初中生物理能量觀念的認知測評與教學建議

王長江 盛洋

摘 要：能量觀念是物理學科核心素養的重要內容.本研究以馬扎諾的教育目標分類學為理論基礎，對初中生的能量觀念的認知水平進行理論分析，以785名初中畢業生為實驗樣本，以自編的初中物理能量觀念問卷為研究工具，對初中生能量觀念的認知水平進行測評，研究發現：初中生物理能量觀念的認知水平整體上處于理解與分析的中間水平;對5種能量子觀念的認知都低于分析水平，其中能量轉化觀得分最低，處于理解以下的認知水平.最后，提出教師應該引導學生建構完整的物理能量知識圖景、以能量觀念統領能量知識教學的兩條教學建議.

關鍵詞：初中物理;能量觀念;認知水平;教學

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）02-0009-04

作者簡介：王長江（1972- ）男，寧夏石嘴山人，博士，副教授，研究方向：教師教育、科學教育、物理教學研究;

盛洋（1995-），女，安徽銅陵人，碩士，研究方向：中學物理教學研究.

1 研究背景

能量是《義務教育物理課程標準（2011年版）》的三個一級主題之一，能量觀念是物理學中關于能量概念、規律等能量知識的提煉、升華，是對能量世界的一種根本認識，是中學物理學科核心素養的重要內容.

英國教育專家溫·哈倫教授曾提出了十個關于科學知識的大概念和四個關于科學本身的大概念，其中關于能量的大概念表述是：在宇宙中能量的總量是不變的，但是，在某種事件發生的過程中，能量會從一種儲存形式轉化成另一種儲存形式[1].美國在2013年頒布的《新一代科學教育的標準》中物理學科包含四個核心概念，物質及其相互作用、運動和穩定性：力和相互作用、能量和波及其在信息技術中的應用[2].能量也是以一個單獨的核心概念被提出來，其支撐概念主要包含能量的定義、能量的守恒、能量的轉移、能量與力之間的關系以及化學過程中的能量與日常生活.在國內，梁旭認為，觀念既然具有總體性和綜合性，也必然具有階段性和結構性，因此他提出了“子觀念”的概念，并將能量觀念劃分成六個子觀念，分別是能量普適觀、能量多樣觀、能量轉化觀、能量量度觀、能量守恒觀和節能環保觀[3].伍苗苗也將能量觀念進一步細分，將能量觀念劃分成五個基本觀念，分別是能量本質觀、能量形式觀、能量轉化觀、能量耗散觀和能量守恒觀[4]，并對每個基本觀念都進行了解讀.

我們注意到，在國內能量觀念的相關研究中，更多的是對能量觀念內涵以及教學的探討，側重的是以教師為主的研究，對于從學生的學習視角，“學生能量觀念的認知水平”等相關研究尚未受到重視.基于此，我們開展初中物理能量觀念的認知測評研究.一方面本研究將為高中物理能量教學提供學生的認知水平起點，為提升高中物理能量觀念教學提供證據支持.另一方面，本研究將為初中物理能量觀念教學提供學生的認知水平終點，反映初中生物理能量觀念的認知水平，為中學教師改進初中物理能量觀念教學提供證據支持.

2 初中物理能量觀念的認知水平分析

開展初中能量觀念的認知測評研究，首先要對初中物理能量觀念的認知水平進行理論分析.

能量觀念的建構是一個發展的過程，不同學生對能量觀念的認知水平存在差異.馬扎諾的“新教育目標分類學”中，將認知水平劃分為提取、理解、分析、知識應用[5].依據馬扎諾的認知發展理論，我們將學生能量觀念的認知發展劃分為四個水平：第一，提取水平，學生能夠回想起能量的基本概念和規律，在被提及這些知識時能夠回憶起相關的定義、公式以及基本信息等;第二，理解水平，學生能夠用簡單的、概括的形式組織、提煉出能量相關知識的主要特征，并且能夠描述和識別出能量知識重要與不重要的方面;第三，分析水平，學生能夠比較不同能量知識之間的異同，能夠將屬性相同的能量知識進行歸納與總結，還能夠辨別知識的真偽，以及能夠重新組織這些知識產生新的見解并應用于新的環境中;第四，知識應用水平，學生能夠將知識應用于具體的任務中，能夠選擇最佳的選項，能夠解決任務中存在的障礙或限制條件，最后能夠實現目標.

在相關研究的基礎上，我們將能量觀念劃分成五個基本觀念（如圖1所示），其抽象定義如下.

能量普適觀：能量普遍存在于生活生產中.

能量多樣觀：能量可以通過多種的形式來儲存，其表現形式是多樣的.

能量轉化觀：各種不同形式的能量之間可以轉化，不同物體所具有的能量也可以進行轉移.

能量守恒觀：能量既不會憑空產生也不會憑空消失，只能從一種形式轉化成另一種形式，或者從一個物體轉移到另一個物體，在轉化與轉移的過程中，能量的總量保持不變.

能量耗散觀：雖然總的能量是保持不變的，但并不能被全部利用，會有部分能量耗散掉.

每種能量子觀念都從提取、理解、分析、知識應用等不同的認知水平進行說明（見表1）.

3 初中物理能量觀念的認知測評

問卷題目內容是以提取出的初中能量觀念相關知識為基礎.問卷采用二段式測驗.采用的是主客觀題相結合：第一問是以選擇題的形式呈現（回答準確記4分，錯誤記0分），第二問要求學生解釋在第一問中作出的選擇（按照評分標準，達到提取、理解、分析、知識應用分別記1分、2分、3分、4分）.問卷經過兩次專家效度的檢驗，并經過試測后再次修改，最后形成由10道題組成的正式的測試問卷.

3.1 初中物理總體能量觀念的測評分析

利用SPSS22.0統計軟件處理數據，對總體樣本的集中趨勢以及離散程度進行描述，以了解學生能量觀念的認知水平.

由表2可知，被試總體能量觀的平均分是2.1364，表明初中生能量觀念的認知水平處于中等，處于從理解向分析水平過渡的階段，還不能依據已知知識建構和證明能量觀念;不能應用能量觀念知識解決具體問題.

從被試總體的回答情況來看，學生解決能量問題時思維更多停留在問題本身，沒有發展到“分析”水平.在陳述理由的過程中，很多學生更多還停留在單一的、零散的知識使用狀態，還不能夠站在能量總體的視角去看待問題.現階段初中生能量觀念水平較低的原因主要有：其一，物理觀念（包括能量觀念）是核心素養框架下高中物理課程目標的重要內容.核心素養框架下的初中物理課程標準還沒有頒布，初中物理教師對培養學生的物理觀念目的性不明確，沒有在教學中有意識、有計劃地培養學生的能量觀念.其二，能量知識是有層級結構的.關于能量的一些事實性知識處于低端，能量觀念處于頂端.限于初中生思維發展的階段性，他們對能量知識的認識、理解具象性較多，還沒有學會分析、運用知識，因此這也可能造成學生對能量觀念的認知水平較低.

3.2 能量子觀念的認知測評分析

5個能量子觀念的認知水平的平均分層次不齊，但是都低于3.00分，表明被試初中生整體的認知低于分析水平.

3.2.1 能量普適觀的認知水平分析

對能量普適觀的有兩個題目，被試平均分是2.7583，表明學生處于理解水平向分析水平過渡的階段，部分學生已經達到分析水平，能根據能量的普適性分析自然現象.在學生給出的選擇理由中大部分都是“任何物體都具有能量”，還有部分給出的是“任何物體都具有內能”，內能本身就是能量，也就是任何物體都具有能量.

在教科書中對能量的描述是：只要物體能夠對外做功，這個物體就具有能量.但并沒有說明任何物體都能對外做功，更沒有說明任何物體都具有能量這樣的結論.被試學生對于下面選項“冰山沒有內能，火山有內能”“一節單獨的干電池沒有能量，將干電池與用電器連接成閉合回路之后干電池才有能量”“秸稈在不燃燒的時候沒有能量，在燃燒時有能量”無從判別.部分學生能夠概括出能量具有普適性，但在具體問題情境中面對實際的問題時，卻不能夠靈活應用.

3.2.2 能量多樣觀的認知水平分析

從測試結果來看，整體初中生的能量多樣觀處于理解水平向分析水平過渡的階段.能量是以不同的形式存儲于各個物體中，單一物體中也可以同時存儲不同形式的能量.不少學生認為空氣沒有重力勢能，導致選項“流動的空氣不僅有動能，也有重力勢能”判斷錯誤，充分表明：初中主要學習機械能、內能和電能，對其他形式的能量也有所介紹，但不深入.學生對不同形式能量的認識要比對能量普適性的理解難，首先學生要判斷一個系統是否存在能量，然后還要識別能量的形式，比理解能量普適性還要多一個過程.而且能量的形式多種多樣，有些形式的能量還存在相似性，容易造成學生識別錯誤.

3.2.3 能量轉化觀的認知水平分析

對能量普適觀的也有兩個題目，能量轉化觀的得分是五個子觀念中得分最低的，平均分只有1.7618，說明學生對能量轉化觀的認知水平是最低的，平均水平處于提取向理解過渡的階段.

考查能量轉化觀的題項1的情境是：如圖所示是蹦極運動的簡化示意圖.彈性繩一端固定在O點，另一端系住運動員;運動員從O點自由下落，到a點時彈性繩自然伸直，b點是運動員速度達到最大的點，c點是運動員到達的最低點（忽略空氣阻力）.從得分的頻率直方圖來看，出現三次不連續的集中趨勢，第一次是在0分的位置，說明這部分學生對能量之間的轉化沒有呈現出任何信息或者是沒有任何有關系的信息，他們對能量之間的轉化是模糊的.第二次出現的集中范圍在0.5分到1.5分，結合問卷中具體的得分點會發現，這部分學生能夠提取簡單情境中的能量信息，但是一旦涉及多種形式的能量之間的轉化時，學生就不知道要從何處開始著手.

3.2.4 能量守恒觀的認知水平分析

整體的能量守恒觀的水平也只達到理解的水平.可能的原因是“能量的守恒觀”是中學物理中不斷進階的物理觀念.在現實生活中學生錯誤地認為，能量在轉化過程中不斷損耗，需要不斷地提供能量才能保持原來的狀態.受此錯誤前概念的影響，加上初次接觸能量觀念，導致學生無法深入理解能量守恒觀.盡管部分學生意識到總的能量守恒，但是在具體情境分析時，由于有很多的干擾信息對學生的分析造成一定的困難.

3.2.5 能量耗散觀的認知水平分析

能量耗散與能量守恒之間存在密切的聯系，學生對能量守恒理解不夠深入、認知水平較低，也會導致其對能量耗散的理解無法深入、認知水平不高.多數學生知道能量的轉化過程中存在能量的損耗，但也僅僅停留在“提取”層次，至于能量以什么方式損耗、損耗了多少等都需要學生進一步分析，這些問題造成學生學習的困難.另外，在不同的情境中不同形式的能量是以不同的狀態存在的，在這個情境中可能是以損耗的能量存在，但在下一個情境中就并非是損耗的能量.這就需要對具體的情境具體分析.

4 初中物理能量觀念的教學建議

從測評結果來看，初中生在完成學業后，對能量觀念的認知達到理解與分析的中間水平，距離“知識應用”的水平還有很大的差距.針對這一現狀，我們認為應該建構完整的物理能量知識圖景，以能量觀念統領能量知識的教學.

4.1 促進深度理解，建構完整的物理能量知識圖景

在以往教學中，教師注重的是學生對能量的事實性知識、概念、規律等的認識及理解，教師會以物理教科書為本，按照教科書上對能量知識的安排逐個攻破，學生形成的仍舊是關于零散的、碎片化的能量知識，是對能量世界的片面認識[6].在教學中有必要將能量的知識層級結構，從事實性知識、概念、規律向上提煉、升華，達到能量觀念，幫助學生建構更為完整的能量知識圖景.在課時教學、單元教學中，應該幫助學生理清能量事實、概念、規律以及概念之間的聯系，尋找到一條清晰的邏輯鏈條.下面以初中物理“內能的利用”一章為例來說明（如圖2所示）.

在未學習本章內容前，學生通過日常的生活已經知道：燃料的使用能夠給人類的生活帶來便利;各種交通工具為人們出行帶來了便捷.通過本章的學習，知道燃料是通過將自身的化學能轉化為內能后，再轉化成其他的能量;對熱機、熱值和熱機效率的認識加深;涉及的能量規律主要是能量的轉化和轉移規律以及能量守恒定律.在傳統教學中，學生對于能量認知最高階止步于能量規律（如圖2虛線框內左邊部分所示）.如果想要對能量知識有更完整的認識，還需要引導學生在此基礎上進階到能量觀念.對于內能，應該引導學生認識到：內能是物體內部全部分子做熱運動時的分子動能和分子勢能的總和;內能只是能量存在形式的一種;能量還是普遍存在于物體中.燃料在使用的過程中，總的能量數量是保持恒定的，但在可利用的品質上是逐漸減少的.

4.2 更新教學理念，以能量觀念統領能量知識教學

從傳統的能量教學來看，教師也常常設計基本問題，但由于止步于能量概念或能量規律教學，這可能是現階段初中生的能量觀念整體水平較低的一個主要因素.我們建議，為了提高學生能量觀念的認知水平，要更新教師的教學理念，以能量觀念統領能量知識的教學，以基本問題驅動教學進程，幫助學生將能量知識進行提煉和升華，形成更加完整的認識.同樣以初中物理“內能的利用”一章為例來說明（圖2的虛框右邊部分）.

在設計教學方案時，我們建議應從頂層的能量觀念教學預設向底層的具體知識教學預設推進.首先，將能量觀念認識轉化為能量觀念問題，明確在這一章中培養學生什么樣的能量觀念：能量普適觀對應“能量存在有條件限制嗎？”;能量多樣觀對應“能量如何存儲于物體中？”;能量轉化觀、能量守恒觀以及能量耗散觀對應“能量轉化過程中有什么特點？”.其次，將能量觀念問題分解為能量規律問題：燃料釋放的能量都去哪了？能量消失了嗎？再次，將能量規律問題具體化為能量概念問題：“什么是內能？”等.以燃料的使用提出熱機，對熱機工作原理的分析過程以及能量去向的分析中滲透能量轉化、能量守恒以及能量耗散的概念.最后，將能量概念問題具體化為能量事實問題：燃料為什么能給生活帶來便利？熱機有什么作用？以基本問題驅動的教學設計，將幫助提升學生對能量觀念的認知水平，幫助學生建構完整的能量知識圖景.

參考文獻：

[1]溫·哈倫，韋鈺譯.以大概念理念進行科學教育[J].中國科技教育，2020（01）：80.

[2]韓思思，羅瑩.科學教育研究新進展：美國新一代科學教育測評[J].課程·教材·教法，2019，39（06）：131-137+30.

[3]梁旭.物理觀念的結構與形成過程探究[J].中學物理教學參考，2018，47（09）： 22-26.

[4]伍苗苗，張軍朋.高中物理能量觀念的內涵、構成與認知層次[J].中學物理教學參考，2017，46（09）： 1-4.

[5]黎加厚.新教育目標分類學概論[M].上海：上海教育出版社，2010.

[6]譚慶仁.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[J].物理教師，2018，39（12）： 34-36.

（收稿日期：2020-10-09）