基于單元設計的高中物理教材能量概念進階研究
——以粵教版“機械能及其守恒定律”為例

楊 博，張軍朋

華南師范大學物理與電信工程學院，廣州 510006

能量是科學領域最基礎、最核心的概念。在物理課程中，能量觀念作為物理觀念的組成部分，構成了物理核心素養中具有基礎性和重要性的一環。同時，整合和發展作為當今科學課程改革的核心理念[1]，具體到“能量觀念”的教學中便是圍繞“大概念”組織能量概念，并通過學習進階的設計，實現學生螺旋式思維的發展。落實到教學實踐上，其中一種思路便是打破課時限制，開展整體化有序的單元教學[2]，進行單元教學設計。

綜上所述，圍繞大概念和學習進階進行教材分析有助于在整合與發展的理念下開展單元設計教學。本文以新粵教版高中物理正文部分（以下簡稱“教材”）為例，研究教材必修二的能量概念的進階框架。

1 高中物理教材中能量概念進階框架

1.1 理論框架

Yao等人結合“能量關鍵概念”以及“學生發展能量概念的過程”兩個維度，經驗證后提出了一個二維精細化能量進階框架[3]。該框架的橫軸為能量的四個關鍵概念，縱軸為四個概念發展層級。本文理論框架由兩個維度組成，橫向維度按照教材順序構建不同主題內容下能量相關概念、規律之間的聯系；縱向維度根據科學概念理解發展層級，建立教材中能量概念進階的連接。

（1）能量大概念

大概念包括共通概念和核心概念，共通概念側重跨學科內容，而核心概念側重整合某一學科內的知識[1]。本文中的能量大概念指在物理學科中能量相關核心概念的組織。參考許浩[4]、姚鴻棟[5]、伍苗苗[6]等人的研究，將能量大概念分為能量本質與形式、能量轉移和轉化、能量守恒三個維度，如表1所示。

表1 高中物理能量大概念條目

新課標中的高中物理課程結構中與能量相關的主題如表2所示，本文選取粵教版高中物理教材必修二中“機械能及其守恒定律”模塊為例。

表2 新課標中與能量相關的主題

（2）能量概念發展層級

北師大郭玉英團隊在層級復雜度和知識整合等認知理論的基礎上，經數輪的實證檢驗，提出了科學概念理解的層級模型，分為經驗（Facts）、映射（Mapping）、關聯（Relation）、系統（Systematic）及整合（Integration）[7]，細化到物理觀念領域中。西南大學毛予廷[8]提出層級模型，而后有學者將其發展為學習進階五級模型，包括物理現象、物理概念規律、物理核心概念、物理子觀念、物理觀念[9]。新課標中也對物理觀念水平進行了劃分，基于以上參考文獻，界定能量概念發展層級如表3所示。

表3 能量概念發展層級

1.2 教材能量概念進階框架

建立分析框架，從橫向和縱向兩個維度對教材中能量概念的組織進行研究，如圖1所示。

圖1 教材能量概念進階框架

由圖1可知，橫向主要考查教材中不同核心概念之間通過物理概念、物理規律進行聯系的方式；而縱向側重于分析教材是如何描述物理現象的，進而研究從物理現象到物理概念、規律，再到物理核心概念，最后到能量觀念的聯系和進階過程。不同的能量概念、不同發展層級之間使用箭頭進行連接。本文使用的主要連接詞及其涵義如表4所示。

表4 主要使用的連接詞及其涵義一覽表

2 基于單元設計的高中物理教材分析

“機械能及其守恒定律”主題模塊內容來自必修二第四章，涉及到的物理概念有功、功率、動能、重力勢能、彈性勢能等，涉及到的物理規律有功的計算、正功和負功、做功與能量變化的關系、重力做功、動能定理、機械能守恒定律等。

根據課程標準，“機械能”概念在必修一“機械能及其守恒定律”主題模塊下主要圍繞“功和功率”“動能和動能定理”“重力勢能”以及“機械能守恒定律”四個內容展開，從現象到定理再到定律逐級深入。機械能是學生首次接觸到守恒這一物理思想，對于學生能量觀念的形成有著重要的意義；以功和能的概念及功能關系為基本線索，從能量視角出發的研究范式也會為學生之后學習電勢能、內能等內容打下基礎。

2.1 功和功率

功是能量變化的量度，也是學習機械能的基礎，對功、能概念和功能關系的理解貫穿整章內容。首先，教材中展示多個生產生活中的例子，如“起重機吊起重物”中的“吊”“起”暗含力與位移兩大要素，從而總結出功的定義，喚醒學生的先驗知識。接著，從功的定義推導功的計算。高中對功的計算理解要求在初中的基礎上進一步拓展到當力與位移成一定角度時的計算及正、負功的含義。

此外，教材從功和能的聯系入手，用揮動的鐵錘能改變鐵條的形狀（對鐵條做功）說明運動中的鐵錘具有能量，而鐵錘在對鐵條做功時，兩者的能量發生了轉化，點明做功與能量變化之間的關系，總結出功是能量變化的量度，為后續的學習進行鋪墊，同時也將學生對功的理解提升到能量本質。

在功率上，教材先從實際情境出發，通過比較人力和機械做功的快慢引入并總結得出功率的定義，重點在于對比功率的不同表達式，進而應用公式計算實際問題，并對生產生活中常見的機械功率有一定的了解。

在教學中教師應該抓住提高學生對功理解的目的，同時為“機械能”大概念的學習作鋪墊，讓學生初步將功與能聯系在一起，深化對能量本質和形式的理解。

2.2 動能、動能定理

在“動能、動能定理”中，課標的要求是理解動能、動能定理，并能解釋生產生活中的現象。教材在課前引言中舉“乒乓球被擊打后飛向對手”等例子，將乒乓球因球拍施力的作用而運動一段距離所具有的能量總結為動能。

從有初速度且只受摩擦力做功的運動物體出發進行推導，延伸出在受外力的情況下合力對物體所做的功與物體動能變化量的關系，得到動能定理。此處對于基礎較好的學生，教師進一步通過驗證性實驗將恒力推廣到變力情況下的動能定理。重點是讓學生在這個過程中體會運用動能定理解決問題的思路：做功的過程引起物體動能狀態的變化，不同于用牛頓運動定律解決問題的思路，其中蘊含著能量轉化和轉移的思想。在應用方面，三個生活中常見的不同情境的例子讓學生初步體會利用動能定理解釋實際問題，進而提高解決問題的意識和能力。

在教學過程中，教師在第一節的基礎上抓住功是能量變化量度的指導思想得到動能，分析其特點，進一步推導得到動能定理，在解決問題的過程中反復對比兩種視角的不同之處，體會運用能量觀念解決問題的優越性，最后落地于實際問題的解釋和解決，同時從“機械能”大概念的視角上滲透能量轉化的觀念。

2.3 勢能

通過對動能和動能定理的探討，學生對功能關系的應用有了一定的了解，此時“勢能”一節更大程度上是對功能關系的初步應用。課標對“勢能”的要求是理解重力勢能，同時定性了解彈性勢能。教材舉例：“聳立”在峭壁上的石頭落下時能在地面上“砸出很深的坑”，強調是由于物體處于某種狀態而造成的作用效果，再通過復習初中已學過的重力勢能概念，類比研究動能的思路，從重力做功的角度出發推導功能關系。重力勢能的另一個特點是相對性，教材選用了“書架中的書”進行討論。為了讓學生對勢能這一概念有整體的了解，教材通過“上緊的發條”對彈性勢能展開定性分析。

本節既有與之前學習內容的共同之處，即都是利用功能關系討論機械能的某一種形式，又有不同之處，這是重力本身作為保守力帶來的特點。在教學中應圍繞動能和勢能的同與不同展開，作為學生“機械能”大概念的重要組成，強化學生的認識。

2.4 機械能守恒定律

機械能守恒定律既是對前面所學內容的總結，也是進一步學習能量守恒的鋪墊。課標對于機械能守恒定律的要求是進行驗證性實驗；理解、體會守恒觀念；用機械能守恒分析生產生活中的問題。

教材使用了三節的內容，圍繞機械能守恒定律的原理、驗證和應用三方面展開。首先，通過人騎自行車下坡時車速增大引入機械能的概念；再通過網球下落回彈、蹦極、撐桿跳等例子定性分析動能與勢能的相互轉化過程，深化學生對機械能轉化的認識；最后，通過自由落體問題進行理論驗證，遵循從特殊到一般的建構思路，抓住“追尋守恒量”滲透守恒觀念。

根據以上討論，結合教材內容，整理得到機械能及其守恒定律這一核心概念中能量觀念的建構框架，如圖2所示。

圖2 粵教版高中物理必修二中能量概念進階框架

3 總結

結合單元設計開展教學工作能夠促進從整體的角度對課程內容進行組織，進而從更加上位的角度對學生物理觀念的形成進行整體規劃。本文先是從大概念和科學概念理解發展層級的角度出發建構教材能量概念進階框架，再利用所得框架對教材進行橫向及縱向分析。只有高屋建瓴地進行整體規劃，才能實現從“教教材”向“用教材”的轉變。