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

譚慶仁

(江蘇省鎮(zhèn)江市教育科學(xué)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212008)

2017版高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)中首次提出了物理學(xué)科核心素養(yǎng),它包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任．對(duì)于上述4大核心素養(yǎng)之間的關(guān)系有著多種理解,其中存在著這樣一種理解:科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任必須服務(wù)于物理觀念的正確構(gòu)建,也就是要充分借助于他們來(lái)幫助學(xué)生構(gòu)建正確的物理觀念．因此物理觀念的構(gòu)建是我們進(jìn)行課堂教學(xué)的核心任務(wù)．

1 問(wèn)題的提出

物理學(xué)源自生活,同時(shí)又服務(wù)于生活,它與生活是緊密相連的．學(xué)生在生活中與物理學(xué)發(fā)生著許多聯(lián)系，因此長(zhǎng)時(shí)間的“生活經(jīng)驗(yàn)”在學(xué)生頭腦中逐步生成為經(jīng)驗(yàn)性的認(rèn)知.這些認(rèn)知顯然不是物理觀念．當(dāng)他們?cè)谶M(jìn)行物理學(xué)習(xí)時(shí),憑借著經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知總會(huì)產(chǎn)生 一些“應(yīng)該是這樣的”、“怎么會(huì)是那樣的呢”等個(gè)人主觀感情色彩的疑問(wèn)．如果學(xué)生帶著這些認(rèn)知走進(jìn)物理課堂,這無(wú)疑對(duì)建立正確的物理觀念是一個(gè)很大的挑戰(zhàn).如果不能很好的予以解決,對(duì)構(gòu)建正確的物理觀念是非常不利的．因此,教師就應(yīng)充當(dāng) “撥亂反正”的角色,科學(xué)應(yīng)對(duì)學(xué)生的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知,幫助學(xué)生構(gòu)建正確的物理觀念．本文將就這一問(wèn)題展開分析與讀者共享．

2 以正確構(gòu)建能量觀念為例

下面,筆者就以“機(jī)械能守恒定律”這章內(nèi)容為例,就如何利用學(xué)生經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知來(lái)幫助學(xué)生構(gòu)建正確的能量觀念,來(lái)和各位讀者交流個(gè)人的一些想法．

2.1 對(duì)學(xué)生正確構(gòu)建能量觀念的制約性因素分析.

按照2017版高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn),“機(jī)械能守恒定律”這一章放在了“曲線運(yùn)動(dòng)”這一章的前面,而運(yùn)動(dòng)學(xué)、牛頓運(yùn)動(dòng)定律和能量這3大塊主要是基于直線運(yùn)動(dòng)來(lái)研究的,至此,學(xué)生初步形成了牛頓運(yùn)動(dòng)定律和能量這兩大解決物理問(wèn)題的觀念．之后再利用前面所學(xué)習(xí)的內(nèi)容來(lái)研究復(fù)雜的曲線運(yùn)動(dòng),這樣的安排更合乎認(rèn)知邏輯．因此,能量觀念作為解決物理問(wèn)題的一條重要路徑,它的正確構(gòu)建對(duì)于物理學(xué)習(xí)至關(guān)重要．

初中時(shí),學(xué)生已經(jīng)對(duì)功和能的概念及它們之間的關(guān)系有了一定的初步了解．可現(xiàn)實(shí)是學(xué)生對(duì)于這一塊內(nèi)容可謂是記憶性了解,并未真正的理解和掌握,更談不上建立能量觀念,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面.

(1) 對(duì)為何引入“功”的物理價(jià)值認(rèn)識(shí)不到位,“功”和“工”混淆.

(2) 由于功和能的單位相同,對(duì)具體問(wèn)題中“是功還是能”辨識(shí)不清.

(3) 對(duì)功和能之間的物理關(guān)系認(rèn)識(shí)不清,只會(huì)簡(jiǎn)單套用數(shù)學(xué)相等關(guān)系.

以上3個(gè)方面嚴(yán)重制約了學(xué)生對(duì)本章內(nèi)容的理解和把握.這就是學(xué)生在新課學(xué)習(xí)之前所產(chǎn)生的經(jīng)驗(yàn)性認(rèn)知．如果在教學(xué)過(guò)程中未針對(duì)上述方面采取必要的教學(xué)策略,也將很難在學(xué)生腦海中構(gòu)建起正確的能量觀．

2.2 正確構(gòu)建能量觀念的教學(xué)策略分析.

在“機(jī)械能守恒”這一章中,教材對(duì)能量觀念的建立過(guò)程是精于鋪墊的,從功能關(guān)系到動(dòng)能定理,再到機(jī)械能守恒,最后到能量的轉(zhuǎn)化和守恒,教材對(duì)能量觀念的構(gòu)建是漸進(jìn)的.我們?cè)诮虒W(xué)中要充分理解和把握好這種鋪墊,把握好教學(xué)的難度和策略．

鑒于上述3個(gè)方面制約性因素,在教學(xué)中應(yīng)從以下3個(gè)方面采取針對(duì)性的教學(xué)策略．

(1) 明晰功能關(guān)系中的“功”和“能”,從而助力理解“為何引入功的概念”.

我們都知道功能關(guān)系的定性表述是:做功過(guò)程伴總隨著能量的轉(zhuǎn)化,力做了多少功,就有多少能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式的能量,如圖1所示．其內(nèi)含是:某個(gè)力做功時(shí),一定存在著某種對(duì)應(yīng)能量的變化．比如,人力做功時(shí),對(duì)應(yīng)著人體的化學(xué)能一定是變化的,但是至于向何種能量轉(zhuǎn)化要看具體的做功場(chǎng)景.若人提著重物勻速上升,則化學(xué)能向重物的機(jī)械能轉(zhuǎn)化；若人手搖發(fā)電機(jī),則化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能.這樣的事例還有很多．由此可知,我們需要幫助學(xué)生構(gòu)建的觀念是:功能關(guān)系闡述的是力做功和與之對(duì)應(yīng)確定的能量變化之間的關(guān)系,但是不能表征出這種能量是在與哪種能量之間在發(fā)生著轉(zhuǎn)化．通過(guò)上述的教學(xué)演繹,不僅使學(xué)生理解了功和能的關(guān)系,而且也理解了功在能量轉(zhuǎn)化中所起的橋梁和量度作用,更有助于后續(xù)對(duì)動(dòng)能定理的理解．

圖1 功能關(guān)系

(2) 明晰從力與運(yùn)動(dòng)的關(guān)系角度來(lái)理解動(dòng)能定理的本質(zhì).

力是改變物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因,而運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變就是速度的改變,因此,我們可以換個(gè)角度來(lái)理解動(dòng)能定理,也就是某力在做功時(shí),均發(fā)生著與此力做功所對(duì)應(yīng)的能量在與動(dòng)能之間發(fā)生著轉(zhuǎn)化.我們將動(dòng)能視作與其他能量發(fā)生轉(zhuǎn)化的一種中介．如圖2所示,當(dāng)有多個(gè)力對(duì)物體做功時(shí),就對(duì)應(yīng)著有多種能量(每種力做功均對(duì)應(yīng)著一種能量)在與物體的動(dòng)能之間在發(fā)生著相互轉(zhuǎn)化.這種相互轉(zhuǎn)化的最終結(jié)果就是動(dòng)能定理所描述的．物體動(dòng)能最終是增加還是減少取決于向動(dòng)能轉(zhuǎn)化能量值和動(dòng)能向其他能量轉(zhuǎn)化的能量值之間的大小關(guān)系．動(dòng)能定理本質(zhì)上也是一種功能關(guān)系,那就是合力做功與動(dòng)能變化之間的關(guān)系．至此,對(duì)功能關(guān)系的理解實(shí)現(xiàn)了從單力做功向多力做功的轉(zhuǎn)變．

如果我們?cè)诮虒W(xué)中滲透這樣教學(xué),相信學(xué)生對(duì)功能關(guān)系和動(dòng)能定理的理解定會(huì)有更深的理解和體會(huì),對(duì)于物理觀念的構(gòu)建是非常有幫助作用的．

圖2 動(dòng)能定理

(3) 明晰從功能關(guān)系的角度來(lái)理解機(jī)械能守恒和能量轉(zhuǎn)化和守恒定律.

通過(guò)上述對(duì)動(dòng)能定理深入理解,對(duì)某個(gè)有多力對(duì)其做功的物體而言,就存在著多少個(gè)對(duì)應(yīng)的能量與動(dòng)能之間發(fā)生著相互轉(zhuǎn)化,如果撇開功不說(shuō)討論能量,那么注定能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中是守恒的,是無(wú)條件的守恒;而機(jī)械能守恒是能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中僅有動(dòng)能、重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能之間相互轉(zhuǎn)化時(shí)所遵循的規(guī)律,但仍然是在能量轉(zhuǎn)化和守恒定律的這一大框架之中．

圖3就很好地說(shuō)明和反映了能量轉(zhuǎn)化和守恒及所對(duì)應(yīng)的功能關(guān)系．可從以下幾個(gè)角度來(lái)加以理解.

圖3 能量轉(zhuǎn)化和守恒

角度1:從外大圈來(lái)看,這反映了其他能量是如何通過(guò)對(duì)應(yīng)的力做功來(lái)實(shí)現(xiàn)和機(jī)械能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化的,不涉及功的話,它表征著其他能量與機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)化,它是守恒的.

角度2:從機(jī)械能所包含的小圈與外界的關(guān)系來(lái)看,反映了除重力和彈簧彈力以外的其他力做功與機(jī)械能變化之間的功能關(guān)系,它是能量轉(zhuǎn)化和守恒的反映.

角度3:從機(jī)械能所包含的小圈來(lái)看,很清晰地反映了在只有重力和彈簧彈力做功的情況下,即除重力勢(shì)能和彈性勢(shì)能之外沒(méi)有其他能量向系統(tǒng)轉(zhuǎn)化時(shí),系統(tǒng)的機(jī)械能是守恒的．這也可以從動(dòng)能定理很清楚地看出:在只有重力和彈簧彈力做功的情況下,只發(fā)生著重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能和動(dòng)能之間發(fā)生著相互轉(zhuǎn)化,即WG+W彈=ΔEk．

2.3 能量觀念的構(gòu)建滲透在整個(gè)高中物理學(xué)習(xí)之中

在本章中,通過(guò)上述策略只是初步構(gòu)建了能量觀念,但是能量觀念的構(gòu)建滲透在整個(gè)高中物理學(xué)習(xí)中,包含在電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)和原子物理學(xué)中.這就需要我們?cè)谄綍r(shí)的教學(xué)中能充分體會(huì)到這一點(diǎn),在各章節(jié)的教學(xué)中做好物理觀念構(gòu)建的鋪墊和布局工作．這樣才能真正幫助學(xué)生構(gòu)建能量觀念．

3 結(jié)束語(yǔ)

2017版高中物理新課程標(biāo)準(zhǔn)將物理觀念列為物理學(xué)科核心素養(yǎng)之首,對(duì)于我們開展物理教學(xué)具有強(qiáng)烈的指導(dǎo)意義,是在三維目標(biāo)基礎(chǔ)之上的巨大進(jìn)步．新課標(biāo)將物理觀念分為物質(zhì)觀、運(yùn)動(dòng)和相互作用觀和能量觀.這就需要我們認(rèn)真去梳理教材、領(lǐng)會(huì)教材和把握教材同,充分尊重學(xué)生的前經(jīng)驗(yàn)認(rèn)知,極力運(yùn)用教學(xué)策略幫助學(xué)生構(gòu)建正確的物理觀念．