善待學生經驗認知 構建正確物理觀念
——以能量觀念的正確構建為例

譚慶仁

(江蘇省鎮江市教育科學研究中心，江蘇 鎮江 212008)

2017版高中物理新課程標準中首次提出了物理學科核心素養,它包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度和責任．對于上述4大核心素養之間的關系有著多種理解,其中存在著這樣一種理解:科學思維、科學探究、科學態度和責任必須服務于物理觀念的正確構建,也就是要充分借助于他們來幫助學生構建正確的物理觀念．因此物理觀念的構建是我們進行課堂教學的核心任務．

1 問題的提出

物理學源自生活,同時又服務于生活,它與生活是緊密相連的．學生在生活中與物理學發生著許多聯系，因此長時間的“生活經驗”在學生頭腦中逐步生成為經驗性的認知.這些認知顯然不是物理觀念．當他們在進行物理學習時,憑借著經驗認知總會產生 一些“應該是這樣的”、“怎么會是那樣的呢”等個人主觀感情色彩的疑問．如果學生帶著這些認知走進物理課堂,這無疑對建立正確的物理觀念是一個很大的挑戰.如果不能很好的予以解決,對構建正確的物理觀念是非常不利的．因此,教師就應充當 “撥亂反正”的角色,科學應對學生的經驗認知,幫助學生構建正確的物理觀念．本文將就這一問題展開分析與讀者共享．

2 以正確構建能量觀念為例

下面,筆者就以“機械能守恒定律”這章內容為例,就如何利用學生經驗認知來幫助學生構建正確的能量觀念,來和各位讀者交流個人的一些想法．

2.1 對學生正確構建能量觀念的制約性因素分析.

按照2017版高中物理新課程標準,“機械能守恒定律”這一章放在了“曲線運動”這一章的前面,而運動學、牛頓運動定律和能量這3大塊主要是基于直線運動來研究的,至此,學生初步形成了牛頓運動定律和能量這兩大解決物理問題的觀念．之后再利用前面所學習的內容來研究復雜的曲線運動,這樣的安排更合乎認知邏輯．因此,能量觀念作為解決物理問題的一條重要路徑,它的正確構建對于物理學習至關重要．

初中時,學生已經對功和能的概念及它們之間的關系有了一定的初步了解．可現實是學生對于這一塊內容可謂是記憶性了解,并未真正的理解和掌握,更談不上建立能量觀念,主要表現在以下幾個方面.

(1) 對為何引入“功”的物理價值認識不到位,“功”和“工”混淆.

(2) 由于功和能的單位相同,對具體問題中“是功還是能”辨識不清.

(3) 對功和能之間的物理關系認識不清,只會簡單套用數學相等關系.

以上3個方面嚴重制約了學生對本章內容的理解和把握.這就是學生在新課學習之前所產生的經驗性認知．如果在教學過程中未針對上述方面采取必要的教學策略,也將很難在學生腦海中構建起正確的能量觀．

2.2 正確構建能量觀念的教學策略分析.

在“機械能守恒”這一章中,教材對能量觀念的建立過程是精于鋪墊的,從功能關系到動能定理,再到機械能守恒,最后到能量的轉化和守恒,教材對能量觀念的構建是漸進的.我們在教學中要充分理解和把握好這種鋪墊,把握好教學的難度和策略．

鑒于上述3個方面制約性因素,在教學中應從以下3個方面采取針對性的教學策略．

(1) 明晰功能關系中的“功”和“能”,從而助力理解“為何引入功的概念”.

我們都知道功能關系的定性表述是:做功過程伴總隨著能量的轉化,力做了多少功,就有多少能量從一種形式轉化為另一種形式的能量,如圖1所示．其內含是:某個力做功時,一定存在著某種對應能量的變化．比如,人力做功時,對應著人體的化學能一定是變化的,但是至于向何種能量轉化要看具體的做功場景.若人提著重物勻速上升,則化學能向重物的機械能轉化；若人手搖發電機,則化學能轉化為電能.這樣的事例還有很多．由此可知,我們需要幫助學生構建的觀念是:功能關系闡述的是力做功和與之對應確定的能量變化之間的關系,但是不能表征出這種能量是在與哪種能量之間在發生著轉化．通過上述的教學演繹,不僅使學生理解了功和能的關系,而且也理解了功在能量轉化中所起的橋梁和量度作用,更有助于后續對動能定理的理解．

圖1 功能關系

(2) 明晰從力與運動的關系角度來理解動能定理的本質.

力是改變物體運動狀態的原因,而運動狀態的改變就是速度的改變,因此,我們可以換個角度來理解動能定理,也就是某力在做功時,均發生著與此力做功所對應的能量在與動能之間發生著轉化.我們將動能視作與其他能量發生轉化的一種中介．如圖2所示,當有多個力對物體做功時,就對應著有多種能量(每種力做功均對應著一種能量)在與物體的動能之間在發生著相互轉化.這種相互轉化的最終結果就是動能定理所描述的．物體動能最終是增加還是減少取決于向動能轉化能量值和動能向其他能量轉化的能量值之間的大小關系．動能定理本質上也是一種功能關系,那就是合力做功與動能變化之間的關系．至此,對功能關系的理解實現了從單力做功向多力做功的轉變．

如果我們在教學中滲透這樣教學,相信學生對功能關系和動能定理的理解定會有更深的理解和體會,對于物理觀念的構建是非常有幫助作用的．

圖2 動能定理

(3) 明晰從功能關系的角度來理解機械能守恒和能量轉化和守恒定律.

通過上述對動能定理深入理解,對某個有多力對其做功的物體而言,就存在著多少個對應的能量與動能之間發生著相互轉化,如果撇開功不說討論能量,那么注定能量在轉化過程中是守恒的,是無條件的守恒;而機械能守恒是能量轉化過程中僅有動能、重力勢能和彈性勢能之間相互轉化時所遵循的規律,但仍然是在能量轉化和守恒定律的這一大框架之中．

圖3就很好地說明和反映了能量轉化和守恒及所對應的功能關系．可從以下幾個角度來加以理解.

圖3 能量轉化和守恒

角度1:從外大圈來看,這反映了其他能量是如何通過對應的力做功來實現和機械能進行相互轉化的,不涉及功的話,它表征著其他能量與機械能之間的轉化,它是守恒的.

角度2:從機械能所包含的小圈與外界的關系來看,反映了除重力和彈簧彈力以外的其他力做功與機械能變化之間的功能關系,它是能量轉化和守恒的反映.

角度3:從機械能所包含的小圈來看,很清晰地反映了在只有重力和彈簧彈力做功的情況下,即除重力勢能和彈性勢能之外沒有其他能量向系統轉化時,系統的機械能是守恒的．這也可以從動能定理很清楚地看出:在只有重力和彈簧彈力做功的情況下,只發生著重力勢能、彈性勢能和動能之間發生著相互轉化,即WG+W彈=ΔEk．

2.3 能量觀念的構建滲透在整個高中物理學習之中

在本章中,通過上述策略只是初步構建了能量觀念,但是能量觀念的構建滲透在整個高中物理學習中,包含在電學、磁學、熱學和原子物理學中.這就需要我們在平時的教學中能充分體會到這一點,在各章節的教學中做好物理觀念構建的鋪墊和布局工作．這樣才能真正幫助學生構建能量觀念．

3 結束語

2017版高中物理新課程標準將物理觀念列為物理學科核心素養之首,對于我們開展物理教學具有強烈的指導意義,是在三維目標基礎之上的巨大進步．新課標將物理觀念分為物質觀、運動和相互作用觀和能量觀.這就需要我們認真去梳理教材、領會教材和把握教材同,充分尊重學生的前經驗認知,極力運用教學策略幫助學生構建正確的物理觀念．