高中物理能量大概念的具體內涵

肖風云

摘 要：在課程改革推進、核心素養培養的要求下，如何讓學生站在物理角度認識世界，建構起大概念的物理學科思維和觀念，是物理教學實踐落實的要點。通過加強大概念統領下的學習，能夠讓學生系統化地理解物理知識規律的內涵，促使其形成物理學科思維，靈活地思考和解決物理問題。本文基于能量大概念，從能量本質和形式、轉化和守恒、意識和實踐等方面進行內涵解讀和教學實踐，以促進學生形成正確的能量觀念、能量思維和能量意識，促進其核心素養發展。

關鍵詞：高中物理;能量大概念;內涵

落實核心素養是課程改革的要求，更是在有限時間內實現有價值教學的重要方法。在物理學科中，能量大概念強調知識的關聯性、系統性和串聯性，包含了做功、能量轉化、各模塊物理概念和規律，要求學生從能量角度對知識進行提煉、規劃和升華，形成從物理學角度分析自然現象、處理真實問題的能力。但是，由于缺乏對物理觀念的充足了解和思考，學生很難建構起能量大概念，如何為學生搭建通過物理能量大概念的通道，使其將知識與概念進行融合，是教學設計中需要關注和解決的重點問題。本文立足高中物理能量大概念，將其解析為能量本質和形式、能量轉移和守恒、能量意識和實踐，圍繞這三個維度展開教學實踐討論。

一、物理能量大概念概述

（一）概念

在學科觀念群中，大概念起著統率、引領各個子概念的作用。相較于普通的觀念，其更具抽象性，并非是某方面的具體規律、原理或概念，而是對一般概念、意義的概括，經過對各個物理小概念的歸納、糅合，形成統領大量小概念、反映物理本質的模型和思想，從而形成更高層面的物理學科思維和觀念。在能量大概念的引領下，各個獨立的概念能夠建立起有效聯結，便于學習者摸清概念間存在的縱橫關系，實現概念認知中的知識遷移，幫助其掌握運用于實際情境的能力，具有極強的解釋力和適用性。舉例來講，相較于位移、速度、加速度等詞匯類概念，大概念更傾向于運用“一句話、一個問題、一個短語”揭示核心問題并建立起各個概念間的聯系。大概念類似于容納多個小概念的集合，以無形的框架銜接各個概念，使得處于離散狀態的小概念形成相互聯系的結構，比之小概念，其具有更明顯的遷移和應用屬性。但是，大概念往往存在內隱性特征，只有教育者主動去揭示才能有效呈現。

（二）特點

從物理能量大概念特點上看，其占據了物理學科的中心位置，是將關于能量的自然現象進行高度抽象化后形成的核心概念;在物理學科內容上，大概念的構建能夠幫助學生形成靈活、整體、多元的思考方式，有助于學生進行知識的遷移、認知和理解，在討論中加以論證;在物理知識結構上，學科網絡知識框架主要由小概念和其他大概念、大概念和具體的物理主題構成;在物理文化特性上，大概念的構建契合了人們追求科學、探索規律的思維邏輯，實現了對抽象性規律的整體統攝。在物理知識應用上，大概念的解釋力、適用性較強，與科技、生活等方面密切相關，能夠對大范圍的物理現象、事實進行解釋。

在基于大概念的教學框架下，教師需要對框架、體系內的知識進行分層、分級整合，形成多維度、多層次的概念體系。在物理能量大概念中，要圍繞功能關系為核心，以動能、勢能、電場能、磁場能、內能等概念為基礎，才能實現全過程貫穿“能量觀念”的目標。通過分析居于下位的三個能量維度——能量本質和形式、能量的守恒和轉化、能量意識和實踐，讓學生由淺入深地理解能量大概念，形成能量觀念。

二、物理能量大概念統領的結構體系

在能量大概念的分析中，需要運用學習進階理論進行基本知識體系的建構，以概念發展、進階層面進行小概念關聯，構建能量大概念，需要應用到以下三種模型：其一，階梯式模型，主要是以單線式方式分析能量概念進階，整個過程猶如攀登階梯，能量大概念的建構需要達到階梯終點;其二，螺旋式上升模型，類似于走之字形上坡路線，通過反復學習討論同一內容，不斷地擴展內容深度、增強難度;其三，拼圖模型，概念并非以縱向形式拓展，而是如拼圖一般進行橫向延伸、拓展，建立起多個小概念的橫向關聯。

基于知識邏輯的初高中物理教材，主要將力學、熱學、電學、光學、原子物理劃分成知識模塊，以螺旋上升形式進行知識深度、難度的遞進。學生在初中階段要初步形成物理觀念，能夠站在物理角度分析自然現象……高中物理在此基礎上進行拓展，構建起力學、電磁學、熱學和近代物理的邏輯知識體系。在課程改革理念下，可打破固有的邏輯體系，關于“相互作用與運動定律”“機械運動與物理模型”“機械能及其守恒定律”“靜電場、電路與電能”“電磁感應與交變電流”等各個部分內容，都可以從功能關系、能量大概念角度進行學習討論，各個部分知識規律都能體現能量守恒與轉化的觀點。在這樣的大概念組織結構下，各部分知識能夠以網絡化形式呈現，更引入了最近發展區理論，圍繞一系列原理發展進階，使得各個小概念以相互關聯形式歸屬到能量大概念下。例如：在力的概念構建上，可以從內容、形式、做功這三個角度進行分析，力的內容主要包括了不同性質的力，如電磁力、萬有引力、強力、弱力，而重力、彈力、摩擦力等屬于最基本的力學概念;在力的表現形式上，主要包括力存在的本質特點，如三要素、獨立性、互相性、矢量性、物質性等;從做功的角度分析，均伴隨著各自的功能關系與能量轉化。再如，在勢能的概念構建上，基于功能關系和能量大概念的支持，構建出重力勢能、彈性勢能、電勢能、分子勢能、引力勢能等概念，以重力勢能為基點，引導學生進行概念認知學習、重力做功特點探究，從生活視角進行物理概念認知，再聯系其他勢能進行分析、類比、歸納，從而建構起完善的能量大概念知識體系。（見圖1）

三、高中物理大概念具體內涵分析

（一）關于能量的本質與形式

從物理學層面看，能量存在宏觀、微觀的物質運動中，能夠以多種形式呈現在自然界，如熱能、化學能、機械能、電能等。我們需要在教學中幫助學生建立起對能量概念的認知。在具體認知環節中，能量概念抽象性極強，學生很難在簡單的語言解讀下理解“能量本質是什么”。教師應抓住教學重點，從守恒觀點開展教學活動，讓學生認識到能量是一個守恒量，再對功能關系層面的內容進行解讀，讓學生了解能量守恒的原因。

在高中物理教學中，力學是最先體現能量概念的模塊。在掌握這部分的公式和理論知識后，教師可以引導學生從能量角度對力學的特點進行表征，通過分析能量轉化、功能關系對受力與運動過程進行描繪，使其在學習中感知和認識能量觀念。對于包括了功、動能、勢能、功能關系的章節內容，教材對能量的概念進行了介紹和解讀，教師可以讓學生結合動能、重力勢能、彈性勢能、功與功率等概念進行概念認知。在理論性認知和解析的基礎上，教師可以設置物理能量和探究實驗交叉的學習活動，組織學生對功與速度變化的關聯性進行探究，分析釋放的粉筆頭從靜止狀態到越下降越快的狀態、小皮筋拉動小車做功等實驗活動，順勢呈現動能定理，并以實驗演示形式讓學生熟練掌握定理、概念。然后，開展重力勢能與重力做功關系的探究活動，使得學生由概念認知發展到觀念樹立階段，構建起“勢能可以伴隨做功轉化，且勢能變化受做功量多少的影響”的觀念。通過遞進式的學習活動，讓學生在建構知識概念的同時，不斷地補充和完善大概念結構。在后續的物理學習模塊中，包括電磁學、電路、光學等相關問題，能量概念也能為學生思考、分析問題提供支持。所以，教師應有意識引導學生結合能量觀念進行概念分析、知識建構，讓學生構建知識結構和大概念體系相統一的能量觀念。

（二）關于能量的轉移和守恒

在深層能量觀念中，在物質運動、能量發生轉移和轉化時，能量本身不會被創造或銷毀，其總能量仍遵循守恒原則。比如，在自然界中，能量產生、耗散、轉化，均體現了能量轉移的方向性。在宏觀的轉移、轉化過程中，功可以作為能量從一種形式轉化為另一種形式、一個物體轉移到另一物體的量度單位，能量的觀點能夠為學習和理解物理知識、破解物理問題提供有效借鑒。

在物理課堂教學實踐中，教師應有意識地使用能量分析方法，讓學生形成能力分析、轉化的思考方式和思維習慣。例如：在電磁感應中，對于楞次定律“阻礙”二字的理解是教學難點，借由能量大概念的引領可輕松破解難點并加深理解，在導體棒切割磁感線的運動中安培力必須阻礙運動，機械能減少了轉化為電能，反之安培力若不是阻力而是動力，那么導體棒只要輕推一下就可以永遠運動下去，這不符合能量守恒定律。基于能量角度的分析方法，可使學生發現、分析和處理問題的效果得到提高，幫助其迅速形成問題解決思路。同時，在高中整個知識體系和框架中，能量與各個分支具有著不同程度的聯系，這就會給學生使用能量分析方法帶來一定挑戰。教師應幫助學生明確不同知識間存在的關系，使其精準地把握不同知識、規律中能量分析法的使用差異，不斷地將知識進行綜合化、系統化。例如：在講解電場這部分內容時，學生往往很難對電勢能形成正確認識。這時，教師可以圍繞能量大概念，讓學生從局部知識的能量分析中總結經驗，以類比和遷移的方式進行學習和探索。由于學生已經完成了重力做功、重力勢能的能量學習，了解了二者間能量的變化、流動。所以在電場的教學實踐中，教師可以讓學生以參照前者的分析方式進行研究，讓學生回憶在重力場中重力做功的特點，從能量角度分析電場中電場力做功的特點，將電場力做功與電勢能變化、重力做功與重力勢能的變化聯合起來討論。通過這樣類比探究場景，學生能夠將抽象且陌生的學習內容與熟悉的重力場分析結合起來，不斷地拓展和豐富能量大概念結構，幫助其將抽象內容轉變為形象化場景，強化其認知思維和能量概念。在后續學習和探究帶電粒子偏轉的知識內容時，學生可以再次以能量分析的方式進行類比，更快地找到問題點，促進其問題解決能力得到提高。

（三）關于能量的意識和實踐

基于能量本質、形式的掌握，以及能量守恒分析方法的運用。教師還應重視物理能量意識和實踐維度，將能量意識和實踐補充到大概念中，讓學生認識到能量知識能夠支持新能源的開發，為解決社會能源問題、提高資源利用率提供思路。在社會發展中，必不可少的是能源，但能源存在有限性，這就需要教師培養學生的環保意識，讓學生認識到開發新能源和節能減耗是持續利用資源的路徑。

對于學生已經認知的能量守恒規律，其容易產生能量總是不變的觀念。這時，教師應對能量耗散帶來的問題進行解讀，讓學生從認識到能量轉化、耗散的方向性，進而了解到人類要有節制地運用自然界的能量。例如：對于煤炭、天然氣、石油、核能、水能等，這些資源均歸屬于不可再生能源，教師可以對上述資源的過度開發、利用帶來的危害進行討論，讓學生認識到能量的耗散與人類社會發展、生存具有密切的聯系，以列舉生活、生產范例的形式探討提高能量利用率的相關內容。通過解讀這部分內容，能夠引導學生樹立起節約資源、愛護環境的能量意識。同時，能量轉化、轉移使得人們可用資源不斷減少，這就需要人們在加強環保工作的同時，根據自然發展規律進行新能源的開發和開采。例如：教師可以對先進科技支持下的新能源開發、利用進度進行講解，如我國海上風電、陸上風電的布局，光伏發電配套工程建設、水電可再生能源利用等。在梳理完成上述知識后，教師可以開展“電費消耗”清單的制作活動，讓學生對家用電器的月消耗電能進行統計，如電腦、電視、洗衣機、冰箱等，完成對電器銘牌上額定功率的閱讀，再根據各種電器的使用、待機時間進行用電量的預估。然后對電能表起始數值進行記錄，對實驗數據進行記錄，最后結合統計的數據，針對性地設計節能方案，提升其能量實踐能力。通過建立能量觀念間的相互聯系，構建知識本質、規律認知→功能轉化關系→能量意識和實踐的教學路徑。在最后的能量意識和實踐分析中，主要從能量耗散、新能源開發角度進行分析，作為最后的兩部分知識內容，其旨在將能量大概念知識與社會生活和生產活動相聯系，讓學生由知識規律認知、能量觀念形成過渡到功能轉化、能量守恒的應用上，形成能量應用意識、實踐能力，塑造正確的能量意識、強化能量實踐能力是這一環節的重要任務，通過圍繞能量耗散、能源持續利用、新能源開發活動進行相關資料的搜集、查閱，引導學生對提高資源利用率、新能源開發的重要性形成正確認知。在能量意識、觀念形成的基礎上，通過設計、開展能量實踐拓展活動，讓學生將能量大概念帶入生活實踐中，從電器用電量調查和實驗認識到節能環保的重要意義，并針對性地制訂節能方案，真正將大概念統領的能量意識運用到實踐中。

四、高中物理能量大概念的教學評測

對能量大概念教學效果的檢驗，必須要從過程性、終結性評價兩方面入手，客觀地評測學生的認知能力、知識結構和能力結構，為優化能量大概念教學設計提供數據支持。首先，開展過程性評價。在學生學習全過程中，對其各方面學習動態的了解、過程性資料的采集十分關鍵，對學生能量觀的形成結果具有重要影響。為了順利地實施、優化能量大概念教學，對學生物理學概念掌握情況、物理能量觀的建立程度進行評價，需要設計和應用教學評價卡，通過學生自評、小組互評、教師輔導評等方式，及時地把握各個學習環節中的問題，為優化教學設計提供藍本。在具體的評價記錄卡上，需要包括課前、課中、課后三個評價板塊，學生要在學習前、學習后描述對能量觀念、大概念的認知，并將存在的疑難問題加以記錄以便反饋。在課中板塊，設計教師發言、小組研究、學生聆聽、合作協同、教學反思等板塊，讓學生在學中思、在思考中探究、在探究基礎上分享和反思，并完成對課堂各個環節表現的獨立評價、小組評價和教師評價。同時，實施終結性評價。基于能量大概念知識學習任務的完成，對學生概念認知、觀念形成、思想方法等進展情況進行考查。考查手段以檢測題方式進行，主要由敘述題、選擇題、解答題等開放性題目類型，對學生能量觀念的形成、發展情況進行綜合測評。最終通過對學生作答情況進行統一分析，完成對學生能量觀念建構的評價，便于教師抓住根本性問題，進一步地優化教學方式和設計。在測試題編寫項目上，要從核心概念外延到能量大概念的各個子概念上。例如：在能量本質和形式上，涉及能量定義、存在形式、動能和勢能關系等知識的測試;在能量的轉移上，涉及物理運動中動能轉化重力勢能，燒水中能量轉移，動能、重力勢能和彈性勢能三者間的轉化等;在能量守恒上，涉及能量守恒的基本概念、具體體現、在電磁感應中的體現等;在能量耗散中，涉及電能轉化為內能、能量利用率、機械能轉化為內能、能量轉化的方向性等內容。通過針對上述能量知識點進行檢測題設置，對項目檢測難度、水平進行優化，確保其契合學生能量觀念的發展需求。這樣形成的檢測問題，能夠確保終結性評測結果的可靠性，從而更加全面、合理地測試能量觀念發展程度。

結束語

綜上所述，能量大概念與物理教學的融合是貫徹核心素養、鍛煉學生思維能力的重要渠道。教師應在開展教學的同時，從大概念角度對物理能量的相關知識進行整合，引導學生進行概念認知、探究分析和實踐操作，并加強過程性、終結性教學評測，促使其能量觀念向更高層次發展，從而促進物理教學活動的有效開展。

參考文獻

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本文系福建省教育科學“十三五”規劃2020年度常規課題“大概念統整下高中生物理能量觀形成的研究”（課題編號：2020XB0490）的階段性成果。