孫厚升

(江蘇省無(wú)錫市僑誼實(shí)驗(yàn)中學(xué)，江蘇 無(wú)錫 214026)

在《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2022年版)》中，一級(jí)主題“能量”下面分為“能量、能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移”“機(jī)械能”“內(nèi)能”“電磁能”“能量守恒”“能源與可持續(xù)發(fā)展”六個(gè)二級(jí)主題，課標(biāo)中對(duì)“電磁能”這個(gè)二級(jí)主題要求較高，有兩個(gè)“理解”層次的內(nèi)容，分別是歐姆定律和電功、電功率，[1]所以中考命題對(duì)這兩部分內(nèi)容考查的力度很大，在教學(xué)中教師自然也對(duì)這兩部分內(nèi)容情有獨(dú)鐘，挖掘頗深。能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律是自然界的普遍規(guī)律，它與很多學(xué)科都有關(guān)聯(lián)，和生產(chǎn)、生活息息相關(guān)。這部分內(nèi)容對(duì)學(xué)生的進(jìn)一步學(xué)習(xí)、形成可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)都是非常重要的，筆者在大概念視域下對(duì)能量教學(xué)進(jìn)行實(shí)踐與思考，以期為廣大教師提供參考。

1 能量大概念的深層理解

“能量”作為初中物理重要的課程內(nèi)容，這樣的安排其實(shí)是有深層含義的，若“能量”作為大概念，那么“能量”背后有一個(gè)“大觀念”——能量觀念。能量觀念是從物理學(xué)視角形成的對(duì)能量的總體認(rèn)識(shí)，是與能量主題相關(guān)的物理概念、規(guī)律等等在頭腦中的提煉與升華,是從物理學(xué)視角解釋自然現(xiàn)象和解決實(shí)際問(wèn)題的基礎(chǔ)。從學(xué)生的認(rèn)知進(jìn)階角度來(lái)看，能量觀念的提出超越了以往“功”“動(dòng)能”“內(nèi)能”等碎片化的知識(shí)內(nèi)容，而能量觀念的核心內(nèi)容就是“能量守恒”，[2]本文將通過(guò)具體事例予以說(shuō)明。所以我們有必要對(duì)初中生的能量觀念進(jìn)行潛移默化、循序漸進(jìn)的誘導(dǎo)和啟發(fā)。

蘇科版初中物理教材的理念之一是強(qiáng)化過(guò)程、簡(jiǎn)化概念，用滲透的方式使學(xué)生領(lǐng)悟概念的內(nèi)涵，指出了能量是整個(gè)自然科學(xué)的核心概念之一，并與生產(chǎn)和生活息息相關(guān)。以八年級(jí)上冊(cè)為例，第一章第一節(jié)就在“生活·物理·社會(huì)”欄目中引入聲能的概念(圖1)。主要借助一些不十分嚴(yán)格但較易被學(xué)生接受的說(shuō)法加以引入，并試圖分門別類地介紹學(xué)生熟悉的能量存在的各種形式(聲能、光能、動(dòng)能等)，使學(xué)生對(duì)能量的內(nèi)涵有粗略但較為具體的認(rèn)識(shí)(圖2)。

圖1

圖2

傳統(tǒng)教材通常是一涉及新概念就急于給出嚴(yán)格的概念界定，這是學(xué)科本位思想的體現(xiàn)，現(xiàn)在各版本教材的處理方法反映了新課程的理念，把著眼點(diǎn)放在引導(dǎo)學(xué)生觀察有關(guān)現(xiàn)象，不過(guò)分糾纏于概念的嚴(yán)格定義，不追求“一步到位”。

能量觀念的形成繞不開能量這個(gè)概念。在初中階段如何給學(xué)生一個(gè)相對(duì)科學(xué)的定義，筆者發(fā)現(xiàn)各版本教材的做法也不盡相同，問(wèn)題的焦點(diǎn)是先講“功”還是先講“能”。以蘇科版為代表(占絕大部分)的教材先講“功”，以浙教版為代表(少部分)的教材則是先講“能”。這個(gè)問(wèn)題人教版教材在2002年-2004年期間曾作過(guò)嘗試，當(dāng)時(shí)先講“能”，后來(lái)出于種種考慮還是改過(guò)來(lái)先講“功”，一直到現(xiàn)在。初中生學(xué)習(xí)功和能量時(shí)總感覺(jué)困難，且有很多不適，因?yàn)椴还芟戎v哪個(gè)，都無(wú)法很順暢地引入相應(yīng)的概念，筆者傾向于以蘇科版教材為代表的處理方式，先講“功”。

2 不同教材對(duì)“能量”內(nèi)容的處理

以浙教版為代表的教科書先講“能”，安排在《科學(xué)》九年級(jí)上冊(cè)第三章“能量的轉(zhuǎn)化與守恒”，本章前三節(jié)內(nèi)容的安排如下：第1節(jié)為“能量及其形式”，第2節(jié)為“機(jī)械能”，第3節(jié)為“能量轉(zhuǎn)化的量度”。第一節(jié)中首先提出若沒(méi)有能量，日常生活中一些情景能否實(shí)現(xiàn)？然后用圖3所示的伽利略理想斜面實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明，小球之所以“記住”了其起始高度，是因?yàn)樾∏颉坝涀　绷似鹗几叨鹊哪芰?，從而引入了能量這個(gè)概念。對(duì)于初中生來(lái)說(shuō)，這樣處理比較模糊，學(xué)生的感覺(jué)是“能量”這個(gè)東西很重要，日常生活中很多現(xiàn)象都離不開它，但它到底是什么？也許編者認(rèn)為在這里不要過(guò)早界定，留到后面再講清楚，若是如此，本章前兩節(jié)干脆略過(guò)，直接講第3節(jié)，畢竟初中生經(jīng)過(guò)日常生活積累和前期的學(xué)習(xí)，已經(jīng)了解到“能量”在自然現(xiàn)象和自然規(guī)律中的重要性。

圖3

編者這樣編排或許是受到高中物理教材編排順序的影響，高中既然這樣安排，一定有它的道理，初中教材是不是就可以沿用呢？此時(shí)非彼時(shí)，初中與高中不可同日而語(yǔ)，原因有二：(1) 學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備不同，高中生經(jīng)過(guò)初中階段的學(xué)習(xí)，對(duì)功能關(guān)系有一定的了解，具體學(xué)習(xí)了與能量相關(guān)的概念，初步形成了能量觀念，所以在高中物理中直接提出能量概念無(wú)可厚非；(2) 高中教材的編排跟初中(以浙教版為代表)有少許差異，因高中生此時(shí)已初步形成了能量觀念，也知道能量觀念中的核心內(nèi)容——“能量守恒”，再用伽利略斜面實(shí)驗(yàn)引入就比較恰當(dāng)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，高中還加入了富有啟發(fā)性的敘述，譬如在小球“記住”了自己的起始高度后加入“或與高度相關(guān)的某個(gè)量”(備注：因?qū)W生已有重力勢(shì)能概念)，并進(jìn)一步提出：“然而,‘記住’并不是物理學(xué)的語(yǔ)言，后來(lái)物理學(xué)家把這一事實(shí)說(shuō)成是‘某個(gè)量是守恒的’”。[3]這樣的處理是合情合理的，在這里告訴學(xué)生：能量概念的引入是科學(xué)家追求守恒量的一個(gè)重要事例。

那么，在初中階段先引入“功”是不是也比較生硬呢？

以蘇科版為代表的教材先講“功”，設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想為：體現(xiàn)學(xué)科、學(xué)生認(rèn)知架構(gòu)與心理發(fā)展的統(tǒng)一，恰當(dāng)處理學(xué)科的邏輯性與學(xué)生的認(rèn)知心理特點(diǎn)之間的矛盾。[4]縱觀整個(gè)教材，能量觀念貫穿全書，這也是這套教材的重要特點(diǎn)之一，具體分析如下。

(1) 八年級(jí)時(shí)分別在相應(yīng)章節(jié)提出“聲能”“光能”“動(dòng)能”“彈性勢(shì)能”“重力勢(shì)能”等諸多概念，并展示了各種能量在生活或自然現(xiàn)象中應(yīng)用，讓學(xué)生積累了感性認(rèn)識(shí)，這是一種循序漸進(jìn)、逐步深化的過(guò)程，符合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)。

(2) 九年級(jí)上冊(cè)第十一章第3節(jié)“功”在節(jié)導(dǎo)言中寫道：“當(dāng)你舉高物體時(shí)，你就應(yīng)用儲(chǔ)存于身體內(nèi)的化學(xué)能，使物體的位置升高了”，[4]在這里直接提出“化學(xué)能”的概念，學(xué)生并不感覺(jué)到很突兀。接著提出：“在物理學(xué)中，就說(shuō)力對(duì)物體做了功。舉起物體越重，舉起的高度越高，就說(shuō)這個(gè)力做的功越多?！边@里不僅初步給出了“功”的概念，而且也讓學(xué)生體會(huì)到“功”是能量轉(zhuǎn)化的量度，因?yàn)樯铙w驗(yàn)告訴他們：舉起物體越重和越高，消耗自身的能量(化學(xué)能)就越多，即消耗的能量越多，就表示做功越多。

(3) 在第十二章中，教科書的編寫有明、暗兩條線索：明的線索是以現(xiàn)代交通工具——汽車為載體引入的，先后介紹了機(jī)械能、內(nèi)能及其相互轉(zhuǎn)化等其他相關(guān)內(nèi)容；暗的線索則以能量的概念展開，讓學(xué)生了解能量的形式是多種多樣的。在第十二章第1節(jié)“動(dòng)能 勢(shì)能 機(jī)械能”節(jié)首中呈現(xiàn)如圖4所示的情景，提出問(wèn)題：“為什么要規(guī)定汽車在公路上行駛的最大速度？腳踩滑板從高處滑下，為什么會(huì)越來(lái)越快？”編者的意圖有二：一是物體有做功的本領(lǐng)且這個(gè)本領(lǐng)有強(qiáng)弱之分，為正式引入“能量”作準(zhǔn)備；二是能量之間可以相互轉(zhuǎn)化。課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本章相關(guān)內(nèi)容的要求并不高，對(duì)“能量”的定義和甄別也低于傳統(tǒng)教材的要求。蘇科版教材中直接指出：一個(gè)物體能對(duì)另一個(gè)物體做功，就表明這個(gè)物體具有能量。這僅是對(duì)能量概念的一個(gè)粗略的定義，在初中階段不必追求這個(gè)概念的嚴(yán)密性。顯然教材只是簡(jiǎn)要告訴學(xué)生如何判斷一個(gè)物體是否具有能量和怎樣判斷一個(gè)物體能量多少的辦法，決定動(dòng)能、重力勢(shì)能大小的因素才是本節(jié)的教學(xué)重點(diǎn)。

圖4

綜上所述，筆者認(rèn)為以蘇科版為代表的教材在功能關(guān)系上的編排次序更合理，更貼近學(xué)生的認(rèn)知水平，更符合核心素養(yǎng)的培養(yǎng)要求。

3 能量觀念的核心內(nèi)容——能量守恒在教材中的適當(dāng)處理與實(shí)踐

查閱各種版本初中物理教材發(fā)現(xiàn)，“機(jī)械能”概念的引入都比較突兀，都是在探究完動(dòng)能和勢(shì)能大小與哪些因素關(guān)系之后直接提出的。以蘇科版教材為例，表述為：“在物理學(xué)中，動(dòng)能和勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能，一個(gè)物體可以同時(shí)具有動(dòng)能和勢(shì)能?！薄按罅康氖聦?shí)說(shuō)明，動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化?！边@里有個(gè)問(wèn)題是，為什么非要把動(dòng)能和勢(shì)能統(tǒng)稱為機(jī)械能呢？我們發(fā)現(xiàn)諸如“動(dòng)能”“重力勢(shì)能”“內(nèi)能”等都有自己的定義形成原因，唯獨(dú)“機(jī)械能”沒(méi)有，學(xué)生們感覺(jué)有點(diǎn)不知所措。教材編寫可能出于下列原因：(1) 課程標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容要求中沒(méi)有明確指明；(2) “機(jī)械能守恒”在新課標(biāo)中沒(méi)有要求，故不同版本教材中有的提到“機(jī)械能守恒”，如人教版、浙教版教材等，也有的不提“機(jī)械能守恒”，如蘇科版教材等。

筆者認(rèn)為應(yīng)在初中階段提出“機(jī)械能守恒”，理由如下：

(1) “能量守恒”在“能量觀念”中占有核心地位，具有很高的教育價(jià)值。這一點(diǎn)在高中階段尤為重要，在初中階段也應(yīng)有所啟蒙。讓學(xué)生感受到“能量守恒定律”的建立是人類認(rèn)識(shí)自然的一次重大飛躍，是哲學(xué)和自然科學(xué)長(zhǎng)期發(fā)展和進(jìn)步的結(jié)果，是大自然普遍和諧性的一種表現(xiàn)形式，而和諧美正是科學(xué)的魅力所在。

(2) “機(jī)械能”是人類追尋到的第一個(gè)“守恒量”。[2]“機(jī)械能守恒”是普遍的“能量守恒”的一種特殊形式，是后人總結(jié)和概括出普遍的“能量守恒”的依據(jù)，所以在初中階段不應(yīng)該放棄這種樸素的“守恒觀”，從而有必要展示“機(jī)械能”概念建構(gòu)的探索過(guò)程。

(3) 在建立動(dòng)能、勢(shì)能等概念后，各種版本教材一般都會(huì)利用如圖5所示的單擺加以分析，而分析的結(jié)論都表明：動(dòng)能和勢(shì)能可以相互轉(zhuǎn)化。筆者以為這個(gè)情境除了啟發(fā)我們得出上述的結(jié)論外，更重要的是，這兩種形式能量正是在“此消彼長(zhǎng)”的過(guò)程(特別是圖5中C點(diǎn)和A點(diǎn)幾乎在同一高度)中，才可能伴隨著“守恒量”。本探究過(guò)程帶給學(xué)生兩種體驗(yàn)：一是在理想實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用科學(xué)推理，如實(shí)驗(yàn)中不考慮空氣等摩擦阻力等；二是初步領(lǐng)略一種形式的“能量守恒”。這個(gè)探究告訴我們：若不計(jì)阻力，雖然小球的動(dòng)能和勢(shì)能在發(fā)生變化，但二者之和時(shí)刻保持不變，我們可以把物體的“動(dòng)能”“勢(shì)能”之和叫作“機(jī)械能”，以描述在某種條件下這種能量的“守恒性”，從而向?qū)W生初步介紹機(jī)械能守恒定律。

圖5

筆者的相關(guān)教學(xué)實(shí)踐具體表1。

表1

4 結(jié)語(yǔ)

物理世界是千變?nèi)f化的，人們發(fā)現(xiàn)有些物理量在一定條件下是守恒的，可以用這些“守恒量”來(lái)表示物理世界變化的規(guī)律，這就是守恒定律。正因?yàn)樽匀唤绱嬖谥笆睾懔俊?，而且某些守恒定律的適用范圍很廣，所以，尋求“守恒量”已經(jīng)成為物理學(xué)研究的一種重要思想方法。能量是初中課程內(nèi)容中的三個(gè)“大概念”之一，在教學(xué)中除了要讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到各種形式的能量以及它們之間可以相互轉(zhuǎn)化外，還要在教學(xué)中初步建立能量觀念的核心內(nèi)容——能量守恒。其中“機(jī)械能”概念的建立就是一個(gè)很好的“抓手”，雖然機(jī)械能守恒只是能量守恒的一種特例，但對(duì)學(xué)生初步建立整體的能量觀念意義非凡，當(dāng)然在初中階段不宜過(guò)度挖掘，有些內(nèi)容只能留到后期進(jìn)一步探究和完善。