我国本土化物理教育研究的开拓
作者： 马亚鹏
编者按：
习近平总书记指出：“教师是立教之本、兴教之源。”为贯彻落实习近平总书记的重要指示，本刊特策划“物理教师的学习与研究”专题，从我国物理教学理论的本土化开拓、物理教学名师的精神凝练、物理教师的专业能力研究三个角度，充分凸显以坚定信念、崇高人格和专业能力为价值内核的教育家精神，同时展现物理教育教学研究领域的探索与成果。专题的文章表明，我国物理教育教学领域具有丰富的教育家精神与浓郁的本土化理论，非常值得我们去挖掘、去提炼、去研究、去宣介、去实践。唯有如此，才能把我国的基础教育教学事业推向一个崭新的高度。
［摘 要］邢红军教授长期从事物理教育研究，在原始物理问题教学、科学方法教育、关键能力研究、物理高端备课、物理教师专业发展、物理教学基本理论等方面，作出了诸多原创性理论贡献，形成了完整的物理教育思想体系。他对我国本土化物理教育研究进行了开拓，其深厚的家国情怀、鲜明的问题导向、深刻的理论思维、批判的科学精神，对我国物理教育研究与发展极具借鉴意义。
［关键词］物理教育研究；本土化；教育思想；邢红军
［中图分类号］G633.7 ［文献标识码］A ［文章编号］1005-4634（2024）06-0028-10
邢红军教授是首都师范大学教授、博士生导师，他曾先后师从周中权副教授、林崇德教授学习物理教学论、发展心理学，他从事物理教育研究40余载，独创原始物理问题教学、科学方法中心论等多个颇具学术影响力的物理教育理论，在《教育研究》等期刊发表论文380余篇，出版著作、教材20余部，是我国本土化物理教育研究的开拓者，其论文与论著对推动物理教育理论创新、物理教育实践改革和教师专业发展等具有重要指导价值。本研究试图透过他的论文、论著，提炼其重要的学术思想，并尝试评述其学术价值，以期为我国物理教育研究向纵深发展提供借鉴。
1 邢红军教授重要物理教育思想述评
1.1 原始物理问题研究
为了扭转物理教学中长期以习题为主的“题海战术”训练模式导致的物理教育质效较低的状况，拓宽拔尖创新人才培养机制，邢红军教授创立了原始物理问题教学理论。原始问题最初由赵凯华先生于1983年提出［1］，于克明先生在此基础上，区分了原始问题（实际问题）和抽象问题（习题）［2］。早在1997年，邢红军教授就注意到了原始问题［3］。在此后的20余年里，他以哈肯的协同学、杜威的经验组织原则及教育生态学等国外理论为基础，以杨振宁“现象是物理学的根源”的观点以及林崇德思维品质理论等本土教学理论为依据，创生出了“原始物理问题教学”这一带有浓厚本土化色彩的教学理论，并进行了相关实证研究［4］。
一是在与物理习题的区分中，准确定义了原始物理问题。他指出，“原始物理问题是指自然界及社会生产生活中客观存在的，能够反映物理概念、规律且未被加工的典型物理现象和物理事实”［6］，而习题则是把物理现象和事实经过一定程度抽象后加工出来的练习作业。两者的关系如图1所示。原始物理问题在表述形式上是对物理现象的描述，具有非常规性、情境性、趣味性、开放性等特点。原始物理问题教学旨在改变传统习题教学“掐头去尾烧中段”的问题，注重学生和物理现象之间的作用，将问题表征和模型建立的过程留给学生，具有契合学生的直接经验和间接经验、促进科学方法教育、培养学生的创造性思维和推进物理高考改革等教育价值。
二是依据协同学理论，提出了原始物理问题解决的自组织表征理论（SORT）。该理论认为，问题解决是一个连续与突变相结合、独立与关联相结合、控制与自发相结合、协同与竞争相结合、必然与偶然相结合的过程，原始物理问题的解决需要经由抽象表征、图像表征、赋值表征、物理表征、方法表征、数学表征6个动态表征过程（见图2）［6］。其中，抽象表征、图像表征和赋值表征为外部表征，物理表征、方法表征、数学表征为内部表征。习题解答只有内部表征，而解决原始物理问题除了包含解决习题的内部表征外，还有外部表征，如此就扩展了问题空间，对学生思维的训练也就包括了多种思维方式的交互作用。学生解决原始物理问题的认知机制是概念驱动加工，以理论作为加工的起点，表征的抽象性、概括性较高，表现出更多的启发或顿悟，是一种相对高级的认知操作模式［7］。学生的物理知识、物理方法及思维的深刻性、灵活性、独创性和批判性品质是影响原始物理问题表征的重要因素［8］。实践研究表明，采用原始物理问题教学，“不仅可以有效培养中学生的问题表征能力，而且能有效促进思维品质的发展”［9］。由此可见，原始物理问题教学理论，不是一个假设，而是真正的、被实践所检验了的理论。
三是面向教学实践，分别开发了初、高中学生原始物理问题测量工具。核心思想是：（1）原始物理问题的来源很广；（2）编制原始物理问题要遵循理论性、科学性、生态性、开放性、趣味性原则；（3）编制原始物理问题需要包括选材、还原、整合和测试4个步骤；（4）原始物理问题测试工具需要经过严格的难度、区分度、信度和结构效度检验［10］。基于此，他的团队开发了如“瓦萨”舰翻倒［11］、抬箱上楼［12］等经典的原始物理问题，并依据“主观试题客观评分”的思想针对不同表征水平设计了相应的评分细则，有较高的科学性。原始物理问题测量工具的编制“在生态学取向的方法论基础上形成对物理能力测量的新认识”［13］，对物理能力测量超越习题化取向具有借鉴意义。
综上，原始物理问题教学这一研究领域有来自物理教学实践的思想渊源、有边界清晰的问题域、有坚实可靠的理论基础、有科学客观的测量工具、有介入式的教学实践，是一套完整的旨在从“根本”或“源头”上解决我国物理教育质效提升和拔尖创新人才培养问题的创新物理教育理论。这一理论扎根我国教育实际，理论与实践兼备，具有极高的学术价值。
1.2 科学方法教育研究
科学方法教育研究，是邢红军教授物理教育研究的重要内容。20世纪90年代，他已认识到科学方法的分类不甚合理，教材未能“显化”科学方法等问题，并运用口语报告法等研究方法对物理教学中的科学方法展开研究［14］。2001年以来，随着新课程标准将“过程与方法”列为课程目标，他对科学方法教育进行了更为深入的研究，从理论上解决了科学方法的分类、科学知识与科学方法的关系等备受争议的问题。
一是科学方法的分类。他认为进行科学方法教育的首要问题是解决科学方法的分类问题，并依据教育性原则从科学方法的来源出发将其划分为学科方法和思维方法［15］。物理学科方法与物理学科本身密切联系，结合了数学物理基础及对应的操作过程，因此具有较强的可操作性；思维方法在思维层面说明了解决问题的基本思路，而没有给出具体的、可操作的步骤（见图3）。该分类的特点是相互不交叉，便于准确理解科学方法的本质。而且，其与认知心理学的研究是相一致的，学科方法即强认知方法、思维方法即弱认知方法，如此则可以利用认知规律进行科学方法教育。
二是科学方法中心论。针对教学中比较偏重知识传授而忽视学生发展的问题，在科学知识与科学方法本质统一但特点不同的前提下，他将课程组织结构由科学知识中心改造为科学方法中心。他指出：“科学方法与科学知识不同，它所涉及的不是物质世界本身，而是人类认识物理世界的途径与方式，是高度抽象的。科学方法也不直接由科学知识来表达，而是有它自己独特的表达方式，它往往隐藏在知识的背后，支配着知识的获取和应用。”［16］因而，科学方法具有导源、突破、中介、建构等认识功能。同时，根据科学认识论，经由物理现象形成物理理论，应用物理理论解决实际问题，都需要科学方法的介入，于是，就形成了基于科学方法中心的物理知能结构（见图4）［17］。从物理现象出发，必须经过科学方法的加工整理才能获得物理知识，科学方法是物理现象通达物理知识的必经之路；科学方法还是物理知识应用的重要手段；科学方法作为科学的思维方式和行为方式，蕴含着能力的价值。由此可见，科学方法教育是撬动物理教学改革、培育学生物理学科核心素养的一个非常重要的突破口。
他非常重视科学方法的价值，不止一次激情地论述道：“物理知识只有借助于科学方法才有生命力，才能显示出其内涵、色彩、格调，才能显示出其内在的理由、作用和功能，学生学习的知识才能真正被活用起来，提高学习效率。”［18］不仅如此，他还积极推动科学方法的实施，主张将科学方法纳入课程标准，在教材编写时显化科学方法，按照科学方法的逻辑设计教学程序，让学生应用科学方法解决实际物理问题等。值得一提的是，这些思想已部分融入了“人教版”普通高中物理教材编写中。而在他主编的中职物理教材中［19］，邢红军教授则对教材内容的呈现进行了革新，重要物理概念的建立、物理规律的得出已完全按照科学方法的内在逻辑展开。
1.3 物理关键能力研究
物理关键能力的研究是邢红军教授又一颇具特色的研究领域，经历了由一般能力结构研究，到物理学科能力结构研究，再到关键能力研究的发展过程。
一是物理学科能力研究。他发现各种能力理论都把能力的结构与能力形成和发展的教育过程、教学内容割裂开来，因而难以反映出能力的主要因素，在借鉴林崇德先生有关智力与能力研究的基础上，建构了“智力—技能—认知结构”能力理论，即智力+技能+认知结构（知识+科学方法） 形成能力［20］。其认为知识和科学方法在头脑中的心理组织构成了认知结构，具有使新材料、新知识、新经验重新结为一体的自我调节功能，是能力的组分。据此，他结合物理学科特点，提出了物理学科能力结构模型：（1）观察、实验能力；（2）物理想象能力；（3）物理思维能力；（4）物理运算能力；（5）运用物理知识和科学方法的能力［21］。并通过学生解决原始物理问题的实证研究指出这些能力要素高度相关，尤其是“科学思维能力是物理能力的核心”［22］。在提出科学方法中心论后，他又对物理学科能力结构做了修正：（1）观察实验能力；（2）科学方法运用能力；（3）物理推理运算能力；（4）物理知识建构能力；（5）物理迁移创新能力［23］。采用科学方法运用能力代替物理思维能力是因为科学方法包括物理方法和思维方法，因此，科学方法运用能力就包含了原来的物理思维能力，且内涵更丰富；物理知识建构能力的提出是因为物理知识既是物理学科能力的基础，又是物理学科能力的组成部分；迁移创新则指向学生解决陌生和不确定的问题，是核心素养中关键能力的重要指标。
二是关键能力研究。国内外兴起的核心素养研究促使研究者对关键能力展开研究，邢红军教授结合生态学、协同学和物理学等多学科理论，提出了很多颇有意味的洞见。首先，他运用物理学中的功能关系，提出了智力的“能量说”与能力的“做功说”［24］，指出智力与能力在本质上就是信息处理。其次，依据林崇德先生“不管是智力还是能力，其核心成分都是思维”的观点［25］，根据协同学理论，基于科学简洁美原则，采用突变函数中的折叠函数，写出了关键能力的表达式［26］。进而，将自组织表征理论与思维相对应，得到了关键能力的构成要素，主要有：抽象思维、形象思维、假设思维、概括思维、模型思维、推理思维。再次，利用关键能力的能量函数对状态变量求一阶导数，得到关键能力构成要素相互作用的表达式［27］。于是，则得出关键能力的本质即为构成关键能力的思维要素的相互作用，而这种相互作用是大脑思维线性与非线性交互的统一，且非线性思维起主导作用。运用该理论进而解释了物理能力“双峰”分布的原因［28］，证明原始物理问题教学能够真正培养学生的关键能力，并最终发展学生的核心素养。