善待学生经验认知 构建正确物理观念——以能量观念的正确构建为例

谭庆仁

(江苏省镇江市教育科学研究中心，江苏 镇江 212008)

2017版高中物理新课程标准中首次提出了物理学科核心素养,它包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度和责任．对于上述4大核心素养之间的关系有着多种理解,其中存在着这样一种理解:科学思维、科学探究、科学态度和责任必须服务于物理观念的正确构建,也就是要充分借助于他们来帮助学生构建正确的物理观念．因此物理观念的构建是我们进行课堂教学的核心任务．

1 问题的提出

物理学源自生活,同时又服务于生活,它与生活是紧密相连的．学生在生活中与物理学发生着许多联系，因此长时间的“生活经验”在学生头脑中逐步生成为经验性的认知.这些认知显然不是物理观念．当他们在进行物理学习时,凭借着经验认知总会产生 一些“应该是这样的”、“怎么会是那样的呢”等个人主观感情色彩的疑问．如果学生带着这些认知走进物理课堂,这无疑对建立正确的物理观念是一个很大的挑战.如果不能很好的予以解决,对构建正确的物理观念是非常不利的．因此,教师就应充当 “拨乱反正”的角色,科学应对学生的经验认知,帮助学生构建正确的物理观念．本文将就这一问题展开分析与读者共享．

2 以正确构建能量观念为例

下面,笔者就以“机械能守恒定律”这章内容为例,就如何利用学生经验认知来帮助学生构建正确的能量观念,来和各位读者交流个人的一些想法．

2.1 对学生正确构建能量观念的制约性因素分析.

按照2017版高中物理新课程标准,“机械能守恒定律”这一章放在了“曲线运动”这一章的前面,而运动学、牛顿运动定律和能量这3大块主要是基于直线运动来研究的,至此,学生初步形成了牛顿运动定律和能量这两大解决物理问题的观念．之后再利用前面所学习的内容来研究复杂的曲线运动,这样的安排更合乎认知逻辑．因此,能量观念作为解决物理问题的一条重要路径,它的正确构建对于物理学习至关重要．

初中时,学生已经对功和能的概念及它们之间的关系有了一定的初步了解．可现实是学生对于这一块内容可谓是记忆性了解,并未真正的理解和掌握,更谈不上建立能量观念,主要表现在以下几个方面.

(1) 对为何引入“功”的物理价值认识不到位,“功”和“工”混淆.

(2) 由于功和能的单位相同,对具体问题中“是功还是能”辨识不清.

(3) 对功和能之间的物理关系认识不清,只会简单套用数学相等关系.

以上3个方面严重制约了学生对本章内容的理解和把握.这就是学生在新课学习之前所产生的经验性认知．如果在教学过程中未针对上述方面采取必要的教学策略,也将很难在学生脑海中构建起正确的能量观．

2.2 正确构建能量观念的教学策略分析.

在“机械能守恒”这一章中,教材对能量观念的建立过程是精于铺垫的,从功能关系到动能定理,再到机械能守恒,最后到能量的转化和守恒,教材对能量观念的构建是渐进的.我们在教学中要充分理解和把握好这种铺垫,把握好教学的难度和策略．

鉴于上述3个方面制约性因素,在教学中应从以下3个方面采取针对性的教学策略．

(1) 明晰功能关系中的“功”和“能”,从而助力理解“为何引入功的概念”.

我们都知道功能关系的定性表述是:做功过程伴总随着能量的转化,力做了多少功,就有多少能量从一种形式转化为另一种形式的能量,如图1所示．其内含是:某个力做功时,一定存在着某种对应能量的变化．比如,人力做功时,对应着人体的化学能一定是变化的,但是至于向何种能量转化要看具体的做功场景.若人提着重物匀速上升,则化学能向重物的机械能转化；若人手摇发电机,则化学能转化为电能.这样的事例还有很多．由此可知,我们需要帮助学生构建的观念是:功能关系阐述的是力做功和与之对应确定的能量变化之间的关系,但是不能表征出这种能量是在与哪种能量之间在发生着转化．通过上述的教学演绎,不仅使学生理解了功和能的关系,而且也理解了功在能量转化中所起的桥梁和量度作用,更有助于后续对动能定理的理解．

图1 功能关系

(2) 明晰从力与运动的关系角度来理解动能定理的本质.

力是改变物体运动状态的原因,而运动状态的改变就是速度的改变,因此,我们可以换个角度来理解动能定理,也就是某力在做功时,均发生着与此力做功所对应的能量在与动能之间发生着转化.我们将动能视作与其他能量发生转化的一种中介．如图2所示,当有多个力对物体做功时,就对应着有多种能量(每种力做功均对应着一种能量)在与物体的动能之间在发生着相互转化.这种相互转化的最终结果就是动能定理所描述的．物体动能最终是增加还是减少取决于向动能转化能量值和动能向其他能量转化的能量值之间的大小关系．动能定理本质上也是一种功能关系,那就是合力做功与动能变化之间的关系．至此,对功能关系的理解实现了从单力做功向多力做功的转变．

如果我们在教学中渗透这样教学,相信学生对功能关系和动能定理的理解定会有更深的理解和体会,对于物理观念的构建是非常有帮助作用的．

图2 动能定理

(3) 明晰从功能关系的角度来理解机械能守恒和能量转化和守恒定律.

通过上述对动能定理深入理解,对某个有多力对其做功的物体而言,就存在着多少个对应的能量与动能之间发生着相互转化,如果撇开功不说讨论能量,那么注定能量在转化过程中是守恒的,是无条件的守恒;而机械能守恒是能量转化过程中仅有动能、重力势能和弹性势能之间相互转化时所遵循的规律,但仍然是在能量转化和守恒定律的这一大框架之中．

图3就很好地说明和反映了能量转化和守恒及所对应的功能关系．可从以下几个角度来加以理解.

图3 能量转化和守恒

角度1:从外大圈来看,这反映了其他能量是如何通过对应的力做功来实现和机械能进行相互转化的,不涉及功的话,它表征着其他能量与机械能之间的转化,它是守恒的.

角度2:从机械能所包含的小圈与外界的关系来看,反映了除重力和弹簧弹力以外的其他力做功与机械能变化之间的功能关系,它是能量转化和守恒的反映.

角度3:从机械能所包含的小圈来看,很清晰地反映了在只有重力和弹簧弹力做功的情况下,即除重力势能和弹性势能之外没有其他能量向系统转化时,系统的机械能是守恒的．这也可以从动能定理很清楚地看出:在只有重力和弹簧弹力做功的情况下,只发生着重力势能、弹性势能和动能之间发生着相互转化,即WG+W弹=ΔEk．

2.3 能量观念的构建渗透在整个高中物理学习之中

在本章中,通过上述策略只是初步构建了能量观念,但是能量观念的构建渗透在整个高中物理学习中,包含在电学、磁学、热学和原子物理学中.这就需要我们在平时的教学中能充分体会到这一点,在各章节的教学中做好物理观念构建的铺垫和布局工作．这样才能真正帮助学生构建能量观念．

3 结束语

2017版高中物理新课程标准将物理观念列为物理学科核心素养之首,对于我们开展物理教学具有强烈的指导意义,是在三维目标基础之上的巨大进步．新课标将物理观念分为物质观、运动和相互作用观和能量观.这就需要我们认真去梳理教材、领会教材和把握教材同,充分尊重学生的前经验认知,极力运用教学策略帮助学生构建正确的物理观念．