学习物理的充分条件，从这个角度来思考，“做很多习题，只能说是训练独立思考能力的一半”[3]。因此，习题只是学习物理的必要条件而非充分条件，无论做题如何“精”或怎样“重视解题质量”，都不能使学生学好物理学。我国物理教育以习题为核心的教育模式把学习物理的必要条件当成了充分必要条件，这既是一个逻辑学的基本常识错误，又是物理教育缺乏生态化的表现。物理学是有“生命”的，是“有血有肉的活生生的东西，这个活生生的东西就是要和实验、现象、实际联系在一起的科学”[4]，把无生命的部件拼凑起来模仿生命，效果自然可以想象。诚如杨振宁所说：“中国过去几十年念物理的养成了念死书的习惯，其结果是培养了许多非常努力、训练得很好、知识非常扎实的学生，可是他们的知识是片面的，而且倾向于向死的方向走。这是很有害的。”[5]这在一定程度上说明了我国物理教育生态化缺失所造成的后果。

二、物理教育生态化理论的建构

基于上述分析，笔者认为，教育生态学和相互作用心理学可以为物理教育生态化理论的建构提供有益的启示。随着教育研究的不断深入，教育领域出现了一门运用生态学方法研究教育的科学———教育生态学。教育生态学强调在真实、自然的情境中研究教育规律以及学生的心理活动规律，强调提高教育活动的可应用性和普遍适用性，建立合理的教育生态环境，提高教育的效益，促进人才迅速成长和发展。20世纪70年代中期以来，心理学研究中逐渐形成了一种新的思路，即相互作用心理学，其基本思想集中于行为发生过程中人与环境的多向性交互作用，并且认为，在这种交互作用中，人和情境相互依存而非由单方面所决定。通过借鉴教育生态学和相互作用心理学的思想，笔者提出物理教育生态化的基本观点：

1.物理教育活动不是孤立的，而是与物理现象有机联系在一起的，处于一个复杂的关系之中；物理教育应当坚持“物理学的根源是物理现象”的基本理念。

2．物理教育活动既受自身内部因素的影响，又受外部因素的影响；学生的物理学习是他们与环境之间多方向的、连续的交互作用的结果。

3.物理教育活动应当在物理生态环境与社会生态环境中进行，以揭示真实、自然条件下学生的心理活动规律与物理教育规律。

4.物理教育活动应注重研究学生与环境之间的交互作用。在交互作用的人的方面，认知和动机是学习的基本决定因素；在交互作用的情境方面，情境对于学生的物理学习是重要的决定因素。

5.物理教育活动应注重研究学生在与环境相互作用的过程中的主动性。应当指出的是，物理教育生态化理论并不局限于教育生态学强调的情境，而是以生态学思想为指导，把物理现象以一种有别于习题的形式呈现，主张把习题的严格性移植到自然、真实的物理环境中，并在其中揭示物理教育活动的因果关系。这种形式既不同于习题强调推导、演算而忽视生态性的特点，又不同于研究性学习为探究而牺牲知识传授效率的特点。它强调给定的情境虽然是原始的，但问题本身在一定程度上又是严格的。也就是说，它要求提高物理教育的外部效度，而又无须以降低内部效度为代价，这种形式称为原始物理问题。因此，原始物理问题教学就使物理教育生态化理论转变为现实成为可能。所谓原始物理问题，是指在自然界及社会生活、生产中客观存在且未被加工的物理现象和事实。其表述形式是对物理现象的描述，基本上采用文字叙述的方式呈现物理现象。与习题不同的是，它没有给定已知量和未知量，需要学生根据需要去设置，而习题则是把物理现象和事实经过一定程度的抽象后加工出来的练习作业，两者的关系如图1所示。由于历史的原因，我国物理教育中传统习题教学往往注重图1的第三个过程（演算），而缺少第一个过程（描述）和第二个过程（抽象），对物理现象和物理事实把握不够，致使很多学生只知道根据已知条件去解题，遇到实际问题则常常束手无策。

长期以来，我国物理教育始终存在缺乏生态化的问题，并因此存在把“习题”误为“问题”的倾向，这种情况到目前基本没有改变。如，普通高中《物理课程标准》提出：“一个好的习题，就是一个科学问题”[6]，这显然混淆了习题与问题。如图1所示，原始物理问题解决是从物理现象出发直至得出结论，是一个完整的思维训练过程；而习题解答则是从模型出发直至得到答案，是一个不完整的思维训练过程。习题教学这种“掐头去尾烧中段”的训练，导致学生失去对物理世界的真实感受，并最终失去注重实践的科学精神。教育心理学的研究指出，教育与实际情境的相似性，是教育效果的关键因素。而且这种相似性越高，教育结果的可应用性也越高。甚至教学所采用的方式，也应该尽可能接近教育结果所要应用的实际情况，这样才能在更大程度上提高教育的效能。显而易见，在物理教育中强调生态化有着重要的理论与现实意义。在物理教育中强调生态化不仅符合教育生态学和相互作用心理学理论，而且符合自组织理论的思想。现代认知心理学认为，人的思维生理基础是人的大脑。人脑不仅是一个生物系统，同时又是一个自组织系统。自组织理论指出，一个开放系统，在远离平衡态的条件下可以由混沌向有序方向转化；有序的组织可能通过一个“自组织”过程从无序和混沌中“自发”地产生出来；自组织的显著特点是它通过突变过程完成，这个突变发生在事物由低级到高级阶段之间的“分叉点”上；在发生突变之前，系统通过正反馈与外界交换物质、能量和信息，使有序状态参量不断增强，超过临界值后系统便进入高一级阶段。研究表明，在物理教育中进行生态化教育，可以较好地创设使学生的大脑从混沌向有序方向转化的条件，因此，物理教育生态化具有重要的教育功能。

三、物理教育生态化的教育功能

首先，物理教育生态化有助于改变目前物理教育的低效能状况。为了改变物理教育低效能的状况，笔者主张，物理教育应当走出单一习题教学的束缚，在真实的情境中研究学生的学习心理，重视学生与物理现象的多向性交互作用，以保证物理教育具有较高的生态学效度和较高的应用价值。原始物理问题由于将习题的严格控制应用于物理现象之中，并且经过抽象之后可以成为习题，就使得它在一定程度上具备高效完成间接经验知识内化的功能，从而将内部效度与外部效度较好地统一起来。当然，还应当指出，强调原始物理问题教学并不完全排斥习题教学，否定习题的价值，而是主张在保留习题教学优点的同时，克服其不足，并通过两者的结合达到提高物理教育效能的目的。

其次，物理教育生态化有助于更好地实现物理课程目标。新一轮物理课程改革提出提高全体学生的科学素养的课程理念，并把知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观作为课程目标，认为实现课程目标的重要方式是科学探究。科学探究教学方式主要基于杜威的教育理论，因此，这是一种“从做中学”的教学理论，在“做”中验证所获经验的有效性。自20世纪50年代以来，杜威的教学理论已被美国教育界视作导致教育质量下降的重要根源。这是因为，杜威的理论并未处理好获取知识与发展能力的关系，他将知识的获得从属于探究的过程。但系统知识的存在形式是逻辑的，其根本特性是具有很强的概括力和包容性，并非所有的系统知识都可以通过探究而获得。因此，怎样才能获得系统知识，在杜威的理论中始终是一个悬而未决的问题。即使是杜威自己也承认，按照他的要求来解决教材和课程问题“是非常困难的，我们并没有解决好；这个问题到现在还没有解决，而且永远不可能彻底解决”[7]。这应当引起我们深入思考。笔者认为，把原始物理问题教学作为实现物理课程目标的途径是一个更好的方式。因为，原始物理问题教学的创新在于，它寻找到了物理教育的起点———物理现象，并把物理教育的重心从习题前移至原始物理问题，从而使学生与物理现象相接触。从广义上说，物理概念、物理规律的得出都可以看作是原始物理问题解决。原始物理问题解决包括问题定向、现象抽象、变量定义、图像描绘、运用规律、采用方法、数学运算等过程[8]，这一过程与《物理课程标准》提出的科学探究七个要素（提出问题、猜想与假设、制订计划与设计实验、进行实验与搜集证据、分析与论证、评估、交流与合作）相比，更符合物理教育的规律。进一步的研究发现，科学探究的七个“要素”实际上是步骤而非“要素”。因为要素是科学探究过程中相互独立的变量并且不存在先后顺序，而步骤则不是相互独立的变量且存在先后顺序。因此，把科学探究步骤作为科学探究要素写入课程标准中，不仅在理论上有“指鹿为马”的嫌疑，而且在实践上模糊了科学探究的方向。正是在这个意义上，笔者认为，原始物理问题教学不仅可以使学生有效地学习物理知识，掌握科学方法，训练技能，而且也能很好地培养学生的能力。

第三，物理教育生态化有助于达成物理教育评价的真实性。笔者认为，物理教育评价的方向是逐渐采用原始物理问题对学生进行考查。运用原始物理问题进行评价，学生的认知心理与行为表现都比较真实，因此，能够较好地揭示物理教育中学生的心理规律和学习效果。为了验证这一观点，笔者运用原始物理问题测验工具，对中学生解决原始物理问题进行了研究。结果显示：学生成绩直方图呈双峰分布。根据协同学理论，双峰分布可以解释为：大部分学生的问题解决能力处于较低水平，即被组织状态；小部分学生的能力处于较高水平，即自组织状态；少部分学生处于从较低能力水平向较高能力水平转变的水平，即临界状态[9]。这说明，原始物理问题虽然也有一定程度的控制，但不像习题那样几乎完全排除环境的影响，从而保证了学生的心理及行为变化仍然是现实中各种因素综合作用的结果。这不仅能将学生的能力水平考察出来，从而区分不同能力的学生，而且能较好地发挥评价对物理教育的引导作用。

总之，物理教育生态化使物理教育从纯粹的抽象情境中走出来，进入到与物理现象相联系的新阶段，从而使物理教育回归现象、回归自然、回归生活。在物理教育思想上，它打破了传统物理教育缺失生态性的格局，提出了解决物理教育外部效度的有效措施。它拓展了人们的物理教育视野，拓宽了物理教育的范畴，进一步增进了人们对于物理教育规律的理解与认识，从而有助于更好地实现物理教育目的。