物理核心素養(yǎng)下的“機械能守恒定律”教學(xué)

陳信余

摘 要：物理核心素養(yǎng)一詞概括了物理學(xué)科的教育價值，并將其作為教育目標(biāo)來引領(lǐng)課程、教材和教學(xué)的改革方向.機械能守恒定律的教學(xué)適合物理核心素養(yǎng)的要求.機械能守恒定律的教學(xué)不適合采用陳述性和程序性知識的表達方式來處理，而適合通過“同化”與“順應(yīng)”來處理.機械能守恒定律的教學(xué)價值：尋找轉(zhuǎn)化規(guī)律，建立守恒觀念，學(xué)習(xí)并掌握物理學(xué)研究問題的一般思路——從簡單到復(fù)雜，從特殊到一般.

關(guān)鍵詞：物理核心素養(yǎng)；機械能守恒；同化；順應(yīng)

一、機械能守恒定律的教學(xué)適合物理核心素養(yǎng)的要求

物理核心素養(yǎng)，是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個人終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力；是學(xué)生通過物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)；是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分.物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個方面的要素構(gòu)成.這四個方面是相互聯(lián)系、共同發(fā)展的.物理觀念的形成過程是學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)思維和科學(xué)探究的過程，同時伴隨著科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任的發(fā)展過程和對科學(xué)本質(zhì)的認識不斷深化的過程.基礎(chǔ)教育階段的物理課程用物理核心素養(yǎng)一詞集中概括了物理學(xué)科的教育價值，并將其作為教育目標(biāo)來引領(lǐng)課程、教材和教學(xué)的改革方向.

機械能守恒定律是力學(xué)中一條重要的定律，是更普遍的能量守恒定律的一種特殊情況.但由于機械能守恒定律的條件（系統(tǒng)內(nèi)只有重力和彈力做功）苛刻，所以機械能精確守恒的情況比較少見.另外，由于容易混淆重力勢能與重力做功，在應(yīng)用機械能守恒定律解題時，往往會使用動能定理來代替，動能定理的使用范圍要比機械能守恒定律寬泛得多.從解題的角度來看，機械能守恒定律在物理學(xué)中沒有什么優(yōu)勢，為什么物理教材上和教學(xué)中還要用大量的篇幅來討論這個問題呢？從初中的定性介紹到高中的定量計算，再到大學(xué)對質(zhì)點組機械能守恒定律的學(xué)習(xí).

這是由于機械能守恒定律的教學(xué)適合物理核心素養(yǎng)的要求，在物理學(xué)中有重要的地位、作用和價值.結(jié)合自由落體運動，通過看得見的變化——高度與速度變化，提出探究問題——高度是否轉(zhuǎn)化成了速度？利用已知知識，尋找轉(zhuǎn)化規(guī)律，得到看不見的守恒量.完成知識構(gòu)建的過程中，形成了能量和守恒的觀念、經(jīng)歷了探究過程、進行了科學(xué)推理、培養(yǎng)了認真負責(zé)的科學(xué)態(tài)度，從而達成了教學(xué)目標(biāo)、發(fā)揮了該教學(xué)內(nèi)容在培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)方面的作用與價值.

那么，如何教學(xué)機械能守恒定律才能突顯其地位，發(fā)揮其作用，實現(xiàn)其價值呢？下面以高中物理課堂教學(xué)為例，在分析與思考現(xiàn)行普遍以知識傳授機械能守恒定律的基礎(chǔ)上，提出要通過“同化”與“順應(yīng)”來實現(xiàn)機械能守恒定律的知識構(gòu)建，達成教學(xué)目標(biāo)、凸顯其在物理學(xué)中的地位和作用，實現(xiàn)其教學(xué)價值和物理核心素養(yǎng)的要求.

二、對以知識傳授機械能守恒定律教學(xué)的分析與思考

（一）現(xiàn)行比較普遍的授課方式

由于對機械能守恒定律在物理學(xué)中地位、價值和作用的理解不同，教學(xué)的方式、方法也就不一樣.表1所示的是現(xiàn)行高中比較普遍的一種教學(xué)方式.

（二）分析與思考

1.情境引入

給出的這個情境與能量的結(jié)合有點牽強，學(xué)生不能就這個情境很好地回答“問題一”.因為能量是看不見的，看到的只是擺球的運動形式、速度和高度在變化.

希望從機械能守恒的角度來回答“問題二”，進而引出機械能定恒定律，并為推導(dǎo)鋪墊.這個過渡很難、也不是必然的.

這個教學(xué)設(shè)計中所提供的情境不能很好地引出機械能守恒定律，只是給學(xué)生在視覺、聽覺的沖擊，在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒和興趣，調(diào)動學(xué)生注意力等方面有一定的價值，對尋找守恒量以及機械能守恒定律的理解沒有什么幫助.學(xué)生不能根據(jù)情境在心理上得到明確的暗示，因為擺球來回擺動、快慢變化、升降交替這些表層現(xiàn)象會左右學(xué)生的思考，這樣教學(xué)不能很好地完成機械能守恒定律的知識構(gòu)建，反之，如果用已經(jīng)構(gòu)建了的機械能守恒定律來解釋該情境中觀察到的現(xiàn)象就順理成章了.

2.理論推導(dǎo)

推導(dǎo)時選擇了豎直下落的物體為研究，學(xué)生無法將該情境與課堂教學(xué)引入的情境結(jié)合起來思考.一個豎直下落，做直線運動；一個來回擺動，做曲線運動.可以看出，這個教學(xué)設(shè)計的引入不能很好地切入主題，引而不入，教學(xué)效果不理想.

另外，在推導(dǎo)時對動能和重力勢能的表達使用了綜合（如Ek、Ep）方式，而不是用具體分式（如[12]mv2、mgh）來表達，這樣處理會在認知上增加學(xué)生的困難.

3.歸納總結(jié)和應(yīng)用舉例

歸納總結(jié)這個教學(xué)環(huán)節(jié)采用了陳述性知識的表述方法來處理，即關(guān)于事物及其關(guān)系的知識，或者說是關(guān)于“是什么”的知識，包括對事實、規(guī)則和事件等信息的表達[1]190.也即：只有重力做功的情形下，動能與重力勢能可以轉(zhuǎn)化，但總量保持不變.

應(yīng)用舉例這個教學(xué)環(huán)節(jié)采用了程序性知識的表述方式來處理，即是關(guān)于完成某項任務(wù)的行為或操作步驟的知識，或者說是關(guān)于“如何做”的知識.它包括一切為了進行信息轉(zhuǎn)換活動而采取的具體操作程序[1]190.也即：首先，判斷是否只有重力做功；其次，選定零勢能面，明確始末狀態(tài)并確定對應(yīng)的機械能；最后，利用機械能守恒定律列式求解.

由分析可知，以上的教學(xué)設(shè)計不能很好地讓學(xué)生經(jīng)歷機械能守恒定律的知識構(gòu)建、形成能和守恒的物理觀念，而僅僅當(dāng)作現(xiàn)成知識進行傳授，所以學(xué)生認識不到該定律在物理學(xué)中的地位、作用和價值，僅從解題方面這個角度，覺得它在物理學(xué)中沒有什么優(yōu)勢.

三、通過“同化”與“順應(yīng)”來完成機械能守恒定律知識的構(gòu)建

“同化”與“順應(yīng)”是學(xué)生參與和經(jīng)歷知識構(gòu)建的兩個重要過程.皮亞杰（J.Piaget）認為學(xué)生是在與周圍環(huán)境相互作用的過程中，逐步建構(gòu)起關(guān)于外部世界的知識，從而使自身認知結(jié)構(gòu)得到發(fā)展.學(xué)生與環(huán)境的相互作用涉及兩個基本過程：“同化”與“順應(yīng)”[2].

“同化”是指把外部環(huán)境中的有關(guān)信息吸收進來并結(jié)合到學(xué)生已有的認知結(jié)構(gòu)中，即個體把外界刺激所提供的信息整合到自己原有認知結(jié)構(gòu)內(nèi)的過程，就像消化系統(tǒng)吸收營養(yǎng)一樣.

“順應(yīng)”是指外部環(huán)境發(fā)生變化，而原有認知結(jié)構(gòu)無法同化新環(huán)境提供的信息時所引起的學(xué)生認知結(jié)構(gòu)發(fā)生重組與改造的過程，即個體的認知結(jié)構(gòu)因外部刺激的影響而發(fā)生改變的過程.

機械能守恒守律的教學(xué)適合通過“同化”與“順應(yīng)”來構(gòu)建.物體僅在重力作用下的運動、動能和動能定理、重力和重力做功以及重力勢能，這些內(nèi)容和知識都是學(xué)生已學(xué)過的，屬于學(xué)生的原有知識，學(xué)生容易“同化”而完成知識構(gòu)建；而速度與高度之間的變化是否涉及能量的轉(zhuǎn)化？以怎樣的形式進行轉(zhuǎn)化？按照怎樣的規(guī)律轉(zhuǎn)化？機械能是否守恒？這些內(nèi)容和知識不能與學(xué)生的原有知識直接發(fā)生作用，要通過“順應(yīng)”來完成構(gòu)建.

通過“同化”與“順應(yīng)”完成機械能守恒定律的構(gòu)建如表2.

（1）情境引入環(huán)節(jié)，創(chuàng)設(shè)了一個比較簡單的情境，目的在于利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)并提出問題.科學(xué)探究源于問題，而問題在很大程度上源于對身邊事物的觀察與思考.觀察是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要途徑，觀察是取得原始材料、擴大研究領(lǐng)域、構(gòu)建科學(xué)假說、形成科學(xué)理論的基本方法.簡單的情境利于學(xué)生觀察與思考并得到心理暗示.

（2）現(xiàn)象可以被學(xué)生觀察到，但問題提出需要老師的幫助.提出問題在思維層次上高于觀察現(xiàn)象.由于學(xué)生有了高低、快慢的概念，直接將觀察到的現(xiàn)象與原有知識發(fā)生作用進行“同化”.而提出問題則是對未知的一種假設(shè)和猜想，減小的高度是否轉(zhuǎn)化成了速度？這是學(xué)生認知領(lǐng)域的一個新問題，學(xué)生“同化”不了這個新問題，必須用“順應(yīng)”來處理.這個為下一環(huán)節(jié)的推導(dǎo)做好了鋪墊.

（3）推導(dǎo)環(huán)節(jié)中，動能定理和重力做功與重力勢能變化關(guān)系、數(shù)學(xué)中的移項和恒等式變換是學(xué)生熟知的知識.利用學(xué)生熟知的知識，一方面為學(xué)生認知搭建臺階，另一方面利于學(xué)生“同化”. 學(xué)生對變形得到的公式[12]mv12+mgh1=[12]mv22+mgh2以及該公式的使用條件是陌生的，不能與學(xué)生的原有知識發(fā)生作用，“同化”不了，此時給出機械能的定義就是“順應(yīng)”，即要用新的知識來處理問題.為了提出機械能守恒定律，以下兩個環(huán)節(jié)也是非常必要的，一是分析與觀察整個推導(dǎo)過程，是在不計阻力前提下推出來的，從而確定這種形式的條件.二是強調(diào)推導(dǎo)過程的狀態(tài)選取具有任意性，即說明整個過程都是滿足的.這種認證與說明的方法，也是學(xué)生沒有接觸過的.通過這個環(huán)節(jié)的“順應(yīng)”，學(xué)生不僅增長了知識，還掌握了一種新的處理運動學(xué)問題的方法——守恒的方法，同時還學(xué)會了邏輯推理和論證說明的基本思路.

（4）由于經(jīng)歷以上知識的構(gòu)建，應(yīng)用舉例環(huán)節(jié)就是讓學(xué)生嘗試“同化”，定性或定量應(yīng)用機械能守恒定律.這個環(huán)節(jié)可采用程序性知識的表述方法來處理，即：選定研究過程、判斷是否滿足條件、選定零勢能面并確定始末狀態(tài)的機械能、利用機械能守恒定律列式求解.

由上分析可知，在這個教學(xué)設(shè)計中，“同化”之中穿插“順應(yīng)”，在“順應(yīng)”之中也涉及“同化”，在“同化”與“順應(yīng)”的交替之中完成了機械能守恒定律的知識構(gòu)建.在知識構(gòu)建過程中明白了學(xué)習(xí)機械能守恒定律的意義和價值以及它在物理學(xué)中的地位.

四、機械能守恒定律的教學(xué)價值

如前所述，用機械能守恒定律解題，應(yīng)該不是教學(xué)該內(nèi)容的主要目的.學(xué)習(xí)機械能守恒定律，就是要學(xué)習(xí)并掌握物理學(xué)研究問題的一般思路——從簡單到復(fù)雜，從特殊到一般.尋求守恒量是物理學(xué)研究的一個方向，正如德國著名物理學(xué)家勞厄所說：“物理學(xué)的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)普遍的自然規(guī)律.該規(guī)律最簡單的形式之一表現(xiàn)為某種物理量的不變性，所以對于守恒量的尋求不僅是合理的，而且也是極為重要的研究方向.”

通過“同化”與“順應(yīng)”來完成機械能守恒定律知識的構(gòu)建，就是希望通過看得見的變化——高度與速度變化，提出探究問題——高度是否轉(zhuǎn)化成了速度？利用已知知識（“同化”過程），尋找轉(zhuǎn)化規(guī)律，得到看不見的守恒量（“順應(yīng)”過程）.在“同化”與“順應(yīng)”的交替過程中，完成了知識構(gòu)建，形成了機械能守恒的物理觀念，經(jīng)歷了科學(xué)探究過程，進行了科學(xué)思維與推理，培養(yǎng)了認真負責(zé)的科學(xué)態(tài)度，從而達成了教學(xué)目標(biāo)，發(fā)揮了該教學(xué)內(nèi)容在培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)方面的作用與價值.

參考文獻：

[1]皮連生.學(xué)與教的心理學(xué)[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2009.

[2]施良方.學(xué)習(xí)論[M].北京：人民教育出版社，2001：172.