初中生物理觀念的培養(yǎng)初探
——以“機(jī)械能”單元教學(xué)為例

閆秋玥

(北京師范大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100052)

王小明

(中國地質(zhì)大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100042)

李金婷

(北京師范大學(xué)附屬中學(xué) 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(biāo)準(zhǔn)》修訂時被提出．物理觀念主要包括物質(zhì)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(chǔ)，又是原來三維課程目標(biāo)中的第一維——知識與技能目標(biāo)的提煉和升華[2]．學(xué)生通過學(xué)習(xí)和實踐可以習(xí)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(shù)會隨著時間的推移被慢慢遺忘．但在學(xué)習(xí)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(rèn)識和理解卻會留在學(xué)生的腦海中，長久地指導(dǎo)他們的學(xué)習(xí)和生活，可見通過教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生物理觀念的重要意義．筆者以初中物理“機(jī)械能”單元教學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)能力要求更高的概念，很多學(xué)者都嘗試對二者進(jìn)行概念上的界定．

文獻(xiàn)[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(zhì)世界的變化規(guī)律過程中所獲得的認(rèn)識和經(jīng)驗的總和，是對物質(zhì)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(xué)家在長期的理論和實驗研究中所獲得的基本認(rèn)識，是在科學(xué)實踐中被證實正確性的認(rèn)識，是公認(rèn)的、正確的對物理世界的根本認(rèn)識．物理觀念通常包括物質(zhì)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(jù)，物理觀念則由觀點所構(gòu)成，觀點的形成源自于對事實的理解與認(rèn)識，則物理觀念的建立是以物理知識為基礎(chǔ)．

根據(jù)2017年修訂的《高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》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(chǔ)上提煉出的觀點，它們共同的目標(biāo)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(xué)生物理觀念的重要意義——學(xué)習(xí)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(xué)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(xué)生通過學(xué)習(xí)可以習(xí)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(rèn)識，因而也就不能運用物理知識和方法解釋現(xiàn)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(xué)中培養(yǎng)學(xué)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(zhuǎn)變思路，通過單元教學(xué)的方式突破培養(yǎng)觀念的局限，現(xiàn)以初中物理“機(jī)械能”單元教學(xué)為例進(jìn)行說明．

2 關(guān)注物理觀念培養(yǎng)的“機(jī)械能”單元教學(xué)實踐

2.1 根據(jù)物理觀念確立“機(jī)械能”單元

2.1.1 單元教學(xué)內(nèi)容的確立與分析

《初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于科學(xué)內(nèi)容制定了3個一級主題，分別為“物質(zhì)”“運動和相互作用”以及“能量”，對應(yīng)著物質(zhì)觀念、運動與相互作用觀念以及能量觀念．本單元的主題“機(jī)械能”是一級主題“能量”之下的二級主題，也是構(gòu)建初中能量觀的重要部分．

機(jī)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(xué)習(xí)重點．從初中物理關(guān)于能量的主要知識結(jié)構(gòu)來看，學(xué)生在初二先學(xué)習(xí)關(guān)于功和能的一些基本概念．在學(xué)生了解了功、功率的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)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(chǔ)學(xué)習(xí)機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化．而實際生活中能量的轉(zhuǎn)化不僅局限于機(jī)械能內(nèi)部，各種形式的能量之間都會發(fā)生轉(zhuǎn)化，進(jìn)而限定研究范圍，得出在特殊情況下機(jī)械能是守恒的．而到了初三，學(xué)生會繼續(xù)學(xué)習(xí)關(guān)于內(nèi)能和其他形式能量的知識，在此過程中慢慢理解能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律是自然界中基本、普遍的規(guī)律，從而逐步構(gòu)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(jī)械能及其轉(zhuǎn)化”1課時以及科學(xué)實踐活動“一飛沖天的吸管火箭”1課時整合到一起，形成“機(jī)械能”單元，作為初二階段的能量單元進(jìn)行教學(xué)．盡管本單元主題僅為諸多能量形式中的一種，但在學(xué)習(xí)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(zhuǎn)化”“內(nèi)能”“能量守恒”以及“能源與可持續(xù)發(fā)展”，這樣有助于學(xué)生快速建立起全面的能量觀念．

2.1.2 學(xué)情分析

初二學(xué)生經(jīng)歷了兩學(xué)期的物理學(xué)習(xí)過程，能夠通過觀察生活實際情境或?qū)嶒灛F(xiàn)象進(jìn)行思考并提出猜想，能在教師的引導(dǎo)下借助所學(xué)的物理知識展開分析．有一定的生活經(jīng)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(xué)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(xiàn)象，找到物理規(guī)律．

2.1.3 單元教學(xué)思路

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

圖1 單元教學(xué)流程圖

2.2 在目標(biāo)中突出物理觀念

在以節(jié)為單位的常規(guī)教學(xué)中，教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定依賴于課標(biāo)的要求與本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，所制定的教學(xué)目標(biāo)往往落實到知識與技能，重視學(xué)生對物理概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)，卻將知識之間的聯(lián)系弱化了，不利于物理觀念的養(yǎng)成．而單元教學(xué)的目標(biāo)設(shè)定則以課標(biāo)和單元內(nèi)容為核心，不僅能完成教學(xué)內(nèi)容，還更重視知識網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成，在這一點上，單元教學(xué)在對培養(yǎng)學(xué)生物理觀念上更有優(yōu)勢．

在“機(jī)械能”單元的教學(xué)目標(biāo)中提出：希望學(xué)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(guān)系，知道能量的單位；利用實例或?qū)嶒灣醪秸J(rèn)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(jī)械能；能在新情境中運用機(jī)械能的相關(guān)概念與能量轉(zhuǎn)化與守恒思想解釋現(xiàn)象、解決問題，從而初步建立能量的觀念．

除了掌握相關(guān)知識，在本單元的教學(xué)目標(biāo)中強(qiáng)調(diào)了知識網(wǎng)絡(luò)的組建、形成用能量轉(zhuǎn)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(xiàn)象、解決問題為最后的評價手段，實現(xiàn)物理觀念的培養(yǎng)與應(yīng)用．關(guān)注物理觀念培養(yǎng)的單元教學(xué)目標(biāo)的制定，可以站位更高，對單元的教學(xué)有更準(zhǔn)確的定位，對教學(xué)內(nèi)容和活動設(shè)計實現(xiàn)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(xué)習(xí)初中物理之前，學(xué)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(rèn)識，即“前概念”．隨著不斷的學(xué)習(xí)，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(xué)生的初始觀念，可以稱為“前觀念”．

比如日常生活中，學(xué)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(zhǔn)確地進(jìn)行描述．因此，在能量概念建立時，教師鼓勵學(xué)生去列舉生活實例，引導(dǎo)學(xué)生感受具有能量的物體的共性，并用語言進(jìn)行描述．這就是在學(xué)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(zhuǎn)化，在學(xué)習(xí)能量的轉(zhuǎn)化與守恒前，學(xué)生沒有機(jī)械能的概念，也說不出能量轉(zhuǎn)化的規(guī)律，但根據(jù)觀察可以發(fā)現(xiàn)物體運動快慢、所處高度如何變化．通過學(xué)習(xí)活動，學(xué)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(zhǔn)確的物理概念．而關(guān)于機(jī)械能的轉(zhuǎn)化規(guī)律，學(xué)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(zhuǎn)化，這與日常經(jīng)驗相符，但認(rèn)為機(jī)械能不會減少的學(xué)生占全班總?cè)藬?shù)的60%以上，他們甚至可以舉出生活中的實例進(jìn)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(jìn)行更細(xì)致的觀察和實驗，學(xué)生才能發(fā)現(xiàn)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(rèn)識到機(jī)械能在轉(zhuǎn)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(rèn)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(xué)生在積極主動的研究活動中深刻理解和掌握有關(guān)的物理知識，并且在對知識的理解、應(yīng)用中不斷概括、提煉而形成[6]．所以在教學(xué)中，要尤其重視探究活動的設(shè)計與實施．考慮到單元教學(xué)的綜合性，其中的探究活動應(yīng)符合學(xué)生的思維邏輯，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和學(xué)情進(jìn)行精心設(shè)計，以主題統(tǒng)領(lǐng)，以任務(wù)呈現(xiàn)[7]．

“機(jī)械能”單元教學(xué)以機(jī)械能為主題統(tǒng)領(lǐng)所有活動，按照課時分配和知識間的邏輯關(guān)系呈現(xiàn)出4個活動，活動設(shè)計意圖如圖2所示.

圖2 活動設(shè)計意圖

活動1：列舉生活實例，認(rèn)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(xué)生從生活實際歸納認(rèn)識能量，根據(jù)現(xiàn)有器材設(shè)計實驗，探究動能和勢能的影響因素，并對實驗結(jié)果進(jìn)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(jī)械能轉(zhuǎn)化的規(guī)律．活動中，學(xué)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(fù)雜運動，逐步探究機(jī)械能轉(zhuǎn)化的規(guī)律．

活動3：分析討論天問一號從發(fā)射到進(jìn)入火星軌道的能量轉(zhuǎn)化．此活動中，學(xué)生依據(jù)所學(xué)的機(jī)械能及其轉(zhuǎn)化的相關(guān)知識，結(jié)合具體航天情境，分小組討論、分析天問一號從發(fā)射到進(jìn)入火星軌道不同階段的能量轉(zhuǎn)化．

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

習(xí)得物理知識易，形成物理觀念難，因為觀念的形成或轉(zhuǎn)變絕不僅僅是通過記憶或做題能夠?qū)崿F(xiàn)的，只有將知識真正內(nèi)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(yīng)用體現(xiàn)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(jìn)行分析，仍有部分學(xué)生會不自覺地先分析受力．再如學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒后為了加深學(xué)生的理解，教師邀請學(xué)生上前體驗教材上的“勇敢者游戲”，照理說學(xué)生已經(jīng)有了機(jī)械能守恒的知識，就應(yīng)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(xué)習(xí)能量之前一貫的分析方法，在學(xué)生沒有能量觀的時候，解決物理力學(xué)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(xué)生沒有認(rèn)真學(xué)習(xí)物理知識，僅僅因為學(xué)生尚未形成毫不動搖的能量觀念．所以為了幫助學(xué)生盡快建立能量觀，不僅要在探究活動中進(jìn)行概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)以加強(qiáng)體驗，更要通過各種體驗與應(yīng)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(zhuǎn)化的思路以及用能量的轉(zhuǎn)化和守恒解決問題的意識和態(tài)度．

(1)創(chuàng)設(shè)問題情境階段.首先由教師設(shè)計探索的主題，提出問題，并且提供一些導(dǎo)語和適當(dāng)?shù)奶崾綶5]；由學(xué)生切實體驗問題情境，初步確定該做什么，怎么做；網(wǎng)絡(luò)主要提供一個資源庫，方便教師展示和學(xué)生搜尋相關(guān)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(jié)促進(jìn)觀念建構(gòu)

構(gòu)建物理觀念就好像建設(shè)高樓大廈，知識是基礎(chǔ)，是搭建大廈的一磚一瓦．學(xué)習(xí)到了知識，學(xué)生僅僅有了構(gòu)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(xué)生在探究活動中學(xué)習(xí)并加深了對概念規(guī)律的理解后，在他們的腦海中應(yīng)有了模糊的感覺，明白這些概念、規(guī)律之間存在著某種聯(lián)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(lián)系，用一磚一瓦構(gòu)建起物理觀念的大廈，就要勤歸納、善總結(jié)．

在日常的教學(xué)中，我們在每一節(jié)課后都會進(jìn)行課堂小結(jié)，其目的就是幫助學(xué)生快速進(jìn)行知識上的梳理．但往往由于時間有限，課堂小結(jié)多數(shù)流于形式，無非是教師把板書上的知識點念一遍，達(dá)不到讓學(xué)生梳理知識的效果．在“機(jī)械能”單元教學(xué)時，筆者嘗試留足時間，請學(xué)生進(jìn)行課堂小結(jié)，學(xué)生的總結(jié)或許不全面，又或許邏輯不是很清楚，但只要表達(dá)出來了就說明學(xué)生思考了，之后可以再請其他學(xué)生進(jìn)行補(bǔ)充．這種學(xué)生自主小結(jié)的形式，使得學(xué)生不得不快速回顧本節(jié)課的收獲，對知識和方法進(jìn)行歸納，還要能用簡練的語言進(jìn)行表達(dá)，不僅鍛煉學(xué)生的思維能力、語言表達(dá)能力，更鼓勵學(xué)生跳出知識本身站在更高的角度看待知識間的聯(lián)系，從而構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)，總結(jié)分析方法．將碎片的知識變?yōu)橛袡C(jī)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(xué)生的學(xué)習(xí)效果，促進(jìn)核心素養(yǎng)發(fā)展，教學(xué)評價是單元教學(xué)中的重要一環(huán)．為落實物理觀念，單元評價應(yīng)方式多樣，且注重對核心知識的應(yīng)用與遷移，從而評估學(xué)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(jī)械能”單元的評價方式有很多，針對學(xué)生的課堂表現(xiàn)可以進(jìn)行參與度的評價，以及對問題的分析、實驗方案的設(shè)計與實施、實驗后的分析與評估等，這些都體現(xiàn)了學(xué)生在課堂上對所學(xué)知識的理解程度和自主加工水平．而課后的作業(yè)任務(wù)是對學(xué)生課堂所學(xué)知識掌握程度的評估，并通過基礎(chǔ)性作業(yè)和拓展性作業(yè)來進(jìn)行能力分層．其中，知識網(wǎng)絡(luò)的組織則從知識間的聯(lián)系出發(fā)培養(yǎng)學(xué)生物理觀念，如圖3所示．

圖3 組織知識網(wǎng)絡(luò)促進(jìn)物理觀念形成

另外，教師設(shè)計從實際生活出發(fā)，讓學(xué)生運用所學(xué)知識進(jìn)行現(xiàn)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(xué)生可以從任何角度進(jìn)行作答．通過這一單元的學(xué)習(xí)，能夠逐步構(gòu)建起能量觀念的學(xué)生很快就能找準(zhǔn)問題的關(guān)鍵，對車輛在避險車道行駛過程中進(jìn)行能量轉(zhuǎn)化的分析，如圖4(a)所示．也有少部分學(xué)生同時從多角度對該情境進(jìn)行分析，分析的思維流程圖也正體現(xiàn)了學(xué)生在腦中構(gòu)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(jié)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(lián)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(xué)生快速全面地建立物理觀念而將知識一股腦地都教給學(xué)生，導(dǎo)致超出學(xué)生的認(rèn)知水平．因而在初中物理教學(xué)中，單元教學(xué)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(xué)習(xí)階段的小單元．這樣既便于實施，也加強(qiáng)了物理知識之間的聯(lián)系，能夠有效地促進(jìn)學(xué)生物理觀念的初步培養(yǎng)，為日后高中更深入地學(xué)習(xí)做好鋪墊．