王長江 盛洋

摘 要：能量觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容.本研究以馬扎諾的教育目標(biāo)分類學(xué)為理論基礎(chǔ)，對初中生的能量觀念的認(rèn)知水平進(jìn)行理論分析，以785名初中畢業(yè)生為實(shí)驗(yàn)樣本，以自編的初中物理能量觀念問卷為研究工具，對初中生能量觀念的認(rèn)知水平進(jìn)行測評，研究發(fā)現(xiàn)：初中生物理能量觀念的認(rèn)知水平整體上處于理解與分析的中間水平;對5種能量子觀念的認(rèn)知都低于分析水平，其中能量轉(zhuǎn)化觀得分最低，處于理解以下的認(rèn)知水平.最后，提出教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)完整的物理能量知識圖景、以能量觀念統(tǒng)領(lǐng)能量知識教學(xué)的兩條教學(xué)建議.

關(guān)鍵詞：初中物理;能量觀念;認(rèn)知水平;教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1008-4134（2021）02-0009-04

作者簡介：王長江（1972- ）男，寧夏石嘴山人，博士，副教授，研究方向：教師教育、科學(xué)教育、物理教學(xué)研究;

盛洋（1995-），女，安徽銅陵人，碩士，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)研究.

1 研究背景

能量是《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》的三個一級主題之一，能量觀念是物理學(xué)中關(guān)于能量概念、規(guī)律等能量知識的提煉、升華，是對能量世界的一種根本認(rèn)識，是中學(xué)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容.

英國教育專家溫·哈倫教授曾提出了十個關(guān)于科學(xué)知識的大概念和四個關(guān)于科學(xué)本身的大概念，其中關(guān)于能量的大概念表述是：在宇宙中能量的總量是不變的，但是，在某種事件發(fā)生的過程中，能量會從一種儲存形式轉(zhuǎn)化成另一種儲存形式[1].美國在2013年頒布的《新一代科學(xué)教育的標(biāo)準(zhǔn)》中物理學(xué)科包含四個核心概念，物質(zhì)及其相互作用、運(yùn)動和穩(wěn)定性：力和相互作用、能量和波及其在信息技術(shù)中的應(yīng)用[2].能量也是以一個單獨(dú)的核心概念被提出來，其支撐概念主要包含能量的定義、能量的守恒、能量的轉(zhuǎn)移、能量與力之間的關(guān)系以及化學(xué)過程中的能量與日常生活.在國內(nèi)，梁旭認(rèn)為，觀念既然具有總體性和綜合性，也必然具有階段性和結(jié)構(gòu)性，因此他提出了“子觀念”的概念，并將能量觀念劃分成六個子觀念，分別是能量普適觀、能量多樣觀、能量轉(zhuǎn)化觀、能量量度觀、能量守恒觀和節(jié)能環(huán)保觀[3].伍苗苗也將能量觀念進(jìn)一步細(xì)分，將能量觀念劃分成五個基本觀念，分別是能量本質(zhì)觀、能量形式觀、能量轉(zhuǎn)化觀、能量耗散觀和能量守恒觀[4]，并對每個基本觀念都進(jìn)行了解讀.

我們注意到，在國內(nèi)能量觀念的相關(guān)研究中，更多的是對能量觀念內(nèi)涵以及教學(xué)的探討，側(cè)重的是以教師為主的研究，對于從學(xué)生的學(xué)習(xí)視角，“學(xué)生能量觀念的認(rèn)知水平”等相關(guān)研究尚未受到重視.基于此，我們開展初中物理能量觀念的認(rèn)知測評研究.一方面本研究將為高中物理能量教學(xué)提供學(xué)生的認(rèn)知水平起點(diǎn)，為提升高中物理能量觀念教學(xué)提供證據(jù)支持.另一方面，本研究將為初中物理能量觀念教學(xué)提供學(xué)生的認(rèn)知水平終點(diǎn)，反映初中生物理能量觀念的認(rèn)知水平，為中學(xué)教師改進(jìn)初中物理能量觀念教學(xué)提供證據(jù)支持.

2 初中物理能量觀念的認(rèn)知水平分析

開展初中能量觀念的認(rèn)知測評研究，首先要對初中物理能量觀念的認(rèn)知水平進(jìn)行理論分析.

能量觀念的建構(gòu)是一個發(fā)展的過程，不同學(xué)生對能量觀念的認(rèn)知水平存在差異.馬扎諾的“新教育目標(biāo)分類學(xué)”中，將認(rèn)知水平劃分為提取、理解、分析、知識應(yīng)用[5].依據(jù)馬扎諾的認(rèn)知發(fā)展理論，我們將學(xué)生能量觀念的認(rèn)知發(fā)展劃分為四個水平：第一，提取水平，學(xué)生能夠回想起能量的基本概念和規(guī)律，在被提及這些知識時能夠回憶起相關(guān)的定義、公式以及基本信息等;第二，理解水平，學(xué)生能夠用簡單的、概括的形式組織、提煉出能量相關(guān)知識的主要特征，并且能夠描述和識別出能量知識重要與不重要的方面;第三，分析水平，學(xué)生能夠比較不同能量知識之間的異同，能夠?qū)傩韵嗤哪芰恐R進(jìn)行歸納與總結(jié)，還能夠辨別知識的真?zhèn)?，以及能夠重新組織這些知識產(chǎn)生新的見解并應(yīng)用于新的環(huán)境中;第四，知識應(yīng)用水平，學(xué)生能夠?qū)⒅R應(yīng)用于具體的任務(wù)中，能夠選擇最佳的選項(xiàng)，能夠解決任務(wù)中存在的障礙或限制條件，最后能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo).

在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，我們將能量觀念劃分成五個基本觀念（如圖1所示），其抽象定義如下.

能量普適觀：能量普遍存在于生活生產(chǎn)中.

能量多樣觀：能量可以通過多種的形式來儲存，其表現(xiàn)形式是多樣的.

能量轉(zhuǎn)化觀：各種不同形式的能量之間可以轉(zhuǎn)化，不同物體所具有的能量也可以進(jìn)行轉(zhuǎn)移.

能量守恒觀：能量既不會憑空產(chǎn)生也不會憑空消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變.

能量耗散觀：雖然總的能量是保持不變的，但并不能被全部利用，會有部分能量耗散掉.

每種能量子觀念都從提取、理解、分析、知識應(yīng)用等不同的認(rèn)知水平進(jìn)行說明（見表1）.

3 初中物理能量觀念的認(rèn)知測評

問卷題目內(nèi)容是以提取出的初中能量觀念相關(guān)知識為基礎(chǔ).問卷采用二段式測驗(yàn).采用的是主客觀題相結(jié)合：第一問是以選擇題的形式呈現(xiàn)（回答準(zhǔn)確記4分，錯誤記0分），第二問要求學(xué)生解釋在第一問中作出的選擇（按照評分標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到提取、理解、分析、知識應(yīng)用分別記1分、2分、3分、4分）.問卷經(jīng)過兩次專家效度的檢驗(yàn)，并經(jīng)過試測后再次修改，最后形成由10道題組成的正式的測試問卷.

3.1 初中物理總體能量觀念的測評分析

利用SPSS22.0統(tǒng)計軟件處理數(shù)據(jù)，對總體樣本的集中趨勢以及離散程度進(jìn)行描述，以了解學(xué)生能量觀念的認(rèn)知水平.

由表2可知，被試總體能量觀的平均分是2.1364，表明初中生能量觀念的認(rèn)知水平處于中等，處于從理解向分析水平過渡的階段，還不能依據(jù)已知知識建構(gòu)和證明能量觀念;不能應(yīng)用能量觀念知識解決具體問題.

從被試總體的回答情況來看，學(xué)生解決能量問題時思維更多停留在問題本身，沒有發(fā)展到“分析”水平.在陳述理由的過程中，很多學(xué)生更多還停留在單一的、零散的知識使用狀態(tài)，還不能夠站在能量總體的視角去看待問題.現(xiàn)階段初中生能量觀念水平較低的原因主要有：其一，物理觀念（包括能量觀念）是核心素養(yǎng)框架下高中物理課程目標(biāo)的重要內(nèi)容.核心素養(yǎng)框架下的初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)還沒有頒布，初中物理教師對培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念目的性不明確，沒有在教學(xué)中有意識、有計劃地培養(yǎng)學(xué)生的能量觀念.其二，能量知識是有層級結(jié)構(gòu)的.關(guān)于能量的一些事實(shí)性知識處于低端，能量觀念處于頂端.限于初中生思維發(fā)展的階段性，他們對能量知識的認(rèn)識、理解具象性較多，還沒有學(xué)會分析、運(yùn)用知識，因此這也可能造成學(xué)生對能量觀念的認(rèn)知水平較低.

3.2 能量子觀念的認(rèn)知測評分析

5個能量子觀念的認(rèn)知水平的平均分層次不齊，但是都低于3.00分，表明被試初中生整體的認(rèn)知低于分析水平.

3.2.1 能量普適觀的認(rèn)知水平分析

對能量普適觀的有兩個題目，被試平均分是2.7583，表明學(xué)生處于理解水平向分析水平過渡的階段，部分學(xué)生已經(jīng)達(dá)到分析水平，能根據(jù)能量的普適性分析自然現(xiàn)象.在學(xué)生給出的選擇理由中大部分都是“任何物體都具有能量”，還有部分給出的是“任何物體都具有內(nèi)能”，內(nèi)能本身就是能量，也就是任何物體都具有能量.

在教科書中對能量的描述是：只要物體能夠?qū)ν庾龉?，這個物體就具有能量.但并沒有說明任何物體都能對外做功，更沒有說明任何物體都具有能量這樣的結(jié)論.被試學(xué)生對于下面選項(xiàng)“冰山?jīng)]有內(nèi)能，火山有內(nèi)能”“一節(jié)單獨(dú)的干電池沒有能量，將干電池與用電器連接成閉合回路之后干電池才有能量”“秸稈在不燃燒的時候沒有能量，在燃燒時有能量”無從判別.部分學(xué)生能夠概括出能量具有普適性，但在具體問題情境中面對實(shí)際的問題時，卻不能夠靈活應(yīng)用.

3.2.2 能量多樣觀的認(rèn)知水平分析

從測試結(jié)果來看，整體初中生的能量多樣觀處于理解水平向分析水平過渡的階段.能量是以不同的形式存儲于各個物體中，單一物體中也可以同時存儲不同形式的能量.不少學(xué)生認(rèn)為空氣沒有重力勢能，導(dǎo)致選項(xiàng)“流動的空氣不僅有動能，也有重力勢能”判斷錯誤，充分表明：初中主要學(xué)習(xí)機(jī)械能、內(nèi)能和電能，對其他形式的能量也有所介紹，但不深入.學(xué)生對不同形式能量的認(rèn)識要比對能量普適性的理解難，首先學(xué)生要判斷一個系統(tǒng)是否存在能量，然后還要識別能量的形式，比理解能量普適性還要多一個過程.而且能量的形式多種多樣，有些形式的能量還存在相似性，容易造成學(xué)生識別錯誤.

3.2.3 能量轉(zhuǎn)化觀的認(rèn)知水平分析

對能量普適觀的也有兩個題目，能量轉(zhuǎn)化觀的得分是五個子觀念中得分最低的，平均分只有1.7618，說明學(xué)生對能量轉(zhuǎn)化觀的認(rèn)知水平是最低的，平均水平處于提取向理解過渡的階段.

考查能量轉(zhuǎn)化觀的題項(xiàng)1的情境是：如圖所示是蹦極運(yùn)動的簡化示意圖.彈性繩一端固定在O點(diǎn)，另一端系住運(yùn)動員;運(yùn)動員從O點(diǎn)自由下落，到a點(diǎn)時彈性繩自然伸直，b點(diǎn)是運(yùn)動員速度達(dá)到最大的點(diǎn)，c點(diǎn)是運(yùn)動員到達(dá)的最低點(diǎn)（忽略空氣阻力）.從得分的頻率直方圖來看，出現(xiàn)三次不連續(xù)的集中趨勢，第一次是在0分的位置，說明這部分學(xué)生對能量之間的轉(zhuǎn)化沒有呈現(xiàn)出任何信息或者是沒有任何有關(guān)系的信息，他們對能量之間的轉(zhuǎn)化是模糊的.第二次出現(xiàn)的集中范圍在0.5分到1.5分，結(jié)合問卷中具體的得分點(diǎn)會發(fā)現(xiàn)，這部分學(xué)生能夠提取簡單情境中的能量信息，但是一旦涉及多種形式的能量之間的轉(zhuǎn)化時，學(xué)生就不知道要從何處開始著手.

3.2.4 能量守恒觀的認(rèn)知水平分析

整體的能量守恒觀的水平也只達(dá)到理解的水平.可能的原因是“能量的守恒觀”是中學(xué)物理中不斷進(jìn)階的物理觀念.在現(xiàn)實(shí)生活中學(xué)生錯誤地認(rèn)為，能量在轉(zhuǎn)化過程中不斷損耗，需要不斷地提供能量才能保持原來的狀態(tài).受此錯誤前概念的影響，加上初次接觸能量觀念，導(dǎo)致學(xué)生無法深入理解能量守恒觀.盡管部分學(xué)生意識到總的能量守恒，但是在具體情境分析時，由于有很多的干擾信息對學(xué)生的分析造成一定的困難.

3.2.5 能量耗散觀的認(rèn)知水平分析

能量耗散與能量守恒之間存在密切的聯(lián)系，學(xué)生對能量守恒理解不夠深入、認(rèn)知水平較低，也會導(dǎo)致其對能量耗散的理解無法深入、認(rèn)知水平不高.多數(shù)學(xué)生知道能量的轉(zhuǎn)化過程中存在能量的損耗，但也僅僅停留在“提取”層次，至于能量以什么方式損耗、損耗了多少等都需要學(xué)生進(jìn)一步分析，這些問題造成學(xué)生學(xué)習(xí)的困難.另外，在不同的情境中不同形式的能量是以不同的狀態(tài)存在的，在這個情境中可能是以損耗的能量存在，但在下一個情境中就并非是損耗的能量.這就需要對具體的情境具體分析.

4 初中物理能量觀念的教學(xué)建議

從測評結(jié)果來看，初中生在完成學(xué)業(yè)后，對能量觀念的認(rèn)知達(dá)到理解與分析的中間水平，距離“知識應(yīng)用”的水平還有很大的差距.針對這一現(xiàn)狀，我們認(rèn)為應(yīng)該建構(gòu)完整的物理能量知識圖景，以能量觀念統(tǒng)領(lǐng)能量知識的教學(xué).

4.1 促進(jìn)深度理解，建構(gòu)完整的物理能量知識圖景

在以往教學(xué)中，教師注重的是學(xué)生對能量的事實(shí)性知識、概念、規(guī)律等的認(rèn)識及理解，教師會以物理教科書為本，按照教科書上對能量知識的安排逐個攻破，學(xué)生形成的仍舊是關(guān)于零散的、碎片化的能量知識，是對能量世界的片面認(rèn)識[6].在教學(xué)中有必要將能量的知識層級結(jié)構(gòu)，從事實(shí)性知識、概念、規(guī)律向上提煉、升華，達(dá)到能量觀念，幫助學(xué)生建構(gòu)更為完整的能量知識圖景.在課時教學(xué)、單元教學(xué)中，應(yīng)該幫助學(xué)生理清能量事實(shí)、概念、規(guī)律以及概念之間的聯(lián)系，尋找到一條清晰的邏輯鏈條.下面以初中物理“內(nèi)能的利用”一章為例來說明（如圖2所示）.

在未學(xué)習(xí)本章內(nèi)容前，學(xué)生通過日常的生活已經(jīng)知道：燃料的使用能夠給人類的生活帶來便利;各種交通工具為人們出行帶來了便捷.通過本章的學(xué)習(xí)，知道燃料是通過將自身的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能后，再轉(zhuǎn)化成其他的能量;對熱機(jī)、熱值和熱機(jī)效率的認(rèn)識加深;涉及的能量規(guī)律主要是能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移規(guī)律以及能量守恒定律.在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生對于能量認(rèn)知最高階止步于能量規(guī)律（如圖2虛線框內(nèi)左邊部分所示）.如果想要對能量知識有更完整的認(rèn)識，還需要引導(dǎo)學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)階到能量觀念.對于內(nèi)能，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到：內(nèi)能是物體內(nèi)部全部分子做熱運(yùn)動時的分子動能和分子勢能的總和;內(nèi)能只是能量存在形式的一種;能量還是普遍存在于物體中.燃料在使用的過程中，總的能量數(shù)量是保持恒定的，但在可利用的品質(zhì)上是逐漸減少的.

4.2 更新教學(xué)理念，以能量觀念統(tǒng)領(lǐng)能量知識教學(xué)

從傳統(tǒng)的能量教學(xué)來看，教師也常常設(shè)計基本問題，但由于止步于能量概念或能量規(guī)律教學(xué)，這可能是現(xiàn)階段初中生的能量觀念整體水平較低的一個主要因素.我們建議，為了提高學(xué)生能量觀念的認(rèn)知水平，要更新教師的教學(xué)理念，以能量觀念統(tǒng)領(lǐng)能量知識的教學(xué)，以基本問題驅(qū)動教學(xué)進(jìn)程，幫助學(xué)生將能量知識進(jìn)行提煉和升華，形成更加完整的認(rèn)識.同樣以初中物理“內(nèi)能的利用”一章為例來說明（圖2的虛框右邊部分）.

在設(shè)計教學(xué)方案時，我們建議應(yīng)從頂層的能量觀念教學(xué)預(yù)設(shè)向底層的具體知識教學(xué)預(yù)設(shè)推進(jìn).首先，將能量觀念認(rèn)識轉(zhuǎn)化為能量觀念問題，明確在這一章中培養(yǎng)學(xué)生什么樣的能量觀念：能量普適觀對應(yīng)“能量存在有條件限制嗎？”;能量多樣觀對應(yīng)“能量如何存儲于物體中？”;能量轉(zhuǎn)化觀、能量守恒觀以及能量耗散觀對應(yīng)“能量轉(zhuǎn)化過程中有什么特點(diǎn)？”.其次，將能量觀念問題分解為能量規(guī)律問題：燃料釋放的能量都去哪了？能量消失了嗎？再次，將能量規(guī)律問題具體化為能量概念問題：“什么是內(nèi)能？”等.以燃料的使用提出熱機(jī)，對熱機(jī)工作原理的分析過程以及能量去向的分析中滲透能量轉(zhuǎn)化、能量守恒以及能量耗散的概念.最后，將能量概念問題具體化為能量事實(shí)問題：燃料為什么能給生活帶來便利？熱機(jī)有什么作用？以基本問題驅(qū)動的教學(xué)設(shè)計，將幫助提升學(xué)生對能量觀念的認(rèn)知水平，幫助學(xué)生建構(gòu)完整的能量知識圖景.

參考文獻(xiàn)：

[1]溫·哈倫，韋鈺譯.以大概念理念進(jìn)行科學(xué)教育[J].中國科技教育，2020（01）：80.

[2]韓思思，羅瑩.科學(xué)教育研究新進(jìn)展：美國新一代科學(xué)教育測評[J].課程·教材·教法，2019，39（06）：131-137+30.

[3]梁旭.物理觀念的結(jié)構(gòu)與形成過程探究[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018，47（09）： 22-26.

[4]伍苗苗，張軍朋.高中物理能量觀念的內(nèi)涵、構(gòu)成與認(rèn)知層次[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2017，46（09）： 1-4.

[5]黎加厚.新教育目標(biāo)分類學(xué)概論[M].上海：上海教育出版社，2010.

[6]譚慶仁.善待學(xué)生經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知，構(gòu)建正確物理觀念——以能量觀念的正確構(gòu)建為例[J].物理教師，2018，39（12）： 34-36.

（收稿日期：2020-10-09）