大概念視域下能量教學的思考與實踐

孫厚升

(江蘇省無錫市僑誼實驗中學，江蘇 無錫 214026)

在《義務教育物理課程標準(2022年版)》中，一級主題“能量”下面分為“能量、能量的轉化和轉移”“機械能”“內能”“電磁能”“能量守恒”“能源與可持續發展”六個二級主題，課標中對“電磁能”這個二級主題要求較高，有兩個“理解”層次的內容，分別是歐姆定律和電功、電功率，[1]所以中考命題對這兩部分內容考查的力度很大，在教學中教師自然也對這兩部分內容情有獨鐘，挖掘頗深。能量的轉化和守恒定律是自然界的普遍規律，它與很多學科都有關聯，和生產、生活息息相關。這部分內容對學生的進一步學習、形成可持續發展的意識都是非常重要的，筆者在大概念視域下對能量教學進行實踐與思考，以期為廣大教師提供參考。

1 能量大概念的深層理解

“能量”作為初中物理重要的課程內容，這樣的安排其實是有深層含義的，若“能量”作為大概念，那么“能量”背后有一個“大觀念”——能量觀念。能量觀念是從物理學視角形成的對能量的總體認識，是與能量主題相關的物理概念、規律等等在頭腦中的提煉與升華,是從物理學視角解釋自然現象和解決實際問題的基礎。從學生的認知進階角度來看，能量觀念的提出超越了以往“功”“動能”“內能”等碎片化的知識內容，而能量觀念的核心內容就是“能量守恒”，[2]本文將通過具體事例予以說明。所以我們有必要對初中生的能量觀念進行潛移默化、循序漸進的誘導和啟發。

蘇科版初中物理教材的理念之一是強化過程、簡化概念，用滲透的方式使學生領悟概念的內涵，指出了能量是整個自然科學的核心概念之一，并與生產和生活息息相關。以八年級上冊為例，第一章第一節就在“生活·物理·社會”欄目中引入聲能的概念(圖1)。主要借助一些不十分嚴格但較易被學生接受的說法加以引入，并試圖分門別類地介紹學生熟悉的能量存在的各種形式(聲能、光能、動能等)，使學生對能量的內涵有粗略但較為具體的認識(圖2)。

圖1

圖2

傳統教材通常是一涉及新概念就急于給出嚴格的概念界定，這是學科本位思想的體現，現在各版本教材的處理方法反映了新課程的理念，把著眼點放在引導學生觀察有關現象，不過分糾纏于概念的嚴格定義，不追求“一步到位”。

能量觀念的形成繞不開能量這個概念。在初中階段如何給學生一個相對科學的定義，筆者發現各版本教材的做法也不盡相同，問題的焦點是先講“功”還是先講“能”。以蘇科版為代表(占絕大部分)的教材先講“功”，以浙教版為代表(少部分)的教材則是先講“能”。這個問題人教版教材在2002年-2004年期間曾作過嘗試，當時先講“能”，后來出于種種考慮還是改過來先講“功”，一直到現在。初中生學習功和能量時總感覺困難，且有很多不適，因為不管先講哪個，都無法很順暢地引入相應的概念，筆者傾向于以蘇科版教材為代表的處理方式，先講“功”。

2 不同教材對“能量”內容的處理

以浙教版為代表的教科書先講“能”，安排在《科學》九年級上冊第三章“能量的轉化與守恒”，本章前三節內容的安排如下：第1節為“能量及其形式”，第2節為“機械能”，第3節為“能量轉化的量度”。第一節中首先提出若沒有能量，日常生活中一些情景能否實現？然后用圖3所示的伽利略理想斜面實驗來說明，小球之所以“記住”了其起始高度，是因為小球“記住”了起始高度的能量，從而引入了能量這個概念。對于初中生來說，這樣處理比較模糊，學生的感覺是“能量”這個東西很重要，日常生活中很多現象都離不開它，但它到底是什么？也許編者認為在這里不要過早界定，留到后面再講清楚，若是如此，本章前兩節干脆略過，直接講第3節，畢竟初中生經過日常生活積累和前期的學習，已經了解到“能量”在自然現象和自然規律中的重要性。

圖3

編者這樣編排或許是受到高中物理教材編排順序的影響，高中既然這樣安排，一定有它的道理，初中教材是不是就可以沿用呢？此時非彼時，初中與高中不可同日而語，原因有二：(1) 學生的知識儲備不同，高中生經過初中階段的學習，對功能關系有一定的了解，具體學習了與能量相關的概念，初步形成了能量觀念，所以在高中物理中直接提出能量概念無可厚非；(2) 高中教材的編排跟初中(以浙教版為代表)有少許差異，因高中生此時已初步形成了能量觀念，也知道能量觀念中的核心內容——“能量守恒”，再用伽利略斜面實驗引入就比較恰當。在這個實驗中，高中還加入了富有啟發性的敘述，譬如在小球“記住”了自己的起始高度后加入“或與高度相關的某個量”(備注：因學生已有重力勢能概念)，并進一步提出：“然而,‘記住’并不是物理學的語言，后來物理學家把這一事實說成是‘某個量是守恒的’”。[3]這樣的處理是合情合理的，在這里告訴學生：能量概念的引入是科學家追求守恒量的一個重要事例。

那么，在初中階段先引入“功”是不是也比較生硬呢？

以蘇科版為代表的教材先講“功”，設計的指導思想為：體現學科、學生認知架構與心理發展的統一，恰當處理學科的邏輯性與學生的認知心理特點之間的矛盾。[4]縱觀整個教材，能量觀念貫穿全書，這也是這套教材的重要特點之一，具體分析如下。

(1) 八年級時分別在相應章節提出“聲能”“光能”“動能”“彈性勢能”“重力勢能”等諸多概念，并展示了各種能量在生活或自然現象中應用，讓學生積累了感性認識，這是一種循序漸進、逐步深化的過程，符合學生的認知特點。

(2) 九年級上冊第十一章第3節“功”在節導言中寫道：“當你舉高物體時，你就應用儲存于身體內的化學能，使物體的位置升高了”，[4]在這里直接提出“化學能”的概念，學生并不感覺到很突兀。接著提出：“在物理學中，就說力對物體做了功。舉起物體越重，舉起的高度越高，就說這個力做的功越多。”這里不僅初步給出了“功”的概念，而且也讓學生體會到“功”是能量轉化的量度，因為生活體驗告訴他們：舉起物體越重和越高，消耗自身的能量(化學能)就越多，即消耗的能量越多，就表示做功越多。

(3) 在第十二章中，教科書的編寫有明、暗兩條線索：明的線索是以現代交通工具——汽車為載體引入的，先后介紹了機械能、內能及其相互轉化等其他相關內容；暗的線索則以能量的概念展開，讓學生了解能量的形式是多種多樣的。在第十二章第1節“動能 勢能 機械能”節首中呈現如圖4所示的情景，提出問題：“為什么要規定汽車在公路上行駛的最大速度？腳踩滑板從高處滑下，為什么會越來越快？”編者的意圖有二：一是物體有做功的本領且這個本領有強弱之分，為正式引入“能量”作準備；二是能量之間可以相互轉化。課程標準對本章相關內容的要求并不高，對“能量”的定義和甄別也低于傳統教材的要求。蘇科版教材中直接指出：一個物體能對另一個物體做功，就表明這個物體具有能量。這僅是對能量概念的一個粗略的定義，在初中階段不必追求這個概念的嚴密性。顯然教材只是簡要告訴學生如何判斷一個物體是否具有能量和怎樣判斷一個物體能量多少的辦法，決定動能、重力勢能大小的因素才是本節的教學重點。

圖4

綜上所述，筆者認為以蘇科版為代表的教材在功能關系上的編排次序更合理，更貼近學生的認知水平，更符合核心素養的培養要求。

3 能量觀念的核心內容——能量守恒在教材中的適當處理與實踐

查閱各種版本初中物理教材發現，“機械能”概念的引入都比較突兀，都是在探究完動能和勢能大小與哪些因素關系之后直接提出的。以蘇科版教材為例，表述為：“在物理學中，動能和勢能統稱為機械能，一個物體可以同時具有動能和勢能。”“大量的事實說明，動能和勢能可以相互轉化。”這里有個問題是，為什么非要把動能和勢能統稱為機械能呢？我們發現諸如“動能”“重力勢能”“內能”等都有自己的定義形成原因，唯獨“機械能”沒有，學生們感覺有點不知所措。教材編寫可能出于下列原因：(1) 課程標準的內容要求中沒有明確指明；(2) “機械能守恒”在新課標中沒有要求，故不同版本教材中有的提到“機械能守恒”，如人教版、浙教版教材等，也有的不提“機械能守恒”，如蘇科版教材等。

筆者認為應在初中階段提出“機械能守恒”，理由如下：

(1) “能量守恒”在“能量觀念”中占有核心地位，具有很高的教育價值。這一點在高中階段尤為重要，在初中階段也應有所啟蒙。讓學生感受到“能量守恒定律”的建立是人類認識自然的一次重大飛躍，是哲學和自然科學長期發展和進步的結果，是大自然普遍和諧性的一種表現形式，而和諧美正是科學的魅力所在。

(2) “機械能”是人類追尋到的第一個“守恒量”。[2]“機械能守恒”是普遍的“能量守恒”的一種特殊形式，是后人總結和概括出普遍的“能量守恒”的依據，所以在初中階段不應該放棄這種樸素的“守恒觀”，從而有必要展示“機械能”概念建構的探索過程。

(3) 在建立動能、勢能等概念后，各種版本教材一般都會利用如圖5所示的單擺加以分析，而分析的結論都表明：動能和勢能可以相互轉化。筆者以為這個情境除了啟發我們得出上述的結論外，更重要的是，這兩種形式能量正是在“此消彼長”的過程(特別是圖5中C點和A點幾乎在同一高度)中，才可能伴隨著“守恒量”。本探究過程帶給學生兩種體驗：一是在理想實驗中運用科學推理，如實驗中不考慮空氣等摩擦阻力等；二是初步領略一種形式的“能量守恒”。這個探究告訴我們：若不計阻力，雖然小球的動能和勢能在發生變化，但二者之和時刻保持不變，我們可以把物體的“動能”“勢能”之和叫作“機械能”，以描述在某種條件下這種能量的“守恒性”，從而向學生初步介紹機械能守恒定律。

圖5

筆者的相關教學實踐具體表1。

表1

4 結語

物理世界是千變萬化的，人們發現有些物理量在一定條件下是守恒的，可以用這些“守恒量”來表示物理世界變化的規律，這就是守恒定律。正因為自然界存在著“守恒量”，而且某些守恒定律的適用范圍很廣，所以，尋求“守恒量”已經成為物理學研究的一種重要思想方法。能量是初中課程內容中的三個“大概念”之一，在教學中除了要讓學生認識到各種形式的能量以及它們之間可以相互轉化外，還要在教學中初步建立能量觀念的核心內容——能量守恒。其中“機械能”概念的建立就是一個很好的“抓手”，雖然機械能守恒只是能量守恒的一種特例，但對學生初步建立整體的能量觀念意義非凡，當然在初中階段不宜過度挖掘，有些內容只能留到后期進一步探究和完善。