基于協同學視角 探究物理觀念培養
——以能量觀念為例

姚鴻棟

(西南大學物理科學與技術學院 重慶 400715)

近年來“核心素養”成為研究者們的高頻話題.本文從協同學理論出發，就物理核心素養的“物理觀念”方面進行研究，并通過具體的案例分析了協同學理論在物理觀念建立過程中所起的重要思想作用.

1 協同學的基本觀點

德國的哈肯教授從其他學科引入合作、競爭、漲落等概念建立了協同學，本意是協同作用的科學，在廣義上的理解是關于系統內各個子系統之間相互合作與競爭的科學.“目前協同學已成為描述系統從無序到有序，從有序到有序轉變的條件和規律的橫斷學科.”[1]協同學有“協同效應”與“自組織”兩個基本觀點.

“協同效應”是協同學的核心觀點.對于一個無序的系統，其子系統之間存在著隨機的運動，而每一次隨機的運動都有可能造成漲落，當接近臨界點時，這種偶然性的漲落會引發整個子系統的相變，由于漲落造成不同微觀組分的差異，它們之間就會出現競爭的現象.“通過競爭，有的模式得到加強，把更多的微觀組分吸引到自己的影響下，從而發展壯大.最后，一個或少數幾個模式戰勝其他模式，取得主導地位.”[2]成為支配整個系統的新的參量，稱其為序參量.而在序參量的作用下，子系統間協調、合作，使整個系統從無序走向了有序.這就是協同學中的“協同效應”.

“自組織”指不存在外部指令，系統按照某種規則，各盡其責而又協調地自動地形成有序結構.需要具有以下幾個要素才能產生“自組織”：

(1)系統必須是開放的.封閉的系統無法進行有效交換，因而最終變為混沌[3].所以說系統開放是自組織的必要條件.

(2)系統處于非平衡態.當系統處于平衡態時，子系統間無法產生競爭合作現象，就無法實現物質能量的宏觀轉移和變換，因此系統處于非平衡態是自組織之源.

(3)非線性作用.線性作用只會引起量變，而欲使這個系統發生質變的話需要非線性的作用，可以說非線性作用是自組織的根本原因.

(4)系統存在漲落.漲落通過連鎖效應逐步影響各個子系統從而形成序參量，使得系統從無序走向有序，所以漲落是自組織的動力.

2 物理觀念的界定與其特性

2.1 物理觀念的界定

物理觀念是物理世界在人腦中留下的概括性認知，是人對物理世界的根本認識.它是物理基礎知識在學生大腦內的提煉與升華，上升到了一個宏觀的認識層面.所以掌握物理的本質必須建立完整、科學的物理觀念.

物理觀念源于物理概念.例如需要功能關系以及動能、勢能等概念作為支撐，才能夠凝聚為貫穿物理學科的“能量觀念”，所以物理觀念處于物理概念的上位.有學者提出將概念層次化，“居于塔尖的‘學科核心概念’只有‘運動與相互作用’、‘功和能’等少數幾個，但卻統攝著數量眾多的抽象概括水平依次降低的‘主題核心概念’、‘重要概念’和‘基礎概念’.”[4]通過基礎概念的學習，逐步深入建構核心概念，到最后升華為學科的物理觀念.

2.2 物理觀念的特性

欲要明晰物理觀念的建立過程，必須了解物理觀念具有的特性，在此筆者提出物理觀念具有3種特性：

(1)物理觀念具有宏觀性.當物理問題出現時，有些學生首先注意到的是物理量以及一些臨界條件，而忽視了這個問題中的具體運動過程與受力狀態，這其實就是尚未建立一個完整的“運動與相互作用觀念”，學生會糾結于出現的物理量具體該適用于哪些公式，從而造成了“不識廬山真面目”“不知道該用哪些公式”這些問題，這種看待問題的角度是片面的.而如果學生有完整的“運動與相互作用觀念”的話，就會從宏觀的角度、更高的思維層面去審視整個運動過程，以此找到突破口.

(2)物理觀念具有穩恒性.對于大多數人而言，隨著時間流逝深奧的物理知識可能會漸漸忘卻，而留下來的只有思維和觀念.物理學科強調知識框架的搭建，但是其核心目的是依托于物理知識作為載體，鍛煉科學思維與形成物理觀念，這些思維與觀念將在日后的生活中凝練為一個人的物理學科核心素養.物理觀念不會因為時間變化而忘卻，具有穩定恒久的特性.

(3)物理觀念具有內隱性.教師上課過程中會對物理概念的內涵與外延進行深度的挖掘使得學生理解，因此物理概念的建構過程是明確、清晰的.與之相對應的，物理觀念建立過程以整個章節為時間線，跨度較大.所以物理觀念的建立過程是潛移默化、難以察覺的.學生需要一定的科學思維對學過的相關物理概念進行提煉與升華，總結為宏觀層面認知的物理觀念.所以物理觀念具有不易察覺的內隱性.

由于物理觀念具有宏觀性、穩恒性，所以建立物理觀念具有非常重要的意義，而物理觀念具有內隱性，它的建立過程是不明顯的，所以具有一定的困難，本文通過滲透協同學中的“協同效應”與“自組織”使得學生自主建立物理觀念，以此突破內隱性的困難.

3 協同學視角下科學地建立物理觀念過程——能量觀念為例

3.1 物理觀念建立過程中的“協同效應”

要想發現物理觀念建立過程中的“協同效應”，就要先找到這個過程中存在的序參量.筆者提出“帆船模型”以此發現影響物理觀念建立的兩個序參量.

由于物理觀念的建立需要建構相關的物理核心概念，所以物理核心概念是建立物理觀念的基礎；而學生掌握了物理核心概念之后將其凝練與升華為物理觀念還需要一定的科學思維，因此科學思維是建立物理觀念的催化劑.如果將物理觀念比作是一條帆船的船體的話，那么科學思維就是帆船的帆，控制著帆船的前進方向(物理觀念的有序建立)與前進速度(物理觀念的建立快慢)；而物理核心概念就好比帆船的每一塊鋼板，正是由于許多塊鋼板的有機組合才能形成一個完整的船體(物理核心概念的有機聯系建立物理觀念).所以筆者認為，影響物理觀念建立的序參量有二，其一是物理核心概念，其二是科學思維.

而一旦學生建構了物理核心概念，那么在一定科學思維的認知條件下，會產生“1+1>2”的效果，這兩個序參量就會協調合作使整個系統達到一個新的認知平衡，走向有序，將物理核心概念有機結合建立宏觀上的物理觀念.這就是物理觀念建立過程中的“協同效應”.由此可見，將物理核心概念與科學思維這兩個序參量的有機協調組合將成為物理觀念建立的關鍵要素之一.

3.2 物理觀念建立過程中的“自組織”現象

筆者就能量觀念建立過程中存在的“自組織”現象在下文展開闡述.而由于物理觀念具有內隱性，且時間跨度較大，所以能量觀念建立過程的研究對象是整個“機械能守恒定律”章節.

在觀念形成的過程中認知系統必須處于開放狀態.如果學生的認知系統是封閉的，那么他就只會被自己錯誤的前概念所影響，無法從混亂的認知系統中尋求一個新的平衡.例如動能定理一課，如果教師只注重于物理公式上的推導而忽視了具體物理情景的展現，那么學生就會處于一個混亂的、無法理解的狀態中，而要使得這種混亂的狀態走向有序，就需要系統的開放，教師需要給學生一個使其思維發散的情境，以此來打開思路，對功能關系有深入理解，為能量觀念的建立鋪好道路.其次，觀念的形成需要使認知處于非平衡態.也就是說教師需要通過學生熟悉的情景制造他們無法理解的現象，產生認知沖突，他們的認知系統就會處于非平衡態，他們會搜腸刮肚地思索如何去理解這個現象.而此時教師的指向性問題與點撥之語、學生的靈光乍現都會成為一個新的漲落，使得學生的思維得到發散，并通過非線性作用匯聚為一個完整的、科學的新概念去替代原有的片面的、錯誤的前概念.例如機械能守恒的判斷條件“系統內只有重力或彈力做功”，教師可以先通過一個這樣的情境來突破學生對“系統內”這3個字的認識：豎直放置在水平面上的彈簧振子，小球在下落過程中會壓縮彈簧，忽略阻力的情況下，小球只有自身的重力與彈簧給小球的彈簧彈力做功.此時提問學生小球的機械能是否守恒，部分學生通過守恒條件認為只有重力或彈力做功就滿足機械能守恒.然后教師帶著學生分析小球的動能與勢能會發現機械能總量是在減小的，此時學生的認知就產生了沖突：“為什么滿足守恒條件卻不守恒呢？”此時，教師再提問小球與彈簧組成的系統機械能是否守恒的問題.而通過這個問題，就會使得學生的認知系統產生漲落，他們會意識他們忽略了守恒條件中“系統內”這3個字，而這種漲落在非線性作用的放大下，最后變成一個穩定的內化知識.

3.3 協同學視角下物理觀念的建立過程

由此可見，在協同學理論視角下，物理觀念的建立需要這樣的3個方面：

(1)建構“物理核心概念”，這是建立物理觀念的必要條件(序參量)之一.如能量觀念的建立 ，需要建構兩個核心概念，一個是功能關系，一個是守恒概念.學生需要通過功與動能定理一節對功能關系有深入了解；接著通過機械能守恒一課，對守恒概念有一個模糊的認識，筆者在這堂課上曾將機械能比作水流，研究對象的系統比作水池，封閉的水池流動不會使得內部水的總量發生改變來類比系統內部能量相互轉化而能量總量不變的守恒概念，并且筆者這堂課上將動能定理與機械能守恒進行對比，讓學生發現雖然二者只是數學上的移項，但是代表的物理意義卻改變了：前者強調功能關系，后者強調能量與能量間的相互轉化并保持不變,這里就實現了從功能關系到能量觀念的雛形的過渡；最后通過能量守恒這堂課的總結與深化，將全章的內容串在一起形成一條完整的脈絡，結合兩個核心概念，學生就能認識到自然界中能量是不會憑空產生或消失的，有減少的能量就會有等量增加的能量，學生就能自發地建立能量觀念.

(2)培養學生包括分析綜合、推理論證、模型建構等科學思維，這也是建立物理觀念的序參量，所以需要得到重視.

(3)創設情境、設置問題、制造認知沖突，提供開放的課堂環境，引起學生思維與認知上的漲落，并通過非線性作用放大，使得系統從非平衡態走向平衡態，讓學生“自組織”地建立物理觀念.

4 結論

本文從協同學的視角，以能量觀念的建立過程為支撐，提出了有利于科學建立物理觀念的兩個觀點：(1)將物理核心概念與科學思維兩個序參量相結合使其產生“1+1>2”的效果；(2)利用開放的、非平衡的、有非線性作用、存在漲落的認知系統使得學生自組織地建立物理觀念.

本文的創新之處有：(1)將協同學這門橫斷學科引入物理觀念建立過程；(2)提出了物理觀念的3種特性；(3)通過“帆船模型”理解物理核心概念與科學思維這兩個在物理觀念建立過程中存在的序參量.

如今物理核心素養仍需要深度的挖掘，協同學或許能從一個新的維度和視角去理解核心素養的內涵.隨著教學改革的深入，學生在物理課堂上的主體性越來越重要，而協同學作為一門以自組織理論為基礎的橫斷學科，對發揮學生的主觀能動性具有極大的啟發價值，將其運用于物理教學與研究中將會有顯著的收獲.