基于單元設(shè)計(jì)的高中物理教材能量概念進(jìn)階研究
——以粵教版“機(jī)械能及其守恒定律”為例

楊 博，張軍朋

華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院，廣州 510006

能量是科學(xué)領(lǐng)域最基礎(chǔ)、最核心的概念。在物理課程中，能量觀念作為物理觀念的組成部分，構(gòu)成了物理核心素養(yǎng)中具有基礎(chǔ)性和重要性的一環(huán)。同時(shí)，整合和發(fā)展作為當(dāng)今科學(xué)課程改革的核心理念[1]，具體到“能量觀念”的教學(xué)中便是圍繞“大概念”組織能量概念，并通過(guò)學(xué)習(xí)進(jìn)階的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生螺旋式思維的發(fā)展。落實(shí)到教學(xué)實(shí)踐上，其中一種思路便是打破課時(shí)限制，開(kāi)展整體化有序的單元教學(xué)[2]，進(jìn)行單元教學(xué)設(shè)計(jì)。

綜上所述，圍繞大概念和學(xué)習(xí)進(jìn)階進(jìn)行教材分析有助于在整合與發(fā)展的理念下開(kāi)展單元設(shè)計(jì)教學(xué)。本文以新粵教版高中物理正文部分（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“教材”）為例，研究教材必修二的能量概念的進(jìn)階框架。

1 高中物理教材中能量概念進(jìn)階框架

1.1 理論框架

Yao等人結(jié)合“能量關(guān)鍵概念”以及“學(xué)生發(fā)展能量概念的過(guò)程”兩個(gè)維度，經(jīng)驗(yàn)證后提出了一個(gè)二維精細(xì)化能量進(jìn)階框架[3]。該框架的橫軸為能量的四個(gè)關(guān)鍵概念，縱軸為四個(gè)概念發(fā)展層級(jí)。本文理論框架由兩個(gè)維度組成，橫向維度按照教材順序構(gòu)建不同主題內(nèi)容下能量相關(guān)概念、規(guī)律之間的聯(lián)系；縱向維度根據(jù)科學(xué)概念理解發(fā)展層級(jí)，建立教材中能量概念進(jìn)階的連接。

（1）能量大概念

大概念包括共通概念和核心概念，共通概念側(cè)重跨學(xué)科內(nèi)容，而核心概念側(cè)重整合某一學(xué)科內(nèi)的知識(shí)[1]。本文中的能量大概念指在物理學(xué)科中能量相關(guān)核心概念的組織。參考許浩[4]、姚鴻棟[5]、伍苗苗[6]等人的研究，將能量大概念分為能量本質(zhì)與形式、能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化、能量守恒三個(gè)維度，如表1所示。

表1 高中物理能量大概念條目

新課標(biāo)中的高中物理課程結(jié)構(gòu)中與能量相關(guān)的主題如表2所示，本文選取粵教版高中物理教材必修二中“機(jī)械能及其守恒定律”模塊為例。

表2 新課標(biāo)中與能量相關(guān)的主題

（2）能量概念發(fā)展層級(jí)

北師大郭玉英團(tuán)隊(duì)在層級(jí)復(fù)雜度和知識(shí)整合等認(rèn)知理論的基礎(chǔ)上，經(jīng)數(shù)輪的實(shí)證檢驗(yàn)，提出了科學(xué)概念理解的層級(jí)模型，分為經(jīng)驗(yàn)（Facts）、映射（Mapping）、關(guān)聯(lián)（Relation）、系統(tǒng)（Systematic）及整合（Integration）[7]，細(xì)化到物理觀念領(lǐng)域中。西南大學(xué)毛予廷[8]提出層級(jí)模型，而后有學(xué)者將其發(fā)展為學(xué)習(xí)進(jìn)階五級(jí)模型，包括物理現(xiàn)象、物理概念規(guī)律、物理核心概念、物理子觀念、物理觀念[9]。新課標(biāo)中也對(duì)物理觀念水平進(jìn)行了劃分，基于以上參考文獻(xiàn)，界定能量概念發(fā)展層級(jí)如表3所示。

表3 能量概念發(fā)展層級(jí)

1.2 教材能量概念進(jìn)階框架

建立分析框架，從橫向和縱向兩個(gè)維度對(duì)教材中能量概念的組織進(jìn)行研究，如圖1所示。

圖1 教材能量概念進(jìn)階框架

由圖1可知，橫向主要考查教材中不同核心概念之間通過(guò)物理概念、物理規(guī)律進(jìn)行聯(lián)系的方式；而縱向側(cè)重于分析教材是如何描述物理現(xiàn)象的，進(jìn)而研究從物理現(xiàn)象到物理概念、規(guī)律，再到物理核心概念，最后到能量觀念的聯(lián)系和進(jìn)階過(guò)程。不同的能量概念、不同發(fā)展層級(jí)之間使用箭頭進(jìn)行連接。本文使用的主要連接詞及其涵義如表4所示。

表4 主要使用的連接詞及其涵義一覽表

2 基于單元設(shè)計(jì)的高中物理教材分析

“機(jī)械能及其守恒定律”主題模塊內(nèi)容來(lái)自必修二第四章，涉及到的物理概念有功、功率、動(dòng)能、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能等，涉及到的物理規(guī)律有功的計(jì)算、正功和負(fù)功、做功與能量變化的關(guān)系、重力做功、動(dòng)能定理、機(jī)械能守恒定律等。

根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)，“機(jī)械能”概念在必修一“機(jī)械能及其守恒定律”主題模塊下主要圍繞“功和功率”“動(dòng)能和動(dòng)能定理”“重力勢(shì)能”以及“機(jī)械能守恒定律”四個(gè)內(nèi)容展開(kāi)，從現(xiàn)象到定理再到定律逐級(jí)深入。機(jī)械能是學(xué)生首次接觸到守恒這一物理思想，對(duì)于學(xué)生能量觀念的形成有著重要的意義；以功和能的概念及功能關(guān)系為基本線索，從能量視角出發(fā)的研究范式也會(huì)為學(xué)生之后學(xué)習(xí)電勢(shì)能、內(nèi)能等內(nèi)容打下基礎(chǔ)。

2.1 功和功率

功是能量變化的量度，也是學(xué)習(xí)機(jī)械能的基礎(chǔ)，對(duì)功、能概念和功能關(guān)系的理解貫穿整章內(nèi)容。首先，教材中展示多個(gè)生產(chǎn)生活中的例子，如“起重機(jī)吊起重物”中的“吊”“起”暗含力與位移兩大要素，從而總結(jié)出功的定義，喚醒學(xué)生的先驗(yàn)知識(shí)。接著，從功的定義推導(dǎo)功的計(jì)算。高中對(duì)功的計(jì)算理解要求在初中的基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展到當(dāng)力與位移成一定角度時(shí)的計(jì)算及正、負(fù)功的含義。

此外，教材從功和能的聯(lián)系入手，用揮動(dòng)的鐵錘能改變鐵條的形狀（對(duì)鐵條做功）說(shuō)明運(yùn)動(dòng)中的鐵錘具有能量，而鐵錘在對(duì)鐵條做功時(shí)，兩者的能量發(fā)生了轉(zhuǎn)化，點(diǎn)明做功與能量變化之間的關(guān)系，總結(jié)出功是能量變化的量度，為后續(xù)的學(xué)習(xí)進(jìn)行鋪墊，同時(shí)也將學(xué)生對(duì)功的理解提升到能量本質(zhì)。

在功率上，教材先從實(shí)際情境出發(fā)，通過(guò)比較人力和機(jī)械做功的快慢引入并總結(jié)得出功率的定義，重點(diǎn)在于對(duì)比功率的不同表達(dá)式，進(jìn)而應(yīng)用公式計(jì)算實(shí)際問(wèn)題，并對(duì)生產(chǎn)生活中常見(jiàn)的機(jī)械功率有一定的了解。

在教學(xué)中教師應(yīng)該抓住提高學(xué)生對(duì)功理解的目的，同時(shí)為“機(jī)械能”大概念的學(xué)習(xí)作鋪墊，讓學(xué)生初步將功與能聯(lián)系在一起，深化對(duì)能量本質(zhì)和形式的理解。

2.2 動(dòng)能、動(dòng)能定理

在“動(dòng)能、動(dòng)能定理”中，課標(biāo)的要求是理解動(dòng)能、動(dòng)能定理，并能解釋生產(chǎn)生活中的現(xiàn)象。教材在課前引言中舉“乒乓球被擊打后飛向?qū)κ帧钡壤樱瑢⑵古仪蛞蚯蚺氖┝Φ淖饔枚\(yùn)動(dòng)一段距離所具有的能量總結(jié)為動(dòng)能。

從有初速度且只受摩擦力做功的運(yùn)動(dòng)物體出發(fā)進(jìn)行推導(dǎo)，延伸出在受外力的情況下合力對(duì)物體所做的功與物體動(dòng)能變化量的關(guān)系，得到動(dòng)能定理。此處對(duì)于基礎(chǔ)較好的學(xué)生，教師進(jìn)一步通過(guò)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)將恒力推廣到變力情況下的動(dòng)能定理。重點(diǎn)是讓學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中體會(huì)運(yùn)用動(dòng)能定理解決問(wèn)題的思路：做功的過(guò)程引起物體動(dòng)能狀態(tài)的變化，不同于用牛頓運(yùn)動(dòng)定律解決問(wèn)題的思路，其中蘊(yùn)含著能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的思想。在應(yīng)用方面，三個(gè)生活中常見(jiàn)的不同情境的例子讓學(xué)生初步體會(huì)利用動(dòng)能定理解釋實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)而提高解決問(wèn)題的意識(shí)和能力。

在教學(xué)過(guò)程中，教師在第一節(jié)的基礎(chǔ)上抓住功是能量變化量度的指導(dǎo)思想得到動(dòng)能，分析其特點(diǎn)，進(jìn)一步推導(dǎo)得到動(dòng)能定理，在解決問(wèn)題的過(guò)程中反復(fù)對(duì)比兩種視角的不同之處，體會(huì)運(yùn)用能量觀念解決問(wèn)題的優(yōu)越性，最后落地于實(shí)際問(wèn)題的解釋和解決，同時(shí)從“機(jī)械能”大概念的視角上滲透能量轉(zhuǎn)化的觀念。

2.3 勢(shì)能

通過(guò)對(duì)動(dòng)能和動(dòng)能定理的探討，學(xué)生對(duì)功能關(guān)系的應(yīng)用有了一定的了解，此時(shí)“勢(shì)能”一節(jié)更大程度上是對(duì)功能關(guān)系的初步應(yīng)用。課標(biāo)對(duì)“勢(shì)能”的要求是理解重力勢(shì)能，同時(shí)定性了解彈性勢(shì)能。教材舉例：“聳立”在峭壁上的石頭落下時(shí)能在地面上“砸出很深的坑”，強(qiáng)調(diào)是由于物體處于某種狀態(tài)而造成的作用效果，再通過(guò)復(fù)習(xí)初中已學(xué)過(guò)的重力勢(shì)能概念，類(lèi)比研究動(dòng)能的思路，從重力做功的角度出發(fā)推導(dǎo)功能關(guān)系。重力勢(shì)能的另一個(gè)特點(diǎn)是相對(duì)性，教材選用了“書(shū)架中的書(shū)”進(jìn)行討論。為了讓學(xué)生對(duì)勢(shì)能這一概念有整體的了解，教材通過(guò)“上緊的發(fā)條”對(duì)彈性勢(shì)能展開(kāi)定性分析。

本節(jié)既有與之前學(xué)習(xí)內(nèi)容的共同之處，即都是利用功能關(guān)系討論機(jī)械能的某一種形式，又有不同之處，這是重力本身作為保守力帶來(lái)的特點(diǎn)。在教學(xué)中應(yīng)圍繞動(dòng)能和勢(shì)能的同與不同展開(kāi)，作為學(xué)生“機(jī)械能”大概念的重要組成，強(qiáng)化學(xué)生的認(rèn)識(shí)。

2.4 機(jī)械能守恒定律

機(jī)械能守恒定律既是對(duì)前面所學(xué)內(nèi)容的總結(jié)，也是進(jìn)一步學(xué)習(xí)能量守恒的鋪墊。課標(biāo)對(duì)于機(jī)械能守恒定律的要求是進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)；理解、體會(huì)守恒觀念；用機(jī)械能守恒分析生產(chǎn)生活中的問(wèn)題。

教材使用了三節(jié)的內(nèi)容，圍繞機(jī)械能守恒定律的原理、驗(yàn)證和應(yīng)用三方面展開(kāi)。首先，通過(guò)人騎自行車(chē)下坡時(shí)車(chē)速增大引入機(jī)械能的概念；再通過(guò)網(wǎng)球下落回彈、蹦極、撐桿跳等例子定性分析動(dòng)能與勢(shì)能的相互轉(zhuǎn)化過(guò)程，深化學(xué)生對(duì)機(jī)械能轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí)；最后，通過(guò)自由落體問(wèn)題進(jìn)行理論驗(yàn)證，遵循從特殊到一般的建構(gòu)思路，抓住“追尋守恒量”滲透守恒觀念。

根據(jù)以上討論，結(jié)合教材內(nèi)容，整理得到機(jī)械能及其守恒定律這一核心概念中能量觀念的建構(gòu)框架，如圖2所示。

圖2 粵教版高中物理必修二中能量概念進(jìn)階框架

3 總結(jié)

結(jié)合單元設(shè)計(jì)開(kāi)展教學(xué)工作能夠促進(jìn)從整體的角度對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行組織，進(jìn)而從更加上位的角度對(duì)學(xué)生物理觀念的形成進(jìn)行整體規(guī)劃。本文先是從大概念和科學(xué)概念理解發(fā)展層級(jí)的角度出發(fā)建構(gòu)教材能量概念進(jìn)階框架，再利用所得框架對(duì)教材進(jìn)行橫向及縱向分析。只有高屋建瓴地進(jìn)行整體規(guī)劃，才能實(shí)現(xiàn)從“教教材”向“用教材”的轉(zhuǎn)變。