物理核心素养下的“机械能守恒定律”教学

陈信余

摘 要：物理核心素养一词概括了物理学科的教育价值，并将其作为教育目标来引领课程、教材和教学的改革方向.机械能守恒定律的教学适合物理核心素养的要求.机械能守恒定律的教学不适合采用陈述性和程序性知识的表达方式来处理，而适合通过“同化”与“顺应”来处理.机械能守恒定律的教学价值：寻找转化规律，建立守恒观念，学习并掌握物理学研究问题的一般思路——从简单到复杂，从特殊到一般.

关键词：物理核心素养；机械能守恒；同化；顺应

一、机械能守恒定律的教学适合物理核心素养的要求

物理核心素养，是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品质和关键能力；是学生通过物理学习内化的带有物理学科特性的品质；是学生科学素养的关键成分.物理核心素养主要由“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科学态度与责任”四个方面的要素构成.这四个方面是相互联系、共同发展的.物理观念的形成过程是学生经历科学思维和科学探究的过程，同时伴随着科学态度与社会责任的发展过程和对科学本质的认识不断深化的过程.基础教育阶段的物理课程用物理核心素养一词集中概括了物理学科的教育价值，并将其作为教育目标来引领课程、教材和教学的改革方向.

机械能守恒定律是力学中一条重要的定律，是更普遍的能量守恒定律的一种特殊情况.但由于机械能守恒定律的条件（系统内只有重力和弹力做功）苛刻，所以机械能精确守恒的情况比较少见.另外，由于容易混淆重力势能与重力做功，在应用机械能守恒定律解题时，往往会使用动能定理来代替，动能定理的使用范围要比机械能守恒定律宽泛得多.从解题的角度来看，机械能守恒定律在物理学中没有什么优势，为什么物理教材上和教学中还要用大量的篇幅来讨论这个问题呢？从初中的定性介绍到高中的定量计算，再到大学对质点组机械能守恒定律的学习.

这是由于机械能守恒定律的教学适合物理核心素养的要求，在物理学中有重要的地位、作用和价值.结合自由落体运动，通过看得见的变化——高度与速度变化，提出探究问题——高度是否转化成了速度？利用已知知识，寻找转化规律，得到看不见的守恒量.完成知识构建的过程中，形成了能量和守恒的观念、经历了探究过程、进行了科学推理、培养了认真负责的科学态度，从而达成了教学目标、发挥了该教学内容在培养物理核心素养方面的作用与价值.

那么，如何教学机械能守恒定律才能突显其地位，发挥其作用，实现其价值呢？下面以高中物理课堂教学为例，在分析与思考现行普遍以知识传授机械能守恒定律的基础上，提出要通过“同化”与“顺应”来实现机械能守恒定律的知识构建，達成教学目标、凸显其在物理学中的地位和作用，实现其教学价值和物理核心素养的要求.

二、对以知识传授机械能守恒定律教学的分析与思考

（一）现行比较普遍的授课方式

由于对机械能守恒定律在物理学中地位、价值和作用的理解不同，教学的方式、方法也就不一样.表1所示的是现行高中比较普遍的一种教学方式.

（二）分析与思考

1.情境引入

给出的这个情境与能量的结合有点牵强，学生不能就这个情境很好地回答“问题一”.因为能量是看不见的，看到的只是摆球的运动形式、速度和高度在变化.

希望从机械能守恒的角度来回答“问题二”，进而引出机械能定恒定律，并为推导铺垫.这个过渡很难、也不是必然的.

这个教学设计中所提供的情境不能很好地引出机械能守恒定律，只是给学生在视觉、听觉的冲击，在激发学生的学习情绪和兴趣，调动学生注意力等方面有一定的价值，对寻找守恒量以及机械能守恒定律的理解没有什么帮助.学生不能根据情境在心理上得到明确的暗示，因为摆球来回摆动、快慢变化、升降交替这些表层现象会左右学生的思考，这样教学不能很好地完成机械能守恒定律的知识构建，反之，如果用已经构建了的机械能守恒定律来解释该情境中观察到的现象就顺理成章了.

2.理论推导

推导时选择了竖直下落的物体为研究，学生无法将该情境与课堂教学引入的情境结合起来思考.一个竖直下落，做直线运动；一个来回摆动，做曲线运动.可以看出，这个教学设计的引入不能很好地切入主题，引而不入，教学效果不理想.

另外，在推导时对动能和重力势能的表达使用了综合（如Ek、Ep）方式，而不是用具体分式（如[12]mv2、mgh）来表达，这样处理会在认知上增加学生的困难.

3.归纳总结和应用举例

归纳总结这个教学环节采用了陈述性知识的表述方法来处理，即关于事物及其关系的知识，或者说是关于“是什么”的知识，包括对事实、规则和事件等信息的表达[1]190.也即：只有重力做功的情形下，动能与重力势能可以转化，但总量保持不变.

应用举例这个教学环节采用了程序性知识的表述方式来处理，即是关于完成某项任务的行为或操作步骤的知识，或者说是关于“如何做”的知识.它包括一切为了进行信息转换活动而采取的具体操作程序[1]190.也即：首先，判断是否只有重力做功；其次，选定零势能面，明确始末状态并确定对应的机械能；最后，利用机械能守恒定律列式求解.

由分析可知，以上的教学设计不能很好地让学生经历机械能守恒定律的知识构建、形成能和守恒的物理观念，而仅仅当作现成知识进行传授，所以学生认识不到该定律在物理学中的地位、作用和价值，仅从解题方面这个角度，觉得它在物理学中没有什么优势.

三、通过“同化”与“顺应”来完成机械能守恒定律知识的构建

“同化”与“顺应”是学生参与和经历知识构建的两个重要过程.皮亚杰（J.Piaget）认为学生是在与周围环境相互作用的过程中，逐步建构起关于外部世界的知识，从而使自身认知结构得到发展.学生与环境的相互作用涉及两个基本过程：“同化”与“顺应”[2].

“同化”是指把外部环境中的有关信息吸收进来并结合到学生已有的认知结构中，即个体把外界刺激所提供的信息整合到自己原有认知结构内的过程，就像消化系统吸收营养一样.

“顺应”是指外部环境发生变化，而原有认知结构无法同化新环境提供的信息时所引起的学生认知结构发生重组与改造的过程，即个体的认知结构因外部刺激的影响而发生改变的过程.

机械能守恒守律的教学适合通过“同化”与“顺应”来构建.物体仅在重力作用下的运动、动能和动能定理、重力和重力做功以及重力势能，这些内容和知识都是学生已学过的，属于学生的原有知识，学生容易“同化”而完成知识构建；而速度与高度之间的变化是否涉及能量的转化？以怎样的形式进行转化？按照怎样的规律转化？机械能是否守恒？这些内容和知识不能与学生的原有知识直接发生作用，要通过“顺应”来完成构建.

通过“同化”与“顺应”完成机械能守恒定律的构建如表2.

（1）情境引入环节，创设了一个比较简单的情境，目的在于利于学生发现并提出问题.科学探究源于问题，而问题在很大程度上源于对身边事物的观察与思考.观察是科学发现的重要途径，观察是取得原始材料、扩大研究领域、构建科学假说、形成科学理论的基本方法.简单的情境利于学生观察与思考并得到心理暗示.

（2）现象可以被学生观察到，但问题提出需要老师的帮助.提出问题在思维层次上高于观察现象.由于学生有了高低、快慢的概念，直接将观察到的现象与原有知识发生作用进行“同化”.而提出问题则是对未知的一种假设和猜想，减小的高度是否转化成了速度？这是学生认知领域的一个新问题，学生“同化”不了这个新问题，必须用“顺应”来处理.这个为下一环节的推导做好了铺垫.

（3）推导环节中，动能定理和重力做功与重力势能变化关系、数学中的移项和恒等式变换是学生熟知的知識.利用学生熟知的知识，一方面为学生认知搭建台阶，另一方面利于学生“同化”. 学生对变形得到的公式[12]mv12+mgh1=[12]mv22+mgh2以及该公式的使用条件是陌生的，不能与学生的原有知识发生作用，“同化”不了，此时给出机械能的定义就是“顺应”，即要用新的知识来处理问题.为了提出机械能守恒定律，以下两个环节也是非常必要的，一是分析与观察整个推导过程，是在不计阻力前提下推出来的，从而确定这种形式的条件.二是强调推导过程的状态选取具有任意性，即说明整个过程都是满足的.这种认证与说明的方法，也是学生没有接触过的.通过这个环节的“顺应”，学生不仅增长了知识，还掌握了一种新的处理运动学问题的方法——守恒的方法，同时还学会了逻辑推理和论证说明的基本思路.

（4）由于经历以上知识的构建，应用举例环节就是让学生尝试“同化”，定性或定量应用机械能守恒定律.这个环节可采用程序性知识的表述方法来处理，即：选定研究过程、判断是否满足条件、选定零势能面并确定始末状态的机械能、利用机械能守恒定律列式求解.

由上分析可知，在这个教学设计中，“同化”之中穿插“顺应”，在“顺应”之中也涉及“同化”，在“同化”与“顺应”的交替之中完成了机械能守恒定律的知识构建.在知识构建过程中明白了学习机械能守恒定律的意义和价值以及它在物理学中的地位.

四、机械能守恒定律的教学价值

如前所述，用机械能守恒定律解题，应该不是教学该内容的主要目的.学习机械能守恒定律，就是要学习并掌握物理学研究问题的一般思路——从简单到复杂，从特殊到一般.寻求守恒量是物理学研究的一个方向，正如德国著名物理学家劳厄所说：“物理学的任务是发现普遍的自然规律.该规律最简单的形式之一表现为某种物理量的不变性，所以对于守恒量的寻求不仅是合理的，而且也是极为重要的研究方向.”

通过“同化”与“顺应”来完成机械能守恒定律知识的构建，就是希望通过看得见的变化——高度与速度变化，提出探究问题——高度是否转化成了速度？利用已知知识（“同化”过程），寻找转化规律，得到看不见的守恒量（“顺应”过程）.在“同化”与“顺应”的交替过程中，完成了知识构建，形成了机械能守恒的物理观念，经历了科学探究过程，进行了科学思维与推理，培养了认真负责的科学态度，从而达成了教学目标，发挥了该教学内容在培养物理核心素养方面的作用与价值.

参考文献：

[1]皮连生.学与教的心理学[M].上海：华东师范大学出版社，2009.

[2]施良方.学习论[M].北京：人民教育出版社，2001：172.