閆秋玥

(北京師范大學附屬中學 北京 100052)

王小明

(中國地質大學附屬中學 北京 100042)

李金婷

(北京師范大學附屬中學 北京 100052)

物理觀念是不同于物理概念、物理知識的一個新名詞，在2017年《高中物理課程標準》修訂時被提出．物理觀念主要包括物質觀念、運動與相互作用觀念、能量觀念等要素[1]．作為物理核心素養(yǎng)的第一個要素，物理觀念既是其他物理核心素養(yǎng)形成和發(fā)展的基礎，又是原來三維課程目標中的第一維——知識與技能目標的提煉和升華[2]．學生通過學習和實踐可以習得物理概念、掌握物理規(guī)律，但這些物理知識并不能伴隨一生，多數會隨著時間的推移被慢慢遺忘．但在學習過程中的體驗、獲得的能力、培養(yǎng)的思維方法以及對物理世界的認識和理解卻會留在學生的腦海中，長久地指導他們的學習和生活，可見通過教學培養(yǎng)學生物理觀念的重要意義．筆者以初中物理“機械能”單元教學為例，淺談自己的嘗試與思考．

1 物理觀念

物理觀念不同于物理知識，是一個對學生學習能力要求更高的概念，很多學者都嘗試對二者進行概念上的界定．

文獻[3]指出：“物理知識是人類用物理的思想、觀點和方法在描述和研究物質世界的變化規(guī)律過程中所獲得的認識和經驗的總和，是對物質世界的描述，由眾多的物理事實組成的，包括物理概念、物理規(guī)律和物理理論等．物理觀念可以概括為物理學家在長期的理論和實驗研究中所獲得的基本認識，是在科學實踐中被證實正確性的認識，是公認的、正確的對物理世界的根本認識．物理觀念通常包括物質觀、相互作用觀、能量觀、時空觀等．”可見，物理知識是以事實為依據，物理觀念則由觀點所構成，觀點的形成源自于對事實的理解與認識，則物理觀念的建立是以物理知識為基礎．

根據2017年修訂的《高中物理課程標準》對物理觀念的概括，彭前程指出：“物理觀念既包括重要的概念、規(guī)律，也指那些在概念和規(guī)律基礎上提煉出的觀點，它們共同的目標指向解決實際問題．”[4]這恰恰說明了提出物理觀念這一概念，并注重培養(yǎng)學生物理觀念的重要意義——學習的意義不在于知識本身，而在于將知識“還給”老師后仍能夠從科學的角度去分析事情、客觀全面地理解世界并解決生活中的實際問題．學生通過學習可以習得物理知識、掌握物理規(guī)律，但若不能形成物理觀念，就不能在頭腦中形成對物理世界正確、完整的認識，因而也就不能運用物理知識和方法解釋現象、解決問題．

因為相較于物理知識，物理觀念是更抽象的概念，在教學中培養(yǎng)學生的物理觀念往往讓人覺得難以落到實處，尤其是以節(jié)為單位的知識不足以形成觀念．所以筆者嘗試轉變思路，通過單元教學的方式突破培養(yǎng)觀念的局限，現以初中物理“機械能”單元教學為例進行說明．

2 關注物理觀念培養(yǎng)的“機械能”單元教學實踐

2.1 根據物理觀念確立“機械能”單元

2.1.1 單元教學內容的確立與分析

《初中物理課程標準》中關于科學內容制定了3個一級主題，分別為“物質”“運動和相互作用”以及“能量”，對應著物質觀念、運動與相互作用觀念以及能量觀念．本單元的主題“機械能”是一級主題“能量”之下的二級主題，也是構建初中能量觀的重要部分．

機械能是最常見的一種能量形式之一，是初中物理能量部分的學習重點．從初中物理關于能量的主要知識結構來看，學生在初二先學習關于功和能的一些基本概念．在學生了解了功、功率的基礎上，學習動能、重力勢能和彈性勢能的概念及其影響因素，再以此為基礎學習機械能及其轉化．而實際生活中能量的轉化不僅局限于機械能內部，各種形式的能量之間都會發(fā)生轉化，進而限定研究范圍，得出在特殊情況下機械能是守恒的．而到了初三，學生會繼續(xù)學習關于內能和其他形式能量的知識，在此過程中慢慢理解能量的轉化和守恒定律是自然界中基本、普遍的規(guī)律，從而逐步構建較為完整的能量觀念．

因此，筆者將教材中“動能和勢能”1課時、“機械能及其轉化”1課時以及科學實踐活動“一飛沖天的吸管火箭”1課時整合到一起，形成“機械能”單元，作為初二階段的能量單元進行教學．盡管本單元主題僅為諸多能量形式中的一種，但在學習的過程中，對“能量”主題下的其他二級主題也有所涉及，如“能量的轉化”“內能”“能量守恒”以及“能源與可持續(xù)發(fā)展”，這樣有助于學生快速建立起全面的能量觀念．

2.1.2 學情分析

初二學生經歷了兩學期的物理學習過程，能夠通過觀察生活實際情境或實驗現象進行思考并提出猜想，能在教師的引導下借助所學的物理知識展開分析．有一定的生活經驗和常識，對于生活中的很多情境是熟悉的，但尚未從能量的角度分析這些情境．從本單元開始，學生將以一個全新的視角來分析物理問題，即從能量的角度分析物理現象，找到物理規(guī)律．

2.1.3 單元教學思路

在初中能量部分的學習中，本單元關注于機械能的概念及其轉化問題．《初中物理課程標準》對本單元的要求為“知道動能、勢能和機械能．通過實驗，了解動能和勢能的相互轉化．舉例說明機械能和其他形式能量的相互轉化”[5]．可見在本單元的學習中，學生要了解機械能這種最常見的能量形式，知道動能、勢能與機械能的關系，還要知道機械能之間是可以相互轉化的，并能通過實例分析它們之間的轉化，初步建立能量觀，為初三學習內能和能量守恒定律奠定基礎．具體流程如圖1所示．

圖1 單元教學流程圖

2.2 在目標中突出物理觀念

在以節(jié)為單位的常規(guī)教學中，教學目標的設定依賴于課標的要求與本節(jié)課的教學內容，所制定的教學目標往往落實到知識與技能，重視學生對物理概念和規(guī)律的學習，卻將知識之間的聯系弱化了，不利于物理觀念的養(yǎng)成．而單元教學的目標設定則以課標和單元內容為核心，不僅能完成教學內容，還更重視知識網絡的構成，在這一點上，單元教學在對培養(yǎng)學生物理觀念上更有優(yōu)勢．

在“機械能”單元的教學目標中提出：希望學生能通過實例從做功的角度描述能量，知道能量與做功的關系，知道能量的單位；利用實例或實驗初步認識動能、勢能的概念，知道動能、重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱為機械能；能在新情境中運用機械能的相關概念與能量轉化與守恒思想解釋現象、解決問題，從而初步建立能量的觀念．

除了掌握相關知識，在本單元的教學目標中強調了知識網絡的組建、形成用能量轉化和守恒思想來思考問題的分析思路的培養(yǎng)，并以最終運用能量思想解釋現象、解決問題為最后的評價手段，實現物理觀念的培養(yǎng)與應用．關注物理觀念培養(yǎng)的單元教學目標的制定，可以站位更高，對單元的教學有更準確的定位，對教學內容和活動設計實現整體把握．

2.3 在活動中形成物理觀念

2.3.1 以“前概念”為起點

學習初中物理之前，學生通過日常對生活的觀察和從各種途徑獲得的知識，都有著對物理世界的初始認識，即“前概念”．隨著不斷的學習，他們逐漸形成了自己的觀點．物理世界是客觀的，但這些觀點卻是主觀的，有的觀點正確(符合客觀規(guī)律)，而有的觀點片面甚至有誤，但這些都形成了學生的初始觀念，可以稱為“前觀念”．

比如日常生活中，學生對“能量”一詞并不陌生，也能感受到具有能量的物體有對外做功的能力，僅僅難以用語言準確地進行描述．因此，在能量概念建立時，教師鼓勵學生去列舉生活實例，引導學生感受具有能量的物體的共性，并用語言進行描述．這就是在學生的“前概念”上建立起能量的概念．

再如生活中很多物體的運動過程都伴隨著能量的轉化，在學習能量的轉化與守恒前，學生沒有機械能的概念，也說不出能量轉化的規(guī)律，但根據觀察可以發(fā)現物體運動快慢、所處高度如何變化．通過學習活動，學生了解到動能和勢能的概念后，就可以將以往生活中的“前概念”過渡到準確的物理概念．而關于機械能的轉化規(guī)律，學生會覺得生活中很多體驗都能說明動能與勢能之間可以相互轉化，這與日常經驗相符，但認為機械能不會減少的學生占全班總人數的60%以上，他們甚至可以舉出生活中的實例進行論證，如鐘擺可以一直擺動、翻滾過山車可以多次翻滾等．只有在課堂上對滾擺和擺球運動進行更細致的觀察和實驗，學生才能發(fā)現原來盡管它們能持續(xù)運動很長時間，但卻會越擺越低，無法回到初始高度，從而認識到機械能在轉化過程中其實是不斷減少的．

2.3.2 重視探究活動

物理觀念的形成既是認知性的，更是體驗性的．物理觀念不可能通過記憶物理知識自發(fā)形成，而需要學生在積極主動的研究活動中深刻理解和掌握有關的物理知識，并且在對知識的理解、應用中不斷概括、提煉而形成[6]．所以在教學中，要尤其重視探究活動的設計與實施．考慮到單元教學的綜合性，其中的探究活動應符合學生的思維邏輯，根據教學目標和學情進行精心設計，以主題統(tǒng)領，以任務呈現[7]．

“機械能”單元教學以機械能為主題統(tǒng)領所有活動，按照課時分配和知識間的邏輯關系呈現出4個活動，活動設計意圖如圖2所示.

圖2 活動設計意圖

活動1：列舉生活實例，認識能量、動能和勢能；通過實驗探究動能和勢能的影響因素．在這一活動中，學生從生活實際歸納認識能量，根據現有器材設計實驗，探究動能和勢能的影響因素，并對實驗結果進行分析論證．初步建立能量、動能、重力勢能和彈性勢能等基本概念．

活動2：實驗探究機械能轉化的規(guī)律．活動中，學生依次通過體驗發(fā)條小玩具，觀察并分析滾擺的運動、擺球的運動以及小球在軌道上的復雜運動，逐步探究機械能轉化的規(guī)律．

活動3：分析討論天問一號從發(fā)射到進入火星軌道的能量轉化．此活動中，學生依據所學的機械能及其轉化的相關知識，結合具體航天情境，分小組討論、分析天問一號從發(fā)射到進入火星軌道不同階段的能量轉化．

活動4：制作“吸管火箭”，并通過實驗分析“吸管火箭”的機械能轉化．通過自制“吸管火箭”的實踐活動，鍛煉學生的動手能力和小組協(xié)作精神．在設計、制作、實驗、分析、交流與討論的過程中，學生能充分參與到課堂中來，在實踐中加深對機械能轉化的理解．

習得物理知識易，形成物理觀念難，因為觀念的形成或轉變絕不僅僅是通過記憶或做題能夠實現的，只有將知識真正內化于心，才能形成觀念，而物理觀念是否形成又是通過在新情境中能否遷移應用體現的．如在活動4中分析“吸管火箭”的運動，如果教師不明確規(guī)定從能量角度進行分析，仍有部分學生會不自覺地先分析受力．再如學習機械能守恒后為了加深學生的理解，教師邀請學生上前體驗教材上的“勇敢者游戲”，照理說學生已經有了機械能守恒的知識，就應該很清楚鐵鎖自由擺回來不會砸到鼻子，但實際卻仍會膽怯．受力分析是學習能量之前一貫的分析方法，在學生沒有能量觀的時候，解決物理力學問題必然會從受力分析入手．同樣，盡管知道能量守恒卻不敢相信，仍怕鐵鎖擺回來砸到自己而不敢嘗試則是正常的心理活動．這些不是說學生沒有認真學習物理知識，僅僅因為學生尚未形成毫不動搖的能量觀念．所以為了幫助學生盡快建立能量觀，不僅要在探究活動中進行概念和規(guī)律的學習以加強體驗，更要通過各種體驗與應用不斷深化對物理知識的理解，從而在頭腦中將知識逐步提煉升華，慢慢形成從能量角度看事物的觀點、分析能量轉化的思路以及用能量的轉化和守恒解決問題的意識和態(tài)度．

(1)創(chuàng)設問題情境階段.首先由教師設計探索的主題，提出問題，并且提供一些導語和適當的提示[5]；由學生切實體驗問題情境，初步確定該做什么，怎么做；網絡主要提供一個資源庫，方便教師展示和學生搜尋相關的資料，同時給師生互相交流和討論提供交互平臺.

2.3.3 歸納總結促進觀念建構

構建物理觀念就好像建設高樓大廈，知識是基礎，是搭建大廈的一磚一瓦．學習到了知識，學生僅僅有了構建觀念的材料，更重要的步驟是將這一磚一瓦有序地組合起來，這就是知識的梳理和歸納．如果說學生在探究活動中學習并加深了對概念規(guī)律的理解后，在他們的腦海中應有了模糊的感覺，明白這些概念、規(guī)律之間存在著某種聯系，但卻并不清晰，仍像在云霧中似的．若要撥開云霧，理清知識間的聯系，用一磚一瓦構建起物理觀念的大廈，就要勤歸納、善總結．

在日常的教學中，我們在每一節(jié)課后都會進行課堂小結，其目的就是幫助學生快速進行知識上的梳理．但往往由于時間有限，課堂小結多數流于形式，無非是教師把板書上的知識點念一遍，達不到讓學生梳理知識的效果．在“機械能”單元教學時，筆者嘗試留足時間，請學生進行課堂小結，學生的總結或許不全面，又或許邏輯不是很清楚，但只要表達出來了就說明學生思考了，之后可以再請其他學生進行補充．這種學生自主小結的形式，使得學生不得不快速回顧本節(jié)課的收獲，對知識和方法進行歸納，還要能用簡練的語言進行表達，不僅鍛煉學生的思維能力、語言表達能力，更鼓勵學生跳出知識本身站在更高的角度看待知識間的聯系，從而構建知識網絡，總結分析方法．將碎片的知識變?yōu)橛袡C的整體，逐步形成物理觀念．

2.4 在評價中落實物理觀念

為評估學生的學習效果，促進核心素養(yǎng)發(fā)展，教學評價是單元教學中的重要一環(huán)．為落實物理觀念，單元評價應方式多樣，且注重對核心知識的應用與遷移，從而評估學生對知識的理解是否到位、是否形成了較為全面的能量觀．

如“機械能”單元的評價方式有很多，針對學生的課堂表現可以進行參與度的評價，以及對問題的分析、實驗方案的設計與實施、實驗后的分析與評估等，這些都體現了學生在課堂上對所學知識的理解程度和自主加工水平．而課后的作業(yè)任務是對學生課堂所學知識掌握程度的評估，并通過基礎性作業(yè)和拓展性作業(yè)來進行能力分層．其中，知識網絡的組織則從知識間的聯系出發(fā)培養(yǎng)學生物理觀念，如圖3所示．

圖3 組織知識網絡促進物理觀念形成

另外，教師設計從實際生活出發(fā)，讓學生運用所學知識進行現象的分析與解釋，如闡述避險車道的作用這一情境問題．由于是開放性問題，學生可以從任何角度進行作答．通過這一單元的學習，能夠逐步構建起能量觀念的學生很快就能找準問題的關鍵，對車輛在避險車道行駛過程中進行能量轉化的分析，如圖4(a)所示．也有少部分學生同時從多角度對該情境進行分析，分析的思維流程圖也正體現了學生在腦中構建的物理觀念，如圖4(b)所示．

圖4 闡述避險車道的作用

3 結束語

物理觀念的培養(yǎng)絕不在一朝一夕，需要教師站在更高的角度去看待知識間的聯系，合理安排課程．不可僅著眼于知識與技能的培養(yǎng)而忽略了大局觀，也不能為了使學生快速全面地建立物理觀念而將知識一股腦地都教給學生，導致超出學生的認知水平．因而在初中物理教學中，單元教學可以有效地將知識按照物理觀念劃分，并在某一觀念的大主題下劃分成適宜不同學習階段的小單元．這樣既便于實施，也加強了物理知識之間的聯系，能夠有效地促進學生物理觀念的初步培養(yǎng)，為日后高中更深入地學習做好鋪墊．