高中物理能量大概念的具体内涵

肖风云

摘 要：在课程改革推进、核心素养培养的要求下，如何让学生站在物理角度认识世界，建构起大概念的物理学科思维和观念，是物理教学实践落实的要点。通过加强大概念统领下的学习，能够让学生系统化地理解物理知识规律的内涵，促使其形成物理学科思维，灵活地思考和解决物理问题。本文基于能量大概念，从能量本质和形式、转化和守恒、意识和实践等方面进行内涵解读和教学实践，以促进学生形成正确的能量观念、能量思维和能量意识，促进其核心素养发展。

关键词：高中物理;能量大概念;内涵

落实核心素养是课程改革的要求，更是在有限时间内实现有价值教学的重要方法。在物理学科中，能量大概念强调知识的关联性、系统性和串联性，包含了做功、能量转化、各模块物理概念和规律，要求学生从能量角度对知识进行提炼、规划和升华，形成从物理学角度分析自然现象、处理真实问题的能力。但是，由于缺乏对物理观念的充足了解和思考，学生很难建构起能量大概念，如何为学生搭建通过物理能量大概念的通道，使其将知识与概念进行融合，是教学设计中需要关注和解决的重点问题。本文立足高中物理能量大概念，将其解析为能量本质和形式、能量转移和守恒、能量意识和实践，围绕这三个维度展开教学实践讨论。

一、物理能量大概念概述

（一）概念

在学科观念群中，大概念起着统率、引领各个子概念的作用。相较于普通的观念，其更具抽象性，并非是某方面的具体规律、原理或概念，而是对一般概念、意义的概括，经过对各个物理小概念的归纳、糅合，形成统领大量小概念、反映物理本质的模型和思想，从而形成更高层面的物理学科思维和观念。在能量大概念的引领下，各个独立的概念能够建立起有效联结，便于学习者摸清概念间存在的纵横关系，实现概念认知中的知识迁移，帮助其掌握运用于实际情境的能力，具有极强的解释力和适用性。举例来讲，相较于位移、速度、加速度等词汇类概念，大概念更倾向于运用“一句话、一个问题、一个短语”揭示核心问题并建立起各个概念间的联系。大概念类似于容纳多个小概念的集合，以无形的框架衔接各个概念，使得处于离散状态的小概念形成相互联系的结构，比之小概念，其具有更明显的迁移和应用属性。但是，大概念往往存在内隐性特征，只有教育者主动去揭示才能有效呈现。

（二）特点

从物理能量大概念特点上看，其占据了物理学科的中心位置，是将关于能量的自然现象进行高度抽象化后形成的核心概念;在物理学科内容上，大概念的构建能够帮助学生形成灵活、整体、多元的思考方式，有助于学生进行知识的迁移、认知和理解，在讨论中加以论证;在物理知识结构上，学科网络知识框架主要由小概念和其他大概念、大概念和具体的物理主题构成;在物理文化特性上，大概念的构建契合了人们追求科学、探索规律的思维逻辑，实现了对抽象性规律的整体统摄。在物理知识应用上，大概念的解释力、适用性较强，与科技、生活等方面密切相关，能够对大范围的物理现象、事实进行解释。

在基于大概念的教学框架下，教师需要对框架、体系内的知识进行分层、分级整合，形成多维度、多层次的概念体系。在物理能量大概念中，要围绕功能关系为核心，以动能、势能、电场能、磁场能、内能等概念为基础，才能实现全过程贯穿“能量观念”的目标。通过分析居于下位的三个能量维度——能量本质和形式、能量的守恒和转化、能量意识和实践，让学生由浅入深地理解能量大概念，形成能量观念。

二、物理能量大概念统领的结构体系

在能量大概念的分析中，需要运用学习进阶理论进行基本知识体系的建构，以概念发展、进阶层面进行小概念关联，构建能量大概念，需要应用到以下三种模型：其一，阶梯式模型，主要是以单线式方式分析能量概念进阶，整个过程犹如攀登阶梯，能量大概念的建构需要达到阶梯终点;其二，螺旋式上升模型，类似于走之字形上坡路线，通过反复学习讨论同一内容，不断地扩展内容深度、增强难度;其三，拼图模型，概念并非以纵向形式拓展，而是如拼图一般进行横向延伸、拓展，建立起多个小概念的横向关联。

基于知识逻辑的初高中物理教材，主要将力学、热学、电学、光学、原子物理划分成知识模块，以螺旋上升形式进行知识深度、难度的递进。学生在初中阶段要初步形成物理观念，能够站在物理角度分析自然现象……高中物理在此基础上进行拓展，构建起力学、电磁学、热学和近代物理的逻辑知识体系。在课程改革理念下，可打破固有的逻辑体系，关于“相互作用与运动定律”“机械运动与物理模型”“机械能及其守恒定律”“静电场、电路与电能”“电磁感应与交变电流”等各个部分内容，都可以从功能关系、能量大概念角度进行学习讨论，各个部分知识规律都能体现能量守恒与转化的观点。在这样的大概念组织结构下，各部分知识能够以网络化形式呈现，更引入了最近发展区理论，围绕一系列原理发展进阶，使得各个小概念以相互关联形式归属到能量大概念下。例如：在力的概念構建上，可以从内容、形式、做功这三个角度进行分析，力的内容主要包括了不同性质的力，如电磁力、万有引力、强力、弱力，而重力、弹力、摩擦力等属于最基本的力学概念;在力的表现形式上，主要包括力存在的本质特点，如三要素、独立性、互相性、矢量性、物质性等;从做功的角度分析，均伴随着各自的功能关系与能量转化。再如，在势能的概念构建上，基于功能关系和能量大概念的支持，构建出重力势能、弹性势能、电势能、分子势能、引力势能等概念，以重力势能为基点，引导学生进行概念认知学习、重力做功特点探究，从生活视角进行物理概念认知，再联系其他势能进行分析、类比、归纳，从而建构起完善的能量大概念知识体系。（见图1）

三、高中物理大概念具体内涵分析

（一）关于能量的本质与形式

从物理学层面看，能量存在宏观、微观的物质运动中，能够以多种形式呈现在自然界，如热能、化学能、机械能、电能等。我们需要在教学中帮助学生建立起对能量概念的认知。在具体认知环节中，能量概念抽象性极强，学生很难在简单的语言解读下理解“能量本质是什么”。教师应抓住教学重点，从守恒观点开展教学活动，让学生认识到能量是一个守恒量，再对功能关系层面的内容进行解读，让学生了解能量守恒的原因。

在高中物理教学中，力学是最先体现能量概念的模块。在掌握这部分的公式和理论知识后，教师可以引导学生从能量角度对力学的特点进行表征，通过分析能量转化、功能关系对受力与运动过程进行描绘，使其在学习中感知和认识能量观念。对于包括了功、动能、势能、功能关系的章节内容，教材对能量的概念进行了介绍和解读，教师可以让学生结合动能、重力势能、弹性势能、功与功率等概念进行概念认知。在理论性认知和解析的基础上，教师可以设置物理能量和探究实验交叉的学习活动，组织学生对功与速度变化的关联性进行探究，分析释放的粉笔头从静止状态到越下降越快的状态、小皮筋拉动小车做功等实验活动，顺势呈现动能定理，并以实验演示形式让学生熟练掌握定理、概念。然后，开展重力势能与重力做功关系的探究活动，使得学生由概念认知发展到观念树立阶段，构建起“势能可以伴随做功转化，且势能变化受做功量多少的影响”的观念。通过递进式的学习活动，让学生在建构知识概念的同时，不断地补充和完善大概念结构。在后续的物理学习模块中，包括电磁学、电路、光学等相关问题，能量概念也能为学生思考、分析问题提供支持。所以，教师应有意识引导学生结合能量观念进行概念分析、知识建构，让学生构建知识结构和大概念体系相统一的能量观念。

（二）关于能量的转移和守恒

在深层能量观念中，在物质运动、能量发生转移和转化时，能量本身不会被创造或销毁，其总能量仍遵循守恒原则。比如，在自然界中，能量产生、耗散、转化，均体现了能量转移的方向性。在宏观的转移、转化过程中，功可以作为能量从一种形式转化为另一种形式、一个物体转移到另一物体的量度单位，能量的观点能够为学习和理解物理知识、破解物理问题提供有效借鉴。

在物理课堂教学实践中，教师应有意识地使用能量分析方法，让学生形成能力分析、转化的思考方式和思维习惯。例如：在电磁感应中，对于楞次定律“阻碍”二字的理解是教学难点，借由能量大概念的引领可轻松破解难点并加深理解，在导体棒切割磁感线的运动中安培力必须阻碍运动，机械能减少了转化为电能，反之安培力若不是阻力而是动力，那么导体棒只要轻推一下就可以永远运动下去，这不符合能量守恒定律。基于能量角度的分析方法，可使学生发现、分析和处理问题的效果得到提高，帮助其迅速形成问题解决思路。同时，在高中整个知识体系和框架中，能量与各个分支具有着不同程度的联系，这就会给学生使用能量分析方法带来一定挑战。教师应帮助学生明确不同知识间存在的关系，使其精准地把握不同知识、规律中能量分析法的使用差异，不断地将知识进行综合化、系统化。例如：在讲解电场这部分内容时，学生往往很难对电势能形成正确认识。这时，教师可以围绕能量大概念，让学生从局部知识的能量分析中总结经验，以类比和迁移的方式进行学习和探索。由于学生已经完成了重力做功、重力势能的能量学习，了解了二者间能量的变化、流动。所以在电场的教学实践中，教师可以让学生以参照前者的分析方式进行研究，让学生回忆在重力场中重力做功的特点，从能量角度分析电场中电场力做功的特点，将电场力做功与电势能变化、重力做功与重力势能的变化联合起来讨论。通过这样类比探究场景，学生能够将抽象且陌生的学习内容与熟悉的重力场分析结合起来，不断地拓展和丰富能量大概念结构，帮助其将抽象内容转变为形象化场景，强化其认知思维和能量概念。在后续学习和探究带电粒子偏转的知识内容时，学生可以再次以能量分析的方式进行类比，更快地找到问题点，促进其问题解决能力得到提高。

（三）关于能量的意识和实践

基于能量本质、形式的掌握，以及能量守恒分析方法的运用。教师还应重视物理能量意识和实践维度，将能量意识和实践补充到大概念中，让学生认识到能量知识能够支持新能源的开发，为解决社会能源问题、提高资源利用率提供思路。在社会发展中，必不可少的是能源，但能源存在有限性，這就需要教师培养学生的环保意识，让学生认识到开发新能源和节能减耗是持续利用资源的路径。

对于学生已经认知的能量守恒规律，其容易产生能量总是不变的观念。这时，教师应对能量耗散带来的问题进行解读，让学生从认识到能量转化、耗散的方向性，进而了解到人类要有节制地运用自然界的能量。例如：对于煤炭、天然气、石油、核能、水能等，这些资源均归属于不可再生能源，教师可以对上述资源的过度开发、利用带来的危害进行讨论，让学生认识到能量的耗散与人类社会发展、生存具有密切的联系，以列举生活、生产范例的形式探讨提高能量利用率的相关内容。通过解读这部分内容，能够引导学生树立起节约资源、爱护环境的能量意识。同时，能量转化、转移使得人们可用资源不断减少，这就需要人们在加强环保工作的同时，根据自然发展规律进行新能源的开发和开采。例如：教师可以对先进科技支持下的新能源开发、利用进度进行讲解，如我国海上风电、陆上风电的布局，光伏发电配套工程建设、水电可再生能源利用等。在梳理完成上述知识后，教师可以开展“电费消耗”清单的制作活动，让学生对家用电器的月消耗电能进行统计，如电脑、电视、洗衣机、冰箱等，完成对电器铭牌上额定功率的阅读，再根据各种电器的使用、待机时间进行用电量的预估。然后对电能表起始数值进行记录，对实验数据进行记录，最后结合统计的数据，针对性地设计节能方案，提升其能量实践能力。通过建立能量观念间的相互联系，构建知识本质、规律认知→功能转化关系→能量意识和实践的教学路径。在最后的能量意识和实践分析中，主要从能量耗散、新能源开发角度进行分析，作为最后的两部分知识内容，其旨在将能量大概念知识与社会生活和生产活动相联系，让学生由知识规律认知、能量观念形成过渡到功能转化、能量守恒的应用上，形成能量应用意识、实践能力，塑造正确的能量意识、强化能量实践能力是这一环节的重要任务，通过围绕能量耗散、能源持续利用、新能源开发活动进行相关资料的搜集、查阅，引导学生对提高资源利用率、新能源开发的重要性形成正确认知。在能量意识、观念形成的基础上，通过设计、开展能量实践拓展活动，让学生将能量大概念带入生活实践中，从电器用电量调查和实验认识到节能环保的重要意义，并针对性地制订节能方案，真正将大概念统领的能量意识运用到实践中。

四、高中物理能量大概念的教学评测

对能量大概念教学效果的检验，必须要从过程性、终结性评价两方面入手，客观地评测学生的认知能力、知识结构和能力结构，为优化能量大概念教学设计提供数据支持。首先，开展过程性评价。在学生学习全过程中，对其各方面学习动态的了解、过程性资料的采集十分关键，对学生能量观的形成结果具有重要影响。为了顺利地实施、优化能量大概念教学，对学生物理学概念掌握情况、物理能量观的建立程度进行评价，需要设计和应用教学评价卡，通过学生自评、小组互评、教师辅导评等方式，及时地把握各个学习环节中的问题，为优化教学设计提供蓝本。在具体的评价记录卡上，需要包括课前、课中、课后三个评价板块，学生要在学习前、学习后描述对能量观念、大概念的认知，并将存在的疑难问题加以记录以便反馈。在课中板块，设计教师发言、小组研究、学生聆听、合作协同、教学反思等板块，让学生在学中思、在思考中探究、在探究基础上分享和反思，并完成对课堂各个环节表现的独立评价、小组评价和教师评价。同时，实施终结性评价。基于能量大概念知识学习任务的完成，对学生概念认知、观念形成、思想方法等进展情况进行考查。考查手段以检测题方式进行，主要由叙述题、选择题、解答题等开放性题目类型，对学生能量观念的形成、发展情况进行综合测评。最终通过对学生作答情况进行统一分析，完成对学生能量观念建构的评价，便于教师抓住根本性问题，进一步地优化教学方式和设计。在测试题编写项目上，要从核心概念外延到能量大概念的各个子概念上。例如：在能量本质和形式上，涉及能量定义、存在形式、动能和势能关系等知识的测试;在能量的转移上，涉及物理运动中动能转化重力势能，烧水中能量转移，动能、重力势能和弹性势能三者间的转化等;在能量守恒上，涉及能量守恒的基本概念、具体体现、在电磁感应中的体现等;在能量耗散中，涉及电能转化为内能、能量利用率、机械能转化为内能、能量转化的方向性等内容。通过针对上述能量知识点进行检测题设置，对项目检测难度、水平进行优化，确保其契合学生能量观念的发展需求。这样形成的检测问题，能够确保终结性评测结果的可靠性，从而更加全面、合理地测试能量观念发展程度。

结束语

综上所述，能量大概念与物理教学的融合是贯彻核心素养、锻炼学生思维能力的重要渠道。教师应在开展教学的同时，从大概念角度对物理能量的相关知识进行整合，引导学生进行概念认知、探究分析和实践操作，并加强过程性、终结性教学评测，促使其能量观念向更高层次发展，从而促进物理教学活动的有效开展。

参考文献

[1]谭庆仁.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[J].物理教师，2018，39（12）：32-34.

[2]姚鸿栋.基于协同学视角探究物理观念培养：以能量观念为例[J].物理通报，2018（8）：2-4.

[3]陶汉斌.巧用能量观念培养核心素养[J].数理化学习（高一二版），2019（4）：53-56.

本文系福建省教育科学“十三五”规划2020年度常规课题“大概念统整下高中生物理能量观形成的研究”（课题编号：2020XB0490）的階段性成果。