以能量觀念為引領性學習主題的高中物理“電能 能量守恒定律”單元教學設計

孫 越 付鸝娟 相新蕾

（北京市第一零一中學，北京 100090）

1 以大觀念為引領性學習主題的單元教學設計

1.1 基于深度學習的單元教學

深度學習是一種基于理解的學習，是在教師引領下，學生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學習主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的一種學習過程.［1，2］

深度學習倡導單元教學.通過將單元教學內(nèi)容和素材按照一定的邏輯整合、重構，通過確定引領性的學習主題，編制素養(yǎng)導向的學習目標，設計挑戰(zhàn)性的學習任務和持續(xù)性的學習評價等環(huán)節(jié)，來幫助學生構建起系統(tǒng)化的知識體系，促進學生高階思維能力的發(fā)展，激發(fā)學生的學習主動性，強化對單元核心知識的深層理解.［3，4］

1.2 大觀念引領的物理教學

高中物理學科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學思維、實驗探究和科學態(tài)度與責任4部分，其中物理觀念是物理核心素養(yǎng)的一個重要方面.大觀念是科學教育中提出的一個名詞，在一系列學科觀念群中起核心引領作用，是更加上位的物理觀念.［5］

物理教育并不是讓學生記住公式、定理、定律等結論，真正的理解永遠不能通過“灌輸”來實現(xiàn).大觀念是整合概念知識、解決實際問題、形成核心素養(yǎng)中不可或缺的高階思維.以大觀念引領教學的價值，是使學生在頭腦中建立起學科大觀念，豐富和完善學科中的大概念，幫助學生從物理學科的視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題，有利于將所學內(nèi)容遷移應用到新的試題情境或現(xiàn)實生活中.

讓學生建立和形成物理學科大觀念，僅通過一節(jié)課的教學是很難達成的，而單元教學為落實基于大觀念的教學提供了有力保障.單元教學設計更注重單元內(nèi)容的整體性和連貫性，從知識生成邏輯入手，強化概念與規(guī)律間的聯(lián)系，有利于學生形成物理學科大觀念.不僅如此，以大觀念引領物理教學，還有利于讓教師們從更高的視野與角度去認識教學內(nèi)容，依托課程標準，結合學科教材，構建觀念體系，在一般教學設計的基礎上強化大觀念的引領作用，使概念與知識的建立更具有系統(tǒng)性與條理性，進一步發(fā)展學生的核心素養(yǎng).

2 電路中能量觀念為引領的單元教學

2.1 單元整體教學思路

宇宙中一切形式的能量的總和都是守恒的.能量是守恒量，其轉移和轉化過程不會創(chuàng)造或銷毀能量.能量觀念是物理學科核心素養(yǎng)中重要的物理觀念，電能是能量觀念的重要組成部分.基于電路中的能量觀念形成和發(fā)展的學習單元設計是核心素養(yǎng)落地生根的有效途徑.

人教版新教材《物理》第12章“電能 能量守恒定律”既是前一單元“電路及其應用”知識的拓展，又是能量轉化與守恒定律的具體案例.很適合在能量觀念的引領下，重組單元教學內(nèi)容，開展單元教學設計，促進學生能量觀念的形成.

本文根據(jù)課程標準，結合學科教材，以“能量觀念”作為單元學習主題，統(tǒng)領本單元的教學，是打通知識到素養(yǎng)的通道.能量觀念的組成并不單一，大致包括能量本質(zhì)、能量形式、能量轉移與轉化、能量守恒、能量耗散等維度，且各維度之間相互關聯(lián).［6］本單元從電路中電能的本質(zhì)、電能的轉化與守恒、電路中能量意識與實踐3個維度設計單元教學內(nèi)容（如圖1）.將上位的觀念統(tǒng)領整個單元，將下位的概念和知識點組成單元教學的具體內(nèi)容，形成一個一個自上而下又自下而上的觀念體系，促進知識的整體性和遷移性.

能量包括機械能、內(nèi)能、電能、磁能、核能、化學能等不同類型能量.在電路這一單元中，以電路中的能量觀念為引領性學習主題的單元教學中，能量本質(zhì)是回答電能是什么以及電能的來源；電能的轉化與守恒是本單元的核心內(nèi)容，包括了能量的轉化過程往往伴隨著做功實現(xiàn)，功是能量轉化的量度，以及能量轉移、轉化途徑和過程中的原理和定律；能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規(guī)律之一，具體到電路中的能量并不是取之不盡用之不竭的，有一些能量的轉化具有方向性，很難再次利用.能量意識與實踐是讓學生認識到能量可持續(xù)發(fā)展的意義，具有節(jié)能意識，并能夠利用相關知識指導實踐.

2.2 單元教學課時實施框架

本單元從電路中電能的本質(zhì)、電能的轉化與守恒、電路中能量意識與實踐3個維度設計單元教學內(nèi)容，課時安排按照如圖2所示內(nèi)容開展.其中第1節(jié)課將教材中“電路中的能量轉化”將教材中相關內(nèi)容進行了整合與關聯(lián)，是本章的重中之重，著重體現(xiàn)了以能量觀念為引領的學習主題設計，是整個單元進行其他內(nèi)容和知識教學環(huán)節(jié)的基礎.在第1課時，將電路中能量的轉化直指與之相對應的功能關系，并借助微觀模型構建的科學方法，不僅將電功、電熱等概念有機地結合起來，并且從微觀的角度將能量守恒的本質(zhì)推導出來，幫助學生形成能量轉化與守恒的物理觀念.單元課時分配與教學內(nèi)容框架如表1所示.

表1 “電能 能量守恒定律”單元課時分配與教學內(nèi)容框架

圖2 “電能 能量守恒定律”單元課時及內(nèi)容設計

2.3 以素養(yǎng)為導向的單元學習目標設計（表2）

表2 “電能 能量守恒定律”單元基于物理學科核心素養(yǎng)導向的學習目標設計

2.4 教學活動設計

以能量觀念為引領的單元學習主題設計，主要體現(xiàn)在本單元的第1 課時“電路中能量的轉化與守恒”中，具有挑戰(zhàn)性的學習任務與活動是通過一系列承載著核心知識的驅動性任務完成的.下文主要介紹本單元中第1課時的驅動性任務設計（如圖3）.

圖3 “電能 能量守恒定律”第1課時教學活動設計

環(huán)節(jié)1.電路中的能量轉化.

驅動性任務：如圖4所示，各小組學生將實驗桌上的電路連接好，使用電器能夠正常工作，分析這些電學實驗中能量是如何轉化的？

圖4 學生分組電學實驗

教師提問：以前學過的重力勢能、動能、電勢能，這些能量的轉化是如何實現(xiàn)的？

設計意圖：通過各種各樣的電學實驗，激發(fā)學生的興趣和好奇心，讓學生體會電能與不同形式能之間是可以相互轉化的，并通過復習重力勢能、動能、電勢能的轉化過程，得出能量的轉化是伴隨做功實現(xiàn)的.從而引出本節(jié)課的主題——電路中的能量轉化與守恒.

學生的思維活動由觀察和問題引起，又在不斷復習和分析問題中得到發(fā)展，從而逐步培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng).

環(huán)節(jié)2.電路中的能量守恒.

驅動性任務：在你們組的電學實驗中，能量的轉化過程遵循什么樣的規(guī)律？請用公式表達出來.

學生：討論交流，在學案上寫出本組實驗中能量轉化過程的表達式，比如等等.

教師：讓學生解釋表達式的含義，并進行點評.根據(jù)學生的書寫內(nèi)容，結合電路中的能量守恒定律，總結出每個小實驗中能量轉化過程中滿足E電=Q內(nèi)+E其他，即電源產(chǎn)生的電能等于電源內(nèi)阻生熱與電路中的用電器轉化為其他形式的能量之和.

設計意圖：學生在初中物理中就知道自然界中能量是守恒的，但是根據(jù)電路中的能量守恒關系寫出表達式還是有一定難度的，尤其是有一些學生寫出來的不是能量關系，而是功能關系.鍛煉學生嘗試寫出表達式的過程就是加深其對于電路中能量守恒關系的理解，將實驗現(xiàn)象內(nèi)化為客觀規(guī)律，體會能量守恒定律在電學中的應用.

在這個電路守恒的表達式中，等號左邊對應的是電路中其他形式能轉化為電能的部分，等號右邊對應的是電能轉化為其他形式的能.下面我們就這兩個方面分開研究.

環(huán)節(jié)3.電能轉化為其他形式的能.

（1）電功概念的建立.

驅動性任務：我們都知道能量的轉化伴隨著做功，那么用電器工作時電能轉化為其他形式能，是什么力做功使電能減少呢？

引導問題串：

①需要建立一個怎樣的模型？

②導體中的自由電荷為什么會定向移動？

③如圖5，假設電路兩端電壓為U，電路中電流大小為I，電荷帶電量為q，從左向右定向移動經(jīng)過這段電路的時間為t，推導電場力做功的表達式.

圖5

④根據(jù)電場力做功，判斷電荷電勢能的變化，說明電能是如何變化的？

學生：討論交流，在學案上根據(jù)引導性問題串寫出推導過程.

教師總結：如圖5，電能轉化為其他形式的能，是通過電場力對自由電荷做功實現(xiàn)的.即W 電=E其他，電場力做了多少功，就有多少電能轉化為其他形式的能.從而引入物理量：電功W=UIt，描述電能轉化為其他形式能的多少.

（2）焦耳定律.

驅動性任務：如果電路中所消耗的電能全部轉化為導體內(nèi)能，想一想導體產(chǎn)生的熱量是多少呢？

問題引導：

①從能量轉化的角度推導焦耳定律.

學生：在學案上完成推導過程Q=E電=W電=UIt=I2Rt.

②建立電流的微觀模型，從熱量產(chǎn)生的原因及等效作用推導焦耳定律.

教師借助微觀的物理模型，如圖6，引導學生理解熱量的來源可以等效為電荷定向移動時克服阻力所做的功，即

圖6

設計意圖：從“功能關系”的角度來理解電路中的能量轉化過程，讓學生建立章節(jié)之間的內(nèi)容銜接.通過能量轉化與守恒、微觀模型的構建兩個角度來推導焦耳定律，加深學生對于導體生熱的微觀理解，提高學生運用已有物理知識分析和解決實際問題的能力.

環(huán)節(jié)4.其他形式的能轉化為電能.

（1）電源的內(nèi)部結構.

驅動性問題：為什么電源能夠源源不斷地提供電能呢？

教師：引導同學們建立電源的微觀模型如圖7所示.

圖7 電源內(nèi)部微觀結構

引導性問題串：

①假設電路中能自由移動的電荷是正電荷，分析電源內(nèi)部正電荷的受力情況？

②電源內(nèi)部的正電荷從電源負極跑到電源正極，需要一個怎樣的力？

③這個力的大小如何？

④通過這個力做功，電荷的電勢能如何變化，電能如何變化？

學生：討論交流，在學案上完成解答過程，展示過程并解釋原因.

教師總結：想讓每一個正電荷從電源負極跑到電源正極，需要引入一個非靜電力（電源內(nèi)部非靜電力是化學作用力或者其他形式的力.這里的模型只是一種理想模型，認為電荷在電源內(nèi)部移動時非靜電力是恒力）.通過非靜電力做功，使電荷的電勢能增加.所以，電能的產(chǎn)生是通過非靜電力做功實現(xiàn)的，即

而且電源中每個電荷是勻速率運動的，所以每個電荷受力平衡.

設計意圖：通過驅動性問題，引發(fā)學生對于電源提供電能原因的思考，構建電源的微觀模型，讓學生經(jīng)歷非靜電力建立的完整過程，培養(yǎng)學生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力，借助已有知識分析和解決問題的能力.

環(huán)節(jié)5.全電路的功能關系.

引導性問題串：

①由電源中電荷的受力關系，可以得出各個力的等量關系，以及各個力做功之間滿足怎樣的關系？

②各個力所做功分別對應的是哪些能量？

E電（電源產(chǎn)生的電能），Q電源（電源內(nèi)阻生熱），E其他（電能轉化為其他形式能），即W非=E電，

③你能得出什么結論？

設計意圖：再次從功能關系理解電路中的能量守恒，達到首尾呼應的效果.

板書設計如圖8.

圖8 “電能 能量守恒定律”第1課時板書

在第1節(jié)教學內(nèi)容，突出了電路中能量觀念的引領作用，也從功能關系的角度深入理解能量轉化過程中的守恒關系，在本單元的教學中起到了奠基和鋪墊的作用.在后續(xù)的3節(jié)課中，教師可以在第1節(jié)課的基礎上，由非靜電力做功引出電動勢的概念，由能量守恒關系推導出閉合電路歐姆定律，以及利用閉合電路歐姆定律去推導路端電壓與負載的關系.在此基礎上講解測量電源電動勢和內(nèi)阻的實驗原理.最后1 節(jié)課介紹我國的能源現(xiàn)狀，鼓勵學生提高環(huán)保意識節(jié)能意識.

2.5 評價方案設計

在本單元的教學中，學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與發(fā)展是通過一系列驅動性任務組成的學習活動來實現(xiàn).要診斷學生的素養(yǎng)水平以及能力進階的實際情況，就要設計好持續(xù)性評價方案，即評價目標、評價標準、評價任務、評價方式與評價工具，［4］具體的評價方案設計如表3.

表3 第1課時學習評價方案設計

3 結語

本文是基于深度學習理念指導下的單元教學設計，是一次從理念到實踐的探討.“電能 能量守恒定律”一章的單元教學設計從主題的選取、教學目標的設定、活動以及驅動性問題的設計、評價方式設計等環(huán)節(jié)出發(fā)，形成以能量觀念為引領性學習主題，以目標體現(xiàn)深度學習的要求，以活動確保深度學習的有效開展，并著重描述了以第1 課時的教學設計方案、流程與評價方式，圍繞著能量觀念的引領性主題如何開展教學設計進行了一定的探索實踐.基于深度學習的單元教學設計對轉變學生學習方式、引導學生從淺層學習進入深度學習、讓學生的互動更加體現(xiàn)出思維深層次的碰撞，同時又在深度學習的過程中促進學生整合遷移意識、高階思維能力與學科素養(yǎng)的培養(yǎng).