肖風(fēng)云

摘 要：在課程改革推進(jìn)、核心素養(yǎng)培養(yǎng)的要求下，如何讓學(xué)生站在物理角度認(rèn)識世界，建構(gòu)起大概念的物理學(xué)科思維和觀念，是物理教學(xué)實踐落實的要點。通過加強(qiáng)大概念統(tǒng)領(lǐng)下的學(xué)習(xí)，能夠讓學(xué)生系統(tǒng)化地理解物理知識規(guī)律的內(nèi)涵，促使其形成物理學(xué)科思維，靈活地思考和解決物理問題。本文基于能量大概念，從能量本質(zhì)和形式、轉(zhuǎn)化和守恒、意識和實踐等方面進(jìn)行內(nèi)涵解讀和教學(xué)實踐，以促進(jìn)學(xué)生形成正確的能量觀念、能量思維和能量意識，促進(jìn)其核心素養(yǎng)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高中物理;能量大概念;內(nèi)涵

落實核心素養(yǎng)是課程改革的要求，更是在有限時間內(nèi)實現(xiàn)有價值教學(xué)的重要方法。在物理學(xué)科中，能量大概念強(qiáng)調(diào)知識的關(guān)聯(lián)性、系統(tǒng)性和串聯(lián)性，包含了做功、能量轉(zhuǎn)化、各模塊物理概念和規(guī)律，要求學(xué)生從能量角度對知識進(jìn)行提煉、規(guī)劃和升華，形成從物理學(xué)角度分析自然現(xiàn)象、處理真實問題的能力。但是，由于缺乏對物理觀念的充足了解和思考，學(xué)生很難建構(gòu)起能量大概念，如何為學(xué)生搭建通過物理能量大概念的通道，使其將知識與概念進(jìn)行融合，是教學(xué)設(shè)計中需要關(guān)注和解決的重點問題。本文立足高中物理能量大概念，將其解析為能量本質(zhì)和形式、能量轉(zhuǎn)移和守恒、能量意識和實踐，圍繞這三個維度展開教學(xué)實踐討論。

一、物理能量大概念概述

（一）概念

在學(xué)科觀念群中，大概念起著統(tǒng)率、引領(lǐng)各個子概念的作用。相較于普通的觀念，其更具抽象性，并非是某方面的具體規(guī)律、原理或概念，而是對一般概念、意義的概括，經(jīng)過對各個物理小概念的歸納、糅合，形成統(tǒng)領(lǐng)大量小概念、反映物理本質(zhì)的模型和思想，從而形成更高層面的物理學(xué)科思維和觀念。在能量大概念的引領(lǐng)下，各個獨立的概念能夠建立起有效聯(lián)結(jié)，便于學(xué)習(xí)者摸清概念間存在的縱橫關(guān)系，實現(xiàn)概念認(rèn)知中的知識遷移，幫助其掌握運用于實際情境的能力，具有極強(qiáng)的解釋力和適用性。舉例來講，相較于位移、速度、加速度等詞匯類概念，大概念更傾向于運用“一句話、一個問題、一個短語”揭示核心問題并建立起各個概念間的聯(lián)系。大概念類似于容納多個小概念的集合，以無形的框架銜接各個概念，使得處于離散狀態(tài)的小概念形成相互聯(lián)系的結(jié)構(gòu)，比之小概念，其具有更明顯的遷移和應(yīng)用屬性。但是，大概念往往存在內(nèi)隱性特征，只有教育者主動去揭示才能有效呈現(xiàn)。

（二）特點

從物理能量大概念特點上看，其占據(jù)了物理學(xué)科的中心位置，是將關(guān)于能量的自然現(xiàn)象進(jìn)行高度抽象化后形成的核心概念;在物理學(xué)科內(nèi)容上，大概念的構(gòu)建能夠幫助學(xué)生形成靈活、整體、多元的思考方式，有助于學(xué)生進(jìn)行知識的遷移、認(rèn)知和理解，在討論中加以論證;在物理知識結(jié)構(gòu)上，學(xué)科網(wǎng)絡(luò)知識框架主要由小概念和其他大概念、大概念和具體的物理主題構(gòu)成;在物理文化特性上，大概念的構(gòu)建契合了人們追求科學(xué)、探索規(guī)律的思維邏輯，實現(xiàn)了對抽象性規(guī)律的整體統(tǒng)攝。在物理知識應(yīng)用上，大概念的解釋力、適用性較強(qiáng)，與科技、生活等方面密切相關(guān)，能夠?qū)Υ蠓秶奈锢憩F(xiàn)象、事實進(jìn)行解釋。

在基于大概念的教學(xué)框架下，教師需要對框架、體系內(nèi)的知識進(jìn)行分層、分級整合，形成多維度、多層次的概念體系。在物理能量大概念中，要圍繞功能關(guān)系為核心，以動能、勢能、電場能、磁場能、內(nèi)能等概念為基礎(chǔ)，才能實現(xiàn)全過程貫穿“能量觀念”的目標(biāo)。通過分析居于下位的三個能量維度——能量本質(zhì)和形式、能量的守恒和轉(zhuǎn)化、能量意識和實踐，讓學(xué)生由淺入深地理解能量大概念，形成能量觀念。

二、物理能量大概念統(tǒng)領(lǐng)的結(jié)構(gòu)體系

在能量大概念的分析中，需要運用學(xué)習(xí)進(jìn)階理論進(jìn)行基本知識體系的建構(gòu)，以概念發(fā)展、進(jìn)階層面進(jìn)行小概念關(guān)聯(lián)，構(gòu)建能量大概念，需要應(yīng)用到以下三種模型：其一，階梯式模型，主要是以單線式方式分析能量概念進(jìn)階，整個過程猶如攀登階梯，能量大概念的建構(gòu)需要達(dá)到階梯終點;其二，螺旋式上升模型，類似于走之字形上坡路線，通過反復(fù)學(xué)習(xí)討論同一內(nèi)容，不斷地擴(kuò)展內(nèi)容深度、增強(qiáng)難度;其三，拼圖模型，概念并非以縱向形式拓展，而是如拼圖一般進(jìn)行橫向延伸、拓展，建立起多個小概念的橫向關(guān)聯(lián)。

基于知識邏輯的初高中物理教材，主要將力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、原子物理劃分成知識模塊，以螺旋上升形式進(jìn)行知識深度、難度的遞進(jìn)。學(xué)生在初中階段要初步形成物理觀念，能夠站在物理角度分析自然現(xiàn)象……高中物理在此基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，構(gòu)建起力學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)和近代物理的邏輯知識體系。在課程改革理念下，可打破固有的邏輯體系，關(guān)于“相互作用與運動定律”“機(jī)械運動與物理模型”“機(jī)械能及其守恒定律”“靜電場、電路與電能”“電磁感應(yīng)與交變電流”等各個部分內(nèi)容，都可以從功能關(guān)系、能量大概念角度進(jìn)行學(xué)習(xí)討論，各個部分知識規(guī)律都能體現(xiàn)能量守恒與轉(zhuǎn)化的觀點。在這樣的大概念組織結(jié)構(gòu)下，各部分知識能夠以網(wǎng)絡(luò)化形式呈現(xiàn)，更引入了最近發(fā)展區(qū)理論，圍繞一系列原理發(fā)展進(jìn)階，使得各個小概念以相互關(guān)聯(lián)形式歸屬到能量大概念下。例如：在力的概念構(gòu)建上，可以從內(nèi)容、形式、做功這三個角度進(jìn)行分析，力的內(nèi)容主要包括了不同性質(zhì)的力，如電磁力、萬有引力、強(qiáng)力、弱力，而重力、彈力、摩擦力等屬于最基本的力學(xué)概念;在力的表現(xiàn)形式上，主要包括力存在的本質(zhì)特點，如三要素、獨立性、互相性、矢量性、物質(zhì)性等;從做功的角度分析，均伴隨著各自的功能關(guān)系與能量轉(zhuǎn)化。再如，在勢能的概念構(gòu)建上，基于功能關(guān)系和能量大概念的支持，構(gòu)建出重力勢能、彈性勢能、電勢能、分子勢能、引力勢能等概念，以重力勢能為基點，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行概念認(rèn)知學(xué)習(xí)、重力做功特點探究，從生活視角進(jìn)行物理概念認(rèn)知，再聯(lián)系其他勢能進(jìn)行分析、類比、歸納，從而建構(gòu)起完善的能量大概念知識體系。（見圖1）

三、高中物理大概念具體內(nèi)涵分析

（一）關(guān)于能量的本質(zhì)與形式

從物理學(xué)層面看，能量存在宏觀、微觀的物質(zhì)運動中，能夠以多種形式呈現(xiàn)在自然界，如熱能、化學(xué)能、機(jī)械能、電能等。我們需要在教學(xué)中幫助學(xué)生建立起對能量概念的認(rèn)知。在具體認(rèn)知環(huán)節(jié)中，能量概念抽象性極強(qiáng)，學(xué)生很難在簡單的語言解讀下理解“能量本質(zhì)是什么”。教師應(yīng)抓住教學(xué)重點，從守恒觀點開展教學(xué)活動，讓學(xué)生認(rèn)識到能量是一個守恒量，再對功能關(guān)系層面的內(nèi)容進(jìn)行解讀，讓學(xué)生了解能量守恒的原因。

在高中物理教學(xué)中，力學(xué)是最先體現(xiàn)能量概念的模塊。在掌握這部分的公式和理論知識后，教師可以引導(dǎo)學(xué)生從能量角度對力學(xué)的特點進(jìn)行表征，通過分析能量轉(zhuǎn)化、功能關(guān)系對受力與運動過程進(jìn)行描繪，使其在學(xué)習(xí)中感知和認(rèn)識能量觀念。對于包括了功、動能、勢能、功能關(guān)系的章節(jié)內(nèi)容，教材對能量的概念進(jìn)行了介紹和解讀，教師可以讓學(xué)生結(jié)合動能、重力勢能、彈性勢能、功與功率等概念進(jìn)行概念認(rèn)知。在理論性認(rèn)知和解析的基礎(chǔ)上，教師可以設(shè)置物理能量和探究實驗交叉的學(xué)習(xí)活動，組織學(xué)生對功與速度變化的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行探究，分析釋放的粉筆頭從靜止?fàn)顟B(tài)到越下降越快的狀態(tài)、小皮筋拉動小車做功等實驗活動，順勢呈現(xiàn)動能定理，并以實驗演示形式讓學(xué)生熟練掌握定理、概念。然后，開展重力勢能與重力做功關(guān)系的探究活動，使得學(xué)生由概念認(rèn)知發(fā)展到觀念樹立階段，構(gòu)建起“勢能可以伴隨做功轉(zhuǎn)化，且勢能變化受做功量多少的影響”的觀念。通過遞進(jìn)式的學(xué)習(xí)活動，讓學(xué)生在建構(gòu)知識概念的同時，不斷地補(bǔ)充和完善大概念結(jié)構(gòu)。在后續(xù)的物理學(xué)習(xí)模塊中，包括電磁學(xué)、電路、光學(xué)等相關(guān)問題，能量概念也能為學(xué)生思考、分析問題提供支持。所以，教師應(yīng)有意識引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合能量觀念進(jìn)行概念分析、知識建構(gòu)，讓學(xué)生構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)和大概念體系相統(tǒng)一的能量觀念。

（二）關(guān)于能量的轉(zhuǎn)移和守恒

在深層能量觀念中，在物質(zhì)運動、能量發(fā)生轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化時，能量本身不會被創(chuàng)造或銷毀，其總能量仍遵循守恒原則。比如，在自然界中，能量產(chǎn)生、耗散、轉(zhuǎn)化，均體現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)移的方向性。在宏觀的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化過程中，功可以作為能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式、一個物體轉(zhuǎn)移到另一物體的量度單位，能量的觀點能夠為學(xué)習(xí)和理解物理知識、破解物理問題提供有效借鑒。

在物理課堂教學(xué)實踐中，教師應(yīng)有意識地使用能量分析方法，讓學(xué)生形成能力分析、轉(zhuǎn)化的思考方式和思維習(xí)慣。例如：在電磁感應(yīng)中，對于楞次定律“阻礙”二字的理解是教學(xué)難點，借由能量大概念的引領(lǐng)可輕松破解難點并加深理解，在導(dǎo)體棒切割磁感線的運動中安培力必須阻礙運動，機(jī)械能減少了轉(zhuǎn)化為電能，反之安培力若不是阻力而是動力，那么導(dǎo)體棒只要輕推一下就可以永遠(yuǎn)運動下去，這不符合能量守恒定律?；谀芰拷嵌鹊姆治龇椒?，可使學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和處理問題的效果得到提高，幫助其迅速形成問題解決思路。同時，在高中整個知識體系和框架中，能量與各個分支具有著不同程度的聯(lián)系，這就會給學(xué)生使用能量分析方法帶來一定挑戰(zhàn)。教師應(yīng)幫助學(xué)生明確不同知識間存在的關(guān)系，使其精準(zhǔn)地把握不同知識、規(guī)律中能量分析法的使用差異，不斷地將知識進(jìn)行綜合化、系統(tǒng)化。例如：在講解電場這部分內(nèi)容時，學(xué)生往往很難對電勢能形成正確認(rèn)識。這時，教師可以圍繞能量大概念，讓學(xué)生從局部知識的能量分析中總結(jié)經(jīng)驗，以類比和遷移的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)和探索。由于學(xué)生已經(jīng)完成了重力做功、重力勢能的能量學(xué)習(xí)，了解了二者間能量的變化、流動。所以在電場的教學(xué)實踐中，教師可以讓學(xué)生以參照前者的分析方式進(jìn)行研究，讓學(xué)生回憶在重力場中重力做功的特點，從能量角度分析電場中電場力做功的特點，將電場力做功與電勢能變化、重力做功與重力勢能的變化聯(lián)合起來討論。通過這樣類比探究場景，學(xué)生能夠?qū)⒊橄笄夷吧膶W(xué)習(xí)內(nèi)容與熟悉的重力場分析結(jié)合起來，不斷地拓展和豐富能量大概念結(jié)構(gòu)，幫助其將抽象內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)樾蜗蠡瘓鼍?，?qiáng)化其認(rèn)知思維和能量概念。在后續(xù)學(xué)習(xí)和探究帶電粒子偏轉(zhuǎn)的知識內(nèi)容時，學(xué)生可以再次以能量分析的方式進(jìn)行類比，更快地找到問題點，促進(jìn)其問題解決能力得到提高。

（三）關(guān)于能量的意識和實踐

基于能量本質(zhì)、形式的掌握，以及能量守恒分析方法的運用。教師還應(yīng)重視物理能量意識和實踐維度，將能量意識和實踐補(bǔ)充到大概念中，讓學(xué)生認(rèn)識到能量知識能夠支持新能源的開發(fā)，為解決社會能源問題、提高資源利用率提供思路。在社會發(fā)展中，必不可少的是能源，但能源存在有限性，這就需要教師培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保意識，讓學(xué)生認(rèn)識到開發(fā)新能源和節(jié)能減耗是持續(xù)利用資源的路徑。

對于學(xué)生已經(jīng)認(rèn)知的能量守恒規(guī)律，其容易產(chǎn)生能量總是不變的觀念。這時，教師應(yīng)對能量耗散帶來的問題進(jìn)行解讀，讓學(xué)生從認(rèn)識到能量轉(zhuǎn)化、耗散的方向性，進(jìn)而了解到人類要有節(jié)制地運用自然界的能量。例如：對于煤炭、天然氣、石油、核能、水能等，這些資源均歸屬于不可再生能源，教師可以對上述資源的過度開發(fā)、利用帶來的危害進(jìn)行討論，讓學(xué)生認(rèn)識到能量的耗散與人類社會發(fā)展、生存具有密切的聯(lián)系，以列舉生活、生產(chǎn)范例的形式探討提高能量利用率的相關(guān)內(nèi)容。通過解讀這部分內(nèi)容，能夠引導(dǎo)學(xué)生樹立起節(jié)約資源、愛護(hù)環(huán)境的能量意識。同時，能量轉(zhuǎn)化、轉(zhuǎn)移使得人們可用資源不斷減少，這就需要人們在加強(qiáng)環(huán)保工作的同時，根據(jù)自然發(fā)展規(guī)律進(jìn)行新能源的開發(fā)和開采。例如：教師可以對先進(jìn)科技支持下的新能源開發(fā)、利用進(jìn)度進(jìn)行講解，如我國海上風(fēng)電、陸上風(fēng)電的布局，光伏發(fā)電配套工程建設(shè)、水電可再生能源利用等。在梳理完成上述知識后，教師可以開展“電費消耗”清單的制作活動，讓學(xué)生對家用電器的月消耗電能進(jìn)行統(tǒng)計，如電腦、電視、洗衣機(jī)、冰箱等，完成對電器銘牌上額定功率的閱讀，再根據(jù)各種電器的使用、待機(jī)時間進(jìn)行用電量的預(yù)估。然后對電能表起始數(shù)值進(jìn)行記錄，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，最后結(jié)合統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，針對性地設(shè)計節(jié)能方案，提升其能量實踐能力。通過建立能量觀念間的相互聯(lián)系，構(gòu)建知識本質(zhì)、規(guī)律認(rèn)知→功能轉(zhuǎn)化關(guān)系→能量意識和實踐的教學(xué)路徑。在最后的能量意識和實踐分析中，主要從能量耗散、新能源開發(fā)角度進(jìn)行分析，作為最后的兩部分知識內(nèi)容，其旨在將能量大概念知識與社會生活和生產(chǎn)活動相聯(lián)系，讓學(xué)生由知識規(guī)律認(rèn)知、能量觀念形成過渡到功能轉(zhuǎn)化、能量守恒的應(yīng)用上，形成能量應(yīng)用意識、實踐能力，塑造正確的能量意識、強(qiáng)化能量實踐能力是這一環(huán)節(jié)的重要任務(wù)，通過圍繞能量耗散、能源持續(xù)利用、新能源開發(fā)活動進(jìn)行相關(guān)資料的搜集、查閱，引導(dǎo)學(xué)生對提高資源利用率、新能源開發(fā)的重要性形成正確認(rèn)知。在能量意識、觀念形成的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計、開展能量實踐拓展活動，讓學(xué)生將能量大概念帶入生活實踐中，從電器用電量調(diào)查和實驗認(rèn)識到節(jié)能環(huán)保的重要意義，并針對性地制訂節(jié)能方案，真正將大概念統(tǒng)領(lǐng)的能量意識運用到實踐中。

四、高中物理能量大概念的教學(xué)評測

對能量大概念教學(xué)效果的檢驗，必須要從過程性、終結(jié)性評價兩方面入手，客觀地評測學(xué)生的認(rèn)知能力、知識結(jié)構(gòu)和能力結(jié)構(gòu)，為優(yōu)化能量大概念教學(xué)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。首先，開展過程性評價。在學(xué)生學(xué)習(xí)全過程中，對其各方面學(xué)習(xí)動態(tài)的了解、過程性資料的采集十分關(guān)鍵，對學(xué)生能量觀的形成結(jié)果具有重要影響。為了順利地實施、優(yōu)化能量大概念教學(xué)，對學(xué)生物理學(xué)概念掌握情況、物理能量觀的建立程度進(jìn)行評價，需要設(shè)計和應(yīng)用教學(xué)評價卡，通過學(xué)生自評、小組互評、教師輔導(dǎo)評等方式，及時地把握各個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)中的問題，為優(yōu)化教學(xué)設(shè)計提供藍(lán)本。在具體的評價記錄卡上，需要包括課前、課中、課后三個評價板塊，學(xué)生要在學(xué)習(xí)前、學(xué)習(xí)后描述對能量觀念、大概念的認(rèn)知，并將存在的疑難問題加以記錄以便反饋。在課中板塊，設(shè)計教師發(fā)言、小組研究、學(xué)生聆聽、合作協(xié)同、教學(xué)反思等板塊，讓學(xué)生在學(xué)中思、在思考中探究、在探究基礎(chǔ)上分享和反思，并完成對課堂各個環(huán)節(jié)表現(xiàn)的獨立評價、小組評價和教師評價。同時，實施終結(jié)性評價。基于能量大概念知識學(xué)習(xí)任務(wù)的完成，對學(xué)生概念認(rèn)知、觀念形成、思想方法等進(jìn)展情況進(jìn)行考查?？疾槭侄我詸z測題方式進(jìn)行，主要由敘述題、選擇題、解答題等開放性題目類型，對學(xué)生能量觀念的形成、發(fā)展情況進(jìn)行綜合測評。最終通過對學(xué)生作答情況進(jìn)行統(tǒng)一分析，完成對學(xué)生能量觀念建構(gòu)的評價，便于教師抓住根本性問題，進(jìn)一步地優(yōu)化教學(xué)方式和設(shè)計。在測試題編寫項目上，要從核心概念外延到能量大概念的各個子概念上。例如：在能量本質(zhì)和形式上，涉及能量定義、存在形式、動能和勢能關(guān)系等知識的測試;在能量的轉(zhuǎn)移上，涉及物理運動中動能轉(zhuǎn)化重力勢能，燒水中能量轉(zhuǎn)移，動能、重力勢能和彈性勢能三者間的轉(zhuǎn)化等;在能量守恒上，涉及能量守恒的基本概念、具體體現(xiàn)、在電磁感應(yīng)中的體現(xiàn)等;在能量耗散中，涉及電能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能、能量利用率、機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能、能量轉(zhuǎn)化的方向性等內(nèi)容。通過針對上述能量知識點進(jìn)行檢測題設(shè)置，對項目檢測難度、水平進(jìn)行優(yōu)化，確保其契合學(xué)生能量觀念的發(fā)展需求。這樣形成的檢測問題，能夠確保終結(jié)性評測結(jié)果的可靠性，從而更加全面、合理地測試能量觀念發(fā)展程度。

結(jié)束語

綜上所述，能量大概念與物理教學(xué)的融合是貫徹核心素養(yǎng)、鍛煉學(xué)生思維能力的重要渠道。教師應(yīng)在開展教學(xué)的同時，從大概念角度對物理能量的相關(guān)知識進(jìn)行整合，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行概念認(rèn)知、探究分析和實踐操作，并加強(qiáng)過程性、終結(jié)性教學(xué)評測，促使其能量觀念向更高層次發(fā)展，從而促進(jìn)物理教學(xué)活動的有效開展。

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本文系福建省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度常規(guī)課題“大概念統(tǒng)整下高中生物理能量觀形成的研究”（課題編號：2020XB0490）的階段性成果。