大單元視角下有序形成能量觀念的教學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2025）7-0045-5

能量觀念是關(guān)于能量的概念和規(guī)律等在頭腦中的提煉與升華，是從能量視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)[1]。能量觀念由本質(zhì)觀、形式觀、轉(zhuǎn)化觀、耗散觀、守恒觀等子觀念構(gòu)成。對(duì)學(xué)生調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生在高一、高二新課結(jié)束后，更多想到的是能量守恒觀和能量轉(zhuǎn)化觀，對(duì)能量耗散觀沒(méi)有太多認(rèn)識(shí)，這反映出關(guān)于能量耗散觀念的新課教學(xué)不成體系，更多是僅僅停留在與教材相關(guān)的兩節(jié)內(nèi)容上，出現(xiàn)了學(xué)習(xí)的時(shí)間分散、接觸的素材離散、解決的問(wèn)題零散等問(wèn)題。為此，以大單元的視角圍繞能量耗散觀開(kāi)展復(fù)習(xí)課單元教學(xué)設(shè)計(jì)，旨在提升學(xué)生的能量耗散觀念。

1 能量耗散觀念教學(xué)分析

1.1 課標(biāo)與教材分析

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“課標(biāo)\"對(duì)能量耗散觀念的內(nèi)容要求有：“知道能量轉(zhuǎn)化是有方向性的，認(rèn)識(shí)能源的過(guò)度開(kāi)發(fā)和利用對(duì)環(huán)境的影響，討論在生活中可采取哪些方式節(jié)能；通過(guò)自然界中宏觀過(guò)程的方向性，了解熱力學(xué)第二定律。基于對(duì)熱力學(xué)定律的認(rèn)識(shí)，結(jié)合可持續(xù)發(fā)展的觀念，討論人類(lèi)合理開(kāi)發(fā)和利用能源的問(wèn)題。”課標(biāo)還對(duì)能量耗散觀念的學(xué)業(yè)要求進(jìn)行了闡述：“在實(shí)踐中能做到節(jié)約用電，具有可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的意識(shí)，知道保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的重要意義；認(rèn)識(shí)到人與自然是生命共同體，人類(lèi)必須尊重自然，遵循自然規(guī)律。\"基于課標(biāo)分析，應(yīng)該培養(yǎng)學(xué)生形成能量耗散觀念，能應(yīng)用能量耗散觀念來(lái)分析、解決相關(guān)實(shí)際問(wèn)題，從能量的耗散認(rèn)識(shí)到能源危機(jī)的科學(xué)根源，進(jìn)而在實(shí)際生活中能夠基于對(duì)能量耗散的認(rèn)識(shí)切實(shí)做到節(jié)約能源。

人教版高中物理必修三第十二章第4節(jié)“能源與可持續(xù)發(fā)展”是學(xué)生在學(xué)完“能量\"后的一節(jié)課：結(jié)合煮好的熱雞蛋放在冷水中的思考與討論，引入能量轉(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)化具有方向性、能量的耗散是從能量轉(zhuǎn)化的角度反映出自然界中的宏觀過(guò)程具有方向性，能源的利用受這種方向性的制約。之后，在選擇性必修三第三章第4節(jié)“熱力學(xué)第二定律\"中結(jié)合熱力學(xué)第二定律“水到渠成\"地指出能量是守恒的，但是能源是有限的，再次凸顯能量耗散觀念。教材的上述安排為開(kāi)展能量耗散觀念的復(fù)習(xí)教學(xué)提供了根本遵循。

1.2 學(xué)情分析

能量耗散觀念集中在人教版高中物理必修三第十二章第4節(jié)“能源與可持續(xù)發(fā)展\"和選擇性必修三第三章第4節(jié)“熱力學(xué)第二定律”，但是教學(xué)實(shí)際中存在學(xué)習(xí)的時(shí)間分散、接觸的素材離散、解決的問(wèn)題零散等問(wèn)題，導(dǎo)致學(xué)生能量耗散觀念不完備。具體體現(xiàn)在：（1）無(wú)法正確意識(shí)到機(jī)械能等能量轉(zhuǎn)化成內(nèi)能的趨勢(shì)；（2）常常將轉(zhuǎn)化效率遺忘；（3）不能熟練運(yùn)用能量耗散的視角去看待相關(guān)問(wèn)題。

2 大單元學(xué)習(xí)目標(biāo)與教學(xué)設(shè)計(jì)框架

本研究指向高三一輪復(fù)習(xí)階段學(xué)生能量耗散觀念的有序形成，結(jié)合對(duì)課標(biāo)、教材、學(xué)情等的分析，確定大單元學(xué)習(xí)目標(biāo)：

（1）基礎(chǔ)性目標(biāo)：積累不同類(lèi)型能源發(fā)電的事實(shí)，初步形成能量轉(zhuǎn)化存在耗散的觀點(diǎn)；

（2）拓展性目標(biāo)：在積累不同類(lèi)型能源發(fā)電的事實(shí)基礎(chǔ)上，獲得較為結(jié)構(gòu)化的事實(shí)，經(jīng)歷相關(guān)具體問(wèn)題的討論，形成能量轉(zhuǎn)化存在耗散的系統(tǒng)化觀點(diǎn)[2]；

（3）挑戰(zhàn)性目標(biāo)：結(jié)合熱力學(xué)第二定律，能夠在具體、結(jié)構(gòu)化的案例中對(duì)能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移中存在的耗散進(jìn)行具體分析，形成較為完善的能量耗散觀，自覺(jué)節(jié)約能源。

立足于學(xué)習(xí)目標(biāo)，分3課時(shí)進(jìn)行大單元教學(xué)，以“電\"為邏輯主線，基于“電從哪里來(lái)\"“生活中哪里需要用電”“為什么要節(jié)約用電”“怎樣節(jié)約用電\"等問(wèn)題展開(kāi)大單元教學(xué)設(shè)計(jì)，如圖1所示。

3 學(xué)習(xí)過(guò)程設(shè)計(jì)

3.1 以問(wèn)題“電從哪里來(lái)”出發(fā)，形成初步的能量耗散觀點(diǎn)（第1課時(shí)）

3.1.1環(huán)節(jié)一：討論電能來(lái)源問(wèn)題1：我們平常用的電是從哪里來(lái)的？子問(wèn)題：你覺(jué)得哪種來(lái)源的電能占比最大？教師依次提供火力發(fā)電站、太陽(yáng)能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、秦山核電站、2022年各種電源裝機(jī)占比的圖片（圖2）。

圖1有序形成能量耗散觀念的大單元教學(xué)設(shè)計(jì)框架

圖2電能的不同來(lái)源和2022年各種電源裝機(jī)占比

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}1引發(fā)學(xué)生進(jìn)行歸納，學(xué)生認(rèn)為應(yīng)該是水電占主體，子問(wèn)題的真實(shí)答案會(huì)與學(xué)生的答案產(chǎn)生反差，這樣的反差為環(huán)節(jié)二提供鋪墊。

活動(dòng)建議：?jiǎn)栴}1可以讓學(xué)生在同桌間進(jìn)行討論。

3.1.2 環(huán)節(jié)二：討論火力發(fā)電的能量耗散

問(wèn)題2：火力發(fā)電存在哪些能量耗散？

子問(wèn)題1：火力發(fā)電中，煤炭蘊(yùn)含的能量有哪些是我們沒(méi)法利用的？為什么？

子問(wèn)題2：你有哪些事實(shí)或數(shù)據(jù)來(lái)支持你的觀點(diǎn)？

設(shè)計(jì)意圖：子問(wèn)題1旨在進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注火力發(fā)電中能量耗散的情況，子問(wèn)題2旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證素養(yǎng)，用證據(jù)支持自己的觀點(diǎn)。

活動(dòng)建議：在條件允許的情況下，可以讓小組內(nèi)學(xué)生利用平板查找子問(wèn)題2的相關(guān)資料。

3.1.3 環(huán)節(jié)三：討論可再生能源發(fā)電

問(wèn)題3：可再生能源發(fā)電存在哪些能量耗散？

子問(wèn)題1：在分析太陽(yáng)能發(fā)電時(shí)，我們可以構(gòu)建怎樣的物理模型來(lái)進(jìn)行研究？

子問(wèn)題2：風(fēng)力發(fā)電時(shí)，能量轉(zhuǎn)化具體是怎樣的？

子問(wèn)題3：在分析風(fēng)力發(fā)電時(shí)，我們又可以構(gòu)建怎樣的物理模型來(lái)進(jìn)行研究？

子問(wèn)題4：核能發(fā)電時(shí)，能量轉(zhuǎn)化具體是怎樣的？

子問(wèn)題5：你有哪些事實(shí)或數(shù)據(jù)來(lái)支持你相應(yīng)的觀點(diǎn)？

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}3可以使學(xué)生意識(shí)到可再生能源發(fā)電同樣存在能量耗散，即能量耗散存在普遍性。子問(wèn)題1和子問(wèn)題3旨在培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)素養(yǎng)，借助“球體\"模型和“圓柱體\"模型分別分析太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電。子問(wèn)題5旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)論證素養(yǎng)，查找相關(guān)資料的過(guò)程便是學(xué)生能量耗散觀點(diǎn)的形成過(guò)程。

活動(dòng)建議：子問(wèn)題1和子問(wèn)題3需要每個(gè)學(xué)生都在紙上畫(huà)一畫(huà)。子問(wèn)題2結(jié)束后，若時(shí)間允許，可以補(bǔ)充相關(guān)習(xí)題幫助學(xué)生課堂鞏固。典型題目如：浙江卷（2022年6月）第12題C選項(xiàng)“若每天平均有 1.0×10⁸kW 的風(fēng)能資源，則每天發(fā)電量為 2.4×10⁹kW?h^′ ，通過(guò)能量轉(zhuǎn)化存在耗散便可快速判斷；也可以展示學(xué)生在解決此類(lèi)相關(guān)問(wèn)題中忘記能量轉(zhuǎn)化效率的典型錯(cuò)誤，以此加深學(xué)生印象，形成能量耗散觀點(diǎn)。

3.2以問(wèn)題\"生活中哪里需要用電\"展開(kāi)，形成局部的、系統(tǒng)化的能量耗散觀點(diǎn)（第2課時(shí)）

3.2.1 環(huán)節(jié)一：討論生活中哪里需要用電問(wèn)題1：我們生活中哪里會(huì)用到電？

設(shè)計(jì)意圖：?jiǎn)栴}1是本節(jié)課的核心問(wèn)題，引發(fā)學(xué)生去關(guān)注生活中電的“足跡”，為后面教學(xué)埋下伏筆。

活動(dòng)建議：討論該問(wèn)題可以在小組內(nèi)進(jìn)行，由一個(gè)學(xué)生負(fù)責(zé)小組歸納，力求全面概括，最后教師和全班學(xué)生一起歸納，學(xué)生發(fā)現(xiàn)可以按照衣、食、住、行進(jìn)行較為全面的歸納。

3.2.2 環(huán)節(jié)二：“衣”方面的用電討論

問(wèn)題2：如何求解洗衣機(jī)和烘干機(jī)工作時(shí)的能源效率？

子問(wèn)題1：洗衣機(jī)工作時(shí)，其背后的能量是如何轉(zhuǎn)化的？

子問(wèn)題2：為了求解洗衣機(jī)工作時(shí)的能源效率，我們需要知道哪些物理量？

子問(wèn)題3：烘干機(jī)工作時(shí)，能量是如何轉(zhuǎn)化的？

子問(wèn)題4：為了求解烘干機(jī)工作時(shí)的能源效率，我們需要知道哪些物理量？

子問(wèn)題5：上述問(wèn)題的討論讓你對(duì)能量耗散有何新的思考？

設(shè)計(jì)意圖：子問(wèn)題2和子問(wèn)題4可以幫助學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中回憶焦耳定律等相關(guān)知識(shí)，由知識(shí)來(lái)引導(dǎo)思考，在思考中提升素養(yǎng)。

活動(dòng)建議：教師可以提供洗衣機(jī)說(shuō)明書(shū)或者烘干機(jī)說(shuō)明書(shū)，為學(xué)生問(wèn)題的討論提供實(shí)際素材，也可以引導(dǎo)學(xué)生思考假如沒(méi)法找到相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)如何處理？

3.2.3 環(huán)節(jié)三：“食”方面的用電討論

問(wèn)題3：如何求解電磁爐工作時(shí)的能源效率？

子問(wèn)題1：電磁爐工作時(shí)，能量是如何轉(zhuǎn)化的？

子問(wèn)題2：理想變壓器與實(shí)際變壓器有何區(qū)別？

子問(wèn)題3：電磁爐工作時(shí)存在哪些能量耗散？

子問(wèn)題4：如何求解電磁爐工作時(shí)的能源效率？

子問(wèn)題5：上述問(wèn)題的討論讓你對(duì)能量耗散有何新的思考？

設(shè)計(jì)意圖：子問(wèn)題2為學(xué)生思考子問(wèn)題3提供“腳手架”，也可以幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到電磁感應(yīng)中同樣存在能量耗散。

活動(dòng)建議：教師可以提供電磁爐說(shuō)明書(shū)，為問(wèn)題討論提供實(shí)際素材。

3.2.4 環(huán)節(jié)四：“住”方面的用電討論問(wèn)題4：如何求解空調(diào)制冷的能源效率？

子問(wèn)題1：空調(diào)制冷時(shí)，能量是如何轉(zhuǎn)化的？

子問(wèn)題2：為何夏天時(shí)建議空調(diào)設(shè)在 26^9C？

子問(wèn)題3：為了求解空調(diào)制冷的能源效率，我們需要知道哪些物理量？

子問(wèn)題4：空調(diào)制冷的能源效率與空調(diào)制熱的能源效率有何區(qū)別？

子問(wèn)題5：上述問(wèn)題的討論讓你對(duì)能量耗散有什么新的思考？

設(shè)計(jì)意圖：子問(wèn)題2來(lái)自生活日常，但卻很少引發(fā)學(xué)生思考，有助于幫學(xué)生養(yǎng)成節(jié)約用電的習(xí)慣。子問(wèn)題4的目的在于引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步深入思考空調(diào)制冷原理和制熱原理，更加明確能量耗散觀點(diǎn)。

活動(dòng)建議：討論子問(wèn)題3時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生查看教室空調(diào)銘牌，也可以引導(dǎo)學(xué)生思考假如沒(méi)法找到相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)如何處理？

3.2.5 環(huán)節(jié)五：“行”方面的用電討論

問(wèn)題5：不同類(lèi)型的汽車(chē)能量耗散有何不同？

子問(wèn)題1：燃油車(chē)存在哪些能量耗散？

子問(wèn)題2：增程式電動(dòng)車(chē)具體的工作原理是怎樣的？

子問(wèn)題3：增程式電動(dòng)車(chē)用燃油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電，再驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，與燃油車(chē)相比多了一次轉(zhuǎn)化（燃油轉(zhuǎn)化成電），為何卻可以提高能源利用效率？

子問(wèn)題4：純電動(dòng)車(chē)存在哪些能量耗散？

子問(wèn)題5：純電動(dòng)車(chē)相比燃油車(chē)的優(yōu)勢(shì)在哪？

設(shè)計(jì)意圖：子問(wèn)題3可以引起學(xué)生的認(rèn)知沖突，實(shí)現(xiàn)“以問(wèn)題導(dǎo)活動(dòng)，以活動(dòng)促思維\"[3]。按照能量耗散觀點(diǎn)，多了一次能量轉(zhuǎn)化應(yīng)該會(huì)降低能源利用效率，可以引導(dǎo)學(xué)生去查閱燃油發(fā)動(dòng)機(jī)最佳工況的相關(guān)信息。子問(wèn)題4主要是防止學(xué)生形成思維定式：當(dāng)下純電動(dòng)車(chē)普及率高是因?yàn)榧冸妱?dòng)車(chē)能量耗散較小，進(jìn)而形成穩(wěn)定的能量耗散觀點(diǎn)。

活動(dòng)建議：討論子問(wèn)題1時(shí)，教師可以引導(dǎo)學(xué)生查閱“能源與可持續(xù)發(fā)展\"的課后資料“汽車(chē)與能源”，對(duì)汽車(chē)行駛時(shí)的功率分配比例圖進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。子問(wèn)題4可以引導(dǎo)學(xué)生去查閱我國(guó)國(guó)產(chǎn)電動(dòng)車(chē)在節(jié)能方面的科技進(jìn)步，提升民族自豪感

第2課時(shí)整體上內(nèi)容較多，教師可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，例如，每組討論生活中的一個(gè)方面或兩個(gè)方面的用電，之后再請(qǐng)不同小組進(jìn)行交流分享，全班學(xué)生都可以獲得具體的、局部的案例和結(jié)構(gòu)化的事實(shí)，為形成局部的、系統(tǒng)化的能量耗散觀點(diǎn)打下基礎(chǔ)。

3.3以問(wèn)題“為什么要節(jié)約用電\"深入，形成抽象的、系統(tǒng)化的能量耗散觀念（第3課時(shí)）

問(wèn)題1：為什么要節(jié)約用電？

子問(wèn)題1：假如有一天，我國(guó)實(shí)現(xiàn)全部風(fēng)能發(fā)電，我們還有必要節(jié)約用電嗎？

子問(wèn)題2：能量耗散與熱力學(xué)第二定律有何聯(lián)系？

子問(wèn)題3：熵這個(gè)概念可以給我們帶來(lái)怎樣的啟發(fā)？

設(shè)計(jì)意圖：子問(wèn)題1的設(shè)計(jì)會(huì)引發(fā)持不同觀點(diǎn)的學(xué)生進(jìn)行辯論，學(xué)生在激烈的辯論中可以加深對(duì)能量耗散的理解；子問(wèn)題2和子問(wèn)題3旨在引導(dǎo)學(xué)生站在更高的視角去看待能量耗散。

活動(dòng)建議：要引導(dǎo)學(xué)生充分討論或辯論子問(wèn)題1，可以適當(dāng)拓展子問(wèn)題3，幫助學(xué)生領(lǐng)會(huì)到物理學(xué)科的獨(dú)特魅力。

3.4以問(wèn)題\"怎樣節(jié)約用電\"總結(jié)，將能量耗散觀念轉(zhuǎn)化為節(jié)能自覺(jué)行動(dòng)（第3課時(shí)）

問(wèn)題2：我們?cè)撛鯓庸?jié)約用電？

子問(wèn)題1：你有哪些值得分享的節(jié)電妙招？

子問(wèn)題2：節(jié)電與減排之間有何聯(lián)系？

設(shè)計(jì)意圖：子問(wèn)題1的設(shè)計(jì)會(huì)引發(fā)學(xué)生興趣，學(xué)生的分享有助于將能量耗散觀念轉(zhuǎn)化為自覺(jué)節(jié)能行動(dòng)。子問(wèn)題2的設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生回歸社會(huì)當(dāng)下，特別是火力發(fā)電還占主體的當(dāng)下，節(jié)電與減排密切相關(guān)，節(jié)能減排可以從身邊小事做起。

活動(dòng)建議：在討論子問(wèn)題2時(shí)，教師可以補(bǔ)充中國(guó)“雙碳”目標(biāo)——2030年實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”與2060年實(shí)現(xiàn)“碳中和”，引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考節(jié)約能源的重要意義。

4 單元作業(yè)設(shè)計(jì)

在本單元的學(xué)習(xí)中，對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與發(fā)展是通過(guò)一系列學(xué)習(xí)活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，要診斷學(xué)生的素養(yǎng)水平以及能力進(jìn)階的實(shí)際情況，就要設(shè)計(jì)好持續(xù)性評(píng)價(jià)方案[4]。結(jié)合大單元主題與學(xué)習(xí)目標(biāo)，為了評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)所得，可以采取如表1所示的單元作業(yè)評(píng)價(jià)方案。

表1單元作業(yè)評(píng)價(jià)方案

5結(jié)語(yǔ)

大單元視角下有序形成能量耗散觀念的重要載體是大單元，統(tǒng)領(lǐng)核心是大觀念，關(guān)鍵要點(diǎn)是要立足學(xué)習(xí)目標(biāo)確定大單元教學(xué)設(shè)計(jì)框架，設(shè)計(jì)框架重在厘清其內(nèi)在的邏輯主線，這對(duì)大單元在課堂中順利落地具有重要意義。本研究以“電”為邏輯主線，基于“電從哪里來(lái)\"“生活中哪里需要用電”“為什么要節(jié)約用電”“怎樣節(jié)約用電”層層遞進(jìn)、有序進(jìn)行，學(xué)生在經(jīng)歷前、后課時(shí)學(xué)習(xí)時(shí)不會(huì)覺(jué)得突兀。大單元教學(xué)幫助學(xué)生打破碎片化學(xué)習(xí)，更好地將學(xué)生的學(xué)習(xí)歷程作為整體進(jìn)行通盤(pán)考慮[5]。此外，在關(guān)于物理觀念的大單元教學(xué)過(guò)程中，要深刻認(rèn)識(shí)到物理觀念的形成過(guò)程與影響因素，有序借助問(wèn)題鏈和任務(wù)群促進(jìn)學(xué)生實(shí)現(xiàn)持久深入的學(xué)習(xí)，形成系統(tǒng)化的物理觀念。

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[5]雷浩，李雪.素養(yǎng)本位的大單元教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施[J].全球教育展望，2022，51（5）：49-59.

（欄目編輯 鄧?yán)冢?/p>