優化課程內容 建構“能量”概念

在小學階段，許多相對抽象的概念對學生來說理解起來有一定的難度，“能量”就是其一。能量與運動密不可分，科學課程標準這樣描述：在物質的一切屬性中，運動是最基本的屬性；對應物質的各種運動形式，能有各種不同的形式；能量是一切運動著的物質的共同特性，也是各種運動的統一量度；能的形式是多樣的。科學課程標準旨在從跨學科概念“物質與能量”的角度，引導學生建立對“能量”的認識，幫助他們建構“能量”概念。

一、基于大量事實，感受能量存在

在小學階段，能量的學習一定要同“力”和“運動”建立聯系，需要借助對一定數量的事實進行分析，探其本質。能量每時每刻都真實地存在于我們的日常生活中，但也正因如此，它往往容易被學生忽略。基于此，教師要使用大量案例作為開展相應學習的材料，引導學生關注到大量物體在力的驅動下運動的事實，進而感受到能量并不陌生。

教師可提供大量事實資料。比如，課前出示大量生活中物體運動產生的作用效果的圖片；課中引導學生觀察小車從不同坡度面上滑下來后對小木塊的撞擊情況；課后出示不同形式能量的相關圖片，并對校門口的交通標識牌進行分析。教師以圖片和實物模型還原生活中的大量事實，引導學生課前收集整理生活現象，課中深入探究實驗現象，課后對能量概念進行拓展延伸。整個教學過程緊密聯系學生的生活實際，分析大量的事實，幫助學生理解能量。相比直接進行概念講解，這樣的教學更透徹，有利于學生理解抽象概念。

二、通過歸納推理，感知能量概念

教學片段：分析生活中的常見現象

（教師在黑板一側列出“子彈—槍靶，足球—玻璃，風—大樹，水—水輪”四組物體。）

師：每一組中的兩樣物體之間有關系嗎？你為什么這樣認為？

生：有關系但并不明顯。

生：子彈從槍膛里發射出來，可以擊中槍靶，這樣就有關系了。

師：那后面的幾組之間呢？

生：足球踢飛后，會把玻璃撞破，風能吹動大樹，水能推動水輪。

教師將表示物體運動的詞按照學生的描述記錄在黑板上，引導學生通過分析比較，找到它們的共同點：都是前一個物體運動起來后，產生力量，作用到后一個物體上，使后一個物體發生變化。此時，學生也許不能準確地表達出什么是能量，但是基于這些事實，可以感知到能量與運動的關系：運動的物體具有能量。引導學生初步感知能量與運動的關系后，教師組織學生圍繞“為什么這樣認為”進行交流，目的是調動他們的生活經驗，將生活中的事實與他們對問題的初步判斷建立聯系，也是為他們的初步判斷找到依據。

教學片段：比較發聲的音叉與運動的小車

（教師揮動木槌，用不同的力度各敲擊一下發聲音叉，使其振動發聲，然后讓學生觸摸發聲音叉，感知兩次的區別。）

生：輕敲音叉時，用手摸感到有點麻；重敲音叉時，用手摸感到麻的感覺增強了。

（教師組織學生觀察從不同坡度上運動下來的小車撞擊小木塊的情況。）

生：小車運動的速度快時，小木塊被撞得較遠；小車運動的速度慢時，小木塊被撞后的運動距離近一些。

師：以上兩個現象有什么共同之處嗎？這些說明什么呢？

生：用力敲音叉時，木槌運動的速度快，音叉振動明顯，手能感覺到更麻一些；小車撞木塊時，小車運動的速度快，小木塊被撞得更遠一些。音叉和小車在運動后都產生了能量，能量有大有小，能量大小和物體的運動狀況有關。

師：能量大小和物體的運動狀況有關，能具體說說嗎？

生：比如，我揮動小木槌的能量大一些，木槌運動得就更快一點；小車下滑時運動得快一些，能量也大。（學生初步感受能量是各種運動的統一量度）

教師組織學生運用了求同歸納的思維方法，將木槌敲擊音叉發聲和行駛的小車撞擊木塊兩個探究活動進行比較，找出它們在效果上的共同之處。學生在比較活動中，發現了這兩項活動之間存在的普遍規律，認識能量大小與物體運動狀態之間的關系，進而了解能量是一切運動著的物質的共同特征。在進一步的師生對話中，學生不斷加深對能量與運動關系的認識，初步感受到能量也是各種運動的統一量度。

三、全面數據分析，體會能量變化

數據作為科學證據，必須保證準確性。在實驗過程中，學生通過測量、計時如實記錄實驗數據，教師則要有意放慢進度，允許學生經歷從簡單復述數據到深入分析數據的過程，重視過程性的表達，使他們通過橫向、縱向比較逐漸全面完整地得出能量變化的特點，理解“能量是運動的量度”。

教學片段：推測小車運動速度與能量大小的關系

師：怎樣證明你們的想法是合理的呢？你們準備怎么做。

（學生設計模擬實驗方案：選擇三種不同坡度的等長斜面，將小車設置在統一的起點位置，在坡下相同的位置放置木塊。自然釋放小車，使小車通過三種不同坡度的斜面下滑后撞擊木塊。觀察、測量并記錄木塊移動的距離。以上活動反復做三次，取平均值。第一組學生記錄數據見表1。）

師：這是同學們在實驗后得出的數據，我們一起看一看，他們所得出的這些數據是否可用？

生：我們認為可以，因為他們每組測試都至少經過了三次實驗和測量，而且求出了平均值，這樣能使數據盡可能準確。

師：對比本組的三次數據，你發現了什么？

生：從不同坡度滑下來的小車運動速度不同，小車運動速度越快，能量越大。

（教師再展示幾組的實驗數據，指導學生縱向比較：對比其他組的數據，你有什么發現？）

生：雖然我們每個組測量的數據不一樣，但是規律一樣，都是小車運動速度越快，木塊被撞擊得越遠，說明小車攜帶的能量越大。

當得到實驗數據后，教師沒有急于組織學生對數據進行分析，而是帶領他們對每個組實驗后的數據的可靠性進行認定，這一行為反映了科學探究過程中一種重要的品質——實事求是，只有有效的數據才可以作為證據材料進行分析。在對有效數據的分析過程中，教師前后兩次的提問對學生思維的促進作用也是不同的。第一次“對比本組的三次數據，你有什么發現？”是讓學生對本組三種不同運動狀態的小車具有能量的變化進行前后比較。在嚴格控制變量進行對比實驗的前提下，學生根據實驗中木塊被撞后運動的不同距離，初步認識運動與能量的關系，訓練了運用比較思維分析數據的能力。第二次“對比其他組的數據，你有什么發現？”從內容上看，這個問題與上一個問題區別不大，但對學生思維活動來說卻是一個新的高度。學生通過比較大量數據，歸納推理出了運動速度與能量大小的關系，驗證了之前的猜測，得出了科學結論。大量可靠的數據有力地證明了結論的可靠性。

四、強化思維訓練，建構能量概念

學生在完成不同任務的過程中，對力、運動、能量三者之間的關系會有不同程度的認識。每一個任務的完成都體現了科學課程標準倡導的“立足素養發展”理念，其中很多都指向了學生在學習過程中的高階認知能力。在探究小車運動速度與能量大小之間的關系時，不少教學案例中容易出現一種情形，教師在組織學生猜一猜后，以“這是你們的想法，怎樣證明你們的想法呢？讓我們來做下面的實驗吧”匆匆進入下一個實踐探究的環節。在這個匆忙的過程中，教師可能會錯失什么？我們所提供的下述案例，在學習者科學思維訓練方面，顯示出了優勢，教學活動指向了高階認知。高階認知能力的訓練與培養，需要教師增加教學中問題的“含金量”，多一些可以調動學生分析、綜合等思維活動的交流。

教學片段：比較小車從不同坡度下滑撞擊木塊的情況

師：通過比較從不同坡度下滑的小車的運動狀態，你發現有什么區別嗎？

生：下滑時小車的運動速度不一樣。坡度越大，小車運動的速度越快。坡度越平緩，小車的運動速度越慢。

師：從不同的坡度運動下來后，小車的速度不同，撞擊小木塊后，又有什么不同？

生：小木塊被撞擊后的運動距離不同，運動速度快的小車將木塊撞得較遠，運動速度慢的小車撞擊木塊后，木塊被撞的距離短一些。

師：小車以不同的速度運動起來后，能量如何呢？

生：小車速度快，能量大；速度慢，能量小。

師：你們為什么這樣認為？

生：因為速度快的小車把小木塊撞得更遠了，這就說明能量更大了。

生：我在生活中看到過速度快的車不容易停下來的現象，需要用更大的力量來阻止它繼續運動，這也可以說明運動速度快的車的能量更大。

再來看上面這個案例，教師帶領學生經歷了從分析到綜合的思維過程。首先，將學生對“小車的運動速度與能量之間的關系”的認識，從探究活動現象中拆解，拆分出不同的斜面坡度、不同的下滑運動速度和木塊被撞擊后不同的運動距離等方面，指導學生分別對這幾個方面進行具體的描述，目的是引導學生清晰地抓住這幾種現象的特征，并構建起這幾種現象間的關聯，這種關聯也正是運動與能量的關系——能量是一切運動著的物質的共同特征。然后，組織學生經歷多次交流研討，對自己的認識作出合理的解釋，建立對小車運動速度與小車具有能量的整體認識。

科學是人類應用理性思維構建的對客觀世界的認識，而學生主動調取個人的生活經驗來對自己的判斷進行合理的解釋，這就是高階認知的表現。這個分析與綜合的過程著重體現了以下兩個目的：其一，學生的回答是經過分析、綜合、比較等思維過程（也可能有類比思維推理）后表達出來的，是思維的一種外化形式，這些問題是對學生思維能力的培養與訓練；其二，教師要無聲地滲透對科學嚴謹、實事求是、認真細致的科學態度的教育。

除此之外，在課堂教學過程中，教師可以在很多地方培養學生的高階認知能力，讓科學探究課堂真正成為深度學習的過程。關于“能量”的學習，不再僅僅是單純字面上的知道、了解和明白，而是學生能夠將這些已經理解的知識應用于生活。這里所說的理解是解釋、思辨、推理、驗證、應用等更有難度、更加復雜和更具綜合性的學習結果，是學生靈活運用所知進行思考和行動的能力。

“能量”概念的建構需要依據大量客觀事實作為基礎，在此過程中還需要教師借助有效的教學策略引導學生通過各種思維方法將認識與事實現象建立關聯，讓他們保持對自然現象的好奇心，從親近自然走向親近科學。學生在有思維活動參與的深度學習的過程中，發展了基本的科學能力，逐步形成適應個人終身發展和社會發展所需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力。

參考文獻

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