以能量觀念為引領(lǐng)性學(xué)習(xí)主題的高中物理“電能 能量守恒定律”單元教學(xué)設(shè)計

孫 越 付鸝娟 相新蕾

（北京市第一零一中學(xué)，北京 100090）

1 以大觀念為引領(lǐng)性學(xué)習(xí)主題的單元教學(xué)設(shè)計

1.1 基于深度學(xué)習(xí)的單元教學(xué)

深度學(xué)習(xí)是一種基于理解的學(xué)習(xí)，是在教師引領(lǐng)下，學(xué)生圍繞具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)主題，全身心積極參與、體驗成功、獲得發(fā)展的有意義的一種學(xué)習(xí)過程.［1，2］

深度學(xué)習(xí)倡導(dǎo)單元教學(xué).通過將單元教學(xué)內(nèi)容和素材按照一定的邏輯整合、重構(gòu)，通過確定引領(lǐng)性的學(xué)習(xí)主題，編制素養(yǎng)導(dǎo)向的學(xué)習(xí)目標，設(shè)計挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)和持續(xù)性的學(xué)習(xí)評價等環(huán)節(jié)，來幫助學(xué)生構(gòu)建起系統(tǒng)化的知識體系，促進學(xué)生高階思維能力的發(fā)展，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，強化對單元核心知識的深層理解.［3，4］

1.2 大觀念引領(lǐng)的物理教學(xué)

高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)包括物理觀念、科學(xué)思維、實驗探究和科學(xué)態(tài)度與責(zé)任4部分，其中物理觀念是物理核心素養(yǎng)的一個重要方面.大觀念是科學(xué)教育中提出的一個名詞，在一系列學(xué)科觀念群中起核心引領(lǐng)作用，是更加上位的物理觀念.［5］

物理教育并不是讓學(xué)生記住公式、定理、定律等結(jié)論，真正的理解永遠不能通過“灌輸”來實現(xiàn).大觀念是整合概念知識、解決實際問題、形成核心素養(yǎng)中不可或缺的高階思維.以大觀念引領(lǐng)教學(xué)的價值，是使學(xué)生在頭腦中建立起學(xué)科大觀念，豐富和完善學(xué)科中的大概念，幫助學(xué)生從物理學(xué)科的視角解釋自然現(xiàn)象和解決實際問題，有利于將所學(xué)內(nèi)容遷移應(yīng)用到新的試題情境或現(xiàn)實生活中.

讓學(xué)生建立和形成物理學(xué)科大觀念，僅通過一節(jié)課的教學(xué)是很難達成的，而單元教學(xué)為落實基于大觀念的教學(xué)提供了有力保障.單元教學(xué)設(shè)計更注重單元內(nèi)容的整體性和連貫性，從知識生成邏輯入手，強化概念與規(guī)律間的聯(lián)系，有利于學(xué)生形成物理學(xué)科大觀念.不僅如此，以大觀念引領(lǐng)物理教學(xué)，還有利于讓教師們從更高的視野與角度去認識教學(xué)內(nèi)容，依托課程標準，結(jié)合學(xué)科教材，構(gòu)建觀念體系，在一般教學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)上強化大觀念的引領(lǐng)作用，使概念與知識的建立更具有系統(tǒng)性與條理性，進一步發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng).

2 電路中能量觀念為引領(lǐng)的單元教學(xué)

2.1 單元整體教學(xué)思路

宇宙中一切形式的能量的總和都是守恒的.能量是守恒量，其轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化過程不會創(chuàng)造或銷毀能量.能量觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)中重要的物理觀念，電能是能量觀念的重要組成部分.基于電路中的能量觀念形成和發(fā)展的學(xué)習(xí)單元設(shè)計是核心素養(yǎng)落地生根的有效途徑.

人教版新教材《物理》第12章“電能 能量守恒定律”既是前一單元“電路及其應(yīng)用”知識的拓展，又是能量轉(zhuǎn)化與守恒定律的具體案例.很適合在能量觀念的引領(lǐng)下，重組單元教學(xué)內(nèi)容，開展單元教學(xué)設(shè)計，促進學(xué)生能量觀念的形成.

本文根據(jù)課程標準，結(jié)合學(xué)科教材，以“能量觀念”作為單元學(xué)習(xí)主題，統(tǒng)領(lǐng)本單元的教學(xué)，是打通知識到素養(yǎng)的通道.能量觀念的組成并不單一，大致包括能量本質(zhì)、能量形式、能量轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化、能量守恒、能量耗散等維度，且各維度之間相互關(guān)聯(lián).［6］本單元從電路中電能的本質(zhì)、電能的轉(zhuǎn)化與守恒、電路中能量意識與實踐3個維度設(shè)計單元教學(xué)內(nèi)容（如圖1）.將上位的觀念統(tǒng)領(lǐng)整個單元，將下位的概念和知識點組成單元教學(xué)的具體內(nèi)容，形成一個一個自上而下又自下而上的觀念體系，促進知識的整體性和遷移性.

能量包括機械能、內(nèi)能、電能、磁能、核能、化學(xué)能等不同類型能量.在電路這一單元中，以電路中的能量觀念為引領(lǐng)性學(xué)習(xí)主題的單元教學(xué)中，能量本質(zhì)是回答電能是什么以及電能的來源；電能的轉(zhuǎn)化與守恒是本單元的核心內(nèi)容，包括了能量的轉(zhuǎn)化過程往往伴隨著做功實現(xiàn)，功是能量轉(zhuǎn)化的量度，以及能量轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化途徑和過程中的原理和定律；能量守恒定律是最基本、最普遍的自然規(guī)律之一，具體到電路中的能量并不是取之不盡用之不竭的，有一些能量的轉(zhuǎn)化具有方向性，很難再次利用.能量意識與實踐是讓學(xué)生認識到能量可持續(xù)發(fā)展的意義，具有節(jié)能意識，并能夠利用相關(guān)知識指導(dǎo)實踐.

2.2 單元教學(xué)課時實施框架

本單元從電路中電能的本質(zhì)、電能的轉(zhuǎn)化與守恒、電路中能量意識與實踐3個維度設(shè)計單元教學(xué)內(nèi)容，課時安排按照如圖2所示內(nèi)容開展.其中第1節(jié)課將教材中“電路中的能量轉(zhuǎn)化”將教材中相關(guān)內(nèi)容進行了整合與關(guān)聯(lián)，是本章的重中之重，著重體現(xiàn)了以能量觀念為引領(lǐng)的學(xué)習(xí)主題設(shè)計，是整個單元進行其他內(nèi)容和知識教學(xué)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ).在第1課時，將電路中能量的轉(zhuǎn)化直指與之相對應(yīng)的功能關(guān)系，并借助微觀模型構(gòu)建的科學(xué)方法，不僅將電功、電熱等概念有機地結(jié)合起來，并且從微觀的角度將能量守恒的本質(zhì)推導(dǎo)出來，幫助學(xué)生形成能量轉(zhuǎn)化與守恒的物理觀念.單元課時分配與教學(xué)內(nèi)容框架如表1所示.

表1 “電能 能量守恒定律”單元課時分配與教學(xué)內(nèi)容框架

圖2 “電能 能量守恒定律”單元課時及內(nèi)容設(shè)計

2.3 以素養(yǎng)為導(dǎo)向的單元學(xué)習(xí)目標設(shè)計（表2）

表2 “電能 能量守恒定律”單元基于物理學(xué)科核心素養(yǎng)導(dǎo)向的學(xué)習(xí)目標設(shè)計

2.4 教學(xué)活動設(shè)計

以能量觀念為引領(lǐng)的單元學(xué)習(xí)主題設(shè)計，主要體現(xiàn)在本單元的第1 課時“電路中能量的轉(zhuǎn)化與守恒”中，具有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)與活動是通過一系列承載著核心知識的驅(qū)動性任務(wù)完成的.下文主要介紹本單元中第1課時的驅(qū)動性任務(wù)設(shè)計（如圖3）.

圖3 “電能 能量守恒定律”第1課時教學(xué)活動設(shè)計

環(huán)節(jié)1.電路中的能量轉(zhuǎn)化.

驅(qū)動性任務(wù)：如圖4所示，各小組學(xué)生將實驗桌上的電路連接好，使用電器能夠正常工作，分析這些電學(xué)實驗中能量是如何轉(zhuǎn)化的？

圖4 學(xué)生分組電學(xué)實驗

教師提問：以前學(xué)過的重力勢能、動能、電勢能，這些能量的轉(zhuǎn)化是如何實現(xiàn)的？

設(shè)計意圖：通過各種各樣的電學(xué)實驗，激發(fā)學(xué)生的興趣和好奇心，讓學(xué)生體會電能與不同形式能之間是可以相互轉(zhuǎn)化的，并通過復(fù)習(xí)重力勢能、動能、電勢能的轉(zhuǎn)化過程，得出能量的轉(zhuǎn)化是伴隨做功實現(xiàn)的.從而引出本節(jié)課的主題——電路中的能量轉(zhuǎn)化與守恒.

學(xué)生的思維活動由觀察和問題引起，又在不斷復(fù)習(xí)和分析問題中得到發(fā)展，從而逐步培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng).

環(huán)節(jié)2.電路中的能量守恒.

驅(qū)動性任務(wù)：在你們組的電學(xué)實驗中，能量的轉(zhuǎn)化過程遵循什么樣的規(guī)律？請用公式表達出來.

學(xué)生：討論交流，在學(xué)案上寫出本組實驗中能量轉(zhuǎn)化過程的表達式，比如等等.

教師：讓學(xué)生解釋表達式的含義，并進行點評.根據(jù)學(xué)生的書寫內(nèi)容，結(jié)合電路中的能量守恒定律，總結(jié)出每個小實驗中能量轉(zhuǎn)化過程中滿足E電=Q內(nèi)+E其他，即電源產(chǎn)生的電能等于電源內(nèi)阻生熱與電路中的用電器轉(zhuǎn)化為其他形式的能量之和.

設(shè)計意圖：學(xué)生在初中物理中就知道自然界中能量是守恒的，但是根據(jù)電路中的能量守恒關(guān)系寫出表達式還是有一定難度的，尤其是有一些學(xué)生寫出來的不是能量關(guān)系，而是功能關(guān)系.鍛煉學(xué)生嘗試寫出表達式的過程就是加深其對于電路中能量守恒關(guān)系的理解，將實驗現(xiàn)象內(nèi)化為客觀規(guī)律，體會能量守恒定律在電學(xué)中的應(yīng)用.

在這個電路守恒的表達式中，等號左邊對應(yīng)的是電路中其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的部分，等號右邊對應(yīng)的是電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能.下面我們就這兩個方面分開研究.

環(huán)節(jié)3.電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能.

（1）電功概念的建立.

驅(qū)動性任務(wù)：我們都知道能量的轉(zhuǎn)化伴隨著做功，那么用電器工作時電能轉(zhuǎn)化為其他形式能，是什么力做功使電能減少呢？

引導(dǎo)問題串：

①需要建立一個怎樣的模型？

②導(dǎo)體中的自由電荷為什么會定向移動？

③如圖5，假設(shè)電路兩端電壓為U，電路中電流大小為I，電荷帶電量為q，從左向右定向移動經(jīng)過這段電路的時間為t，推導(dǎo)電場力做功的表達式.

圖5

④根據(jù)電場力做功，判斷電荷電勢能的變化，說明電能是如何變化的？

學(xué)生：討論交流，在學(xué)案上根據(jù)引導(dǎo)性問題串寫出推導(dǎo)過程.

教師總結(jié)：如圖5，電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能，是通過電場力對自由電荷做功實現(xiàn)的.即W 電=E其他，電場力做了多少功，就有多少電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能.從而引入物理量：電功W=UIt，描述電能轉(zhuǎn)化為其他形式能的多少.

（2）焦耳定律.

驅(qū)動性任務(wù)：如果電路中所消耗的電能全部轉(zhuǎn)化為導(dǎo)體內(nèi)能，想一想導(dǎo)體產(chǎn)生的熱量是多少呢？

問題引導(dǎo)：

①從能量轉(zhuǎn)化的角度推導(dǎo)焦耳定律.

學(xué)生：在學(xué)案上完成推導(dǎo)過程Q=E電=W電=UIt=I2Rt.

②建立電流的微觀模型，從熱量產(chǎn)生的原因及等效作用推導(dǎo)焦耳定律.

教師借助微觀的物理模型，如圖6，引導(dǎo)學(xué)生理解熱量的來源可以等效為電荷定向移動時克服阻力所做的功，即

圖6

設(shè)計意圖：從“功能關(guān)系”的角度來理解電路中的能量轉(zhuǎn)化過程，讓學(xué)生建立章節(jié)之間的內(nèi)容銜接.通過能量轉(zhuǎn)化與守恒、微觀模型的構(gòu)建兩個角度來推導(dǎo)焦耳定律，加深學(xué)生對于導(dǎo)體生熱的微觀理解，提高學(xué)生運用已有物理知識分析和解決實際問題的能力.

環(huán)節(jié)4.其他形式的能轉(zhuǎn)化為電能.

（1）電源的內(nèi)部結(jié)構(gòu).

驅(qū)動性問題：為什么電源能夠源源不斷地提供電能呢？

教師：引導(dǎo)同學(xué)們建立電源的微觀模型如圖7所示.

圖7 電源內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)

引導(dǎo)性問題串：

①假設(shè)電路中能自由移動的電荷是正電荷，分析電源內(nèi)部正電荷的受力情況？

②電源內(nèi)部的正電荷從電源負極跑到電源正極，需要一個怎樣的力？

③這個力的大小如何？

④通過這個力做功，電荷的電勢能如何變化，電能如何變化？

學(xué)生：討論交流，在學(xué)案上完成解答過程，展示過程并解釋原因.

教師總結(jié)：想讓每一個正電荷從電源負極跑到電源正極，需要引入一個非靜電力（電源內(nèi)部非靜電力是化學(xué)作用力或者其他形式的力.這里的模型只是一種理想模型，認為電荷在電源內(nèi)部移動時非靜電力是恒力）.通過非靜電力做功，使電荷的電勢能增加.所以，電能的產(chǎn)生是通過非靜電力做功實現(xiàn)的，即

而且電源中每個電荷是勻速率運動的，所以每個電荷受力平衡.

設(shè)計意圖：通過驅(qū)動性問題，引發(fā)學(xué)生對于電源提供電能原因的思考，構(gòu)建電源的微觀模型，讓學(xué)生經(jīng)歷非靜電力建立的完整過程，培養(yǎng)學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力，借助已有知識分析和解決問題的能力.

環(huán)節(jié)5.全電路的功能關(guān)系.

引導(dǎo)性問題串：

①由電源中電荷的受力關(guān)系，可以得出各個力的等量關(guān)系，以及各個力做功之間滿足怎樣的關(guān)系？

②各個力所做功分別對應(yīng)的是哪些能量？

E電（電源產(chǎn)生的電能），Q電源（電源內(nèi)阻生熱），E其他（電能轉(zhuǎn)化為其他形式能），即W非=E電，

③你能得出什么結(jié)論？

設(shè)計意圖：再次從功能關(guān)系理解電路中的能量守恒，達到首尾呼應(yīng)的效果.

板書設(shè)計如圖8.

圖8 “電能 能量守恒定律”第1課時板書

在第1節(jié)教學(xué)內(nèi)容，突出了電路中能量觀念的引領(lǐng)作用，也從功能關(guān)系的角度深入理解能量轉(zhuǎn)化過程中的守恒關(guān)系，在本單元的教學(xué)中起到了奠基和鋪墊的作用.在后續(xù)的3節(jié)課中，教師可以在第1節(jié)課的基礎(chǔ)上，由非靜電力做功引出電動勢的概念，由能量守恒關(guān)系推導(dǎo)出閉合電路歐姆定律，以及利用閉合電路歐姆定律去推導(dǎo)路端電壓與負載的關(guān)系.在此基礎(chǔ)上講解測量電源電動勢和內(nèi)阻的實驗原理.最后1 節(jié)課介紹我國的能源現(xiàn)狀，鼓勵學(xué)生提高環(huán)保意識節(jié)能意識.

2.5 評價方案設(shè)計

在本單元的教學(xué)中，學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)與發(fā)展是通過一系列驅(qū)動性任務(wù)組成的學(xué)習(xí)活動來實現(xiàn).要診斷學(xué)生的素養(yǎng)水平以及能力進階的實際情況，就要設(shè)計好持續(xù)性評價方案，即評價目標、評價標準、評價任務(wù)、評價方式與評價工具，［4］具體的評價方案設(shè)計如表3.

表3 第1課時學(xué)習(xí)評價方案設(shè)計

3 結(jié)語

本文是基于深度學(xué)習(xí)理念指導(dǎo)下的單元教學(xué)設(shè)計，是一次從理念到實踐的探討.“電能 能量守恒定律”一章的單元教學(xué)設(shè)計從主題的選取、教學(xué)目標的設(shè)定、活動以及驅(qū)動性問題的設(shè)計、評價方式設(shè)計等環(huán)節(jié)出發(fā)，形成以能量觀念為引領(lǐng)性學(xué)習(xí)主題，以目標體現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的要求，以活動確保深度學(xué)習(xí)的有效開展，并著重描述了以第1 課時的教學(xué)設(shè)計方案、流程與評價方式，圍繞著能量觀念的引領(lǐng)性主題如何開展教學(xué)設(shè)計進行了一定的探索實踐.基于深度學(xué)習(xí)的單元教學(xué)設(shè)計對轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)方式、引導(dǎo)學(xué)生從淺層學(xué)習(xí)進入深度學(xué)習(xí)、讓學(xué)生的互動更加體現(xiàn)出思維深層次的碰撞，同時又在深度學(xué)習(xí)的過程中促進學(xué)生整合遷移意識、高階思維能力與學(xué)科素養(yǎng)的培養(yǎng).