大概念视域下能量教学的思考与实践

孙厚升

(江苏省无锡市侨谊实验中学，江苏 无锡 214026)

在《义务教育物理课程标准(2022年版)》中，一级主题“能量”下面分为“能量、能量的转化和转移”“机械能”“内能”“电磁能”“能量守恒”“能源与可持续发展”六个二级主题，课标中对“电磁能”这个二级主题要求较高，有两个“理解”层次的内容，分别是欧姆定律和电功、电功率，[1]所以中考命题对这两部分内容考查的力度很大，在教学中教师自然也对这两部分内容情有独钟，挖掘颇深。能量的转化和守恒定律是自然界的普遍规律，它与很多学科都有关联，和生产、生活息息相关。这部分内容对学生的进一步学习、形成可持续发展的意识都是非常重要的，笔者在大概念视域下对能量教学进行实践与思考，以期为广大教师提供参考。

1 能量大概念的深层理解

“能量”作为初中物理重要的课程内容，这样的安排其实是有深层含义的，若“能量”作为大概念，那么“能量”背后有一个“大观念”——能量观念。能量观念是从物理学视角形成的对能量的总体认识，是与能量主题相关的物理概念、规律等等在头脑中的提炼与升华,是从物理学视角解释自然现象和解决实际问题的基础。从学生的认知进阶角度来看，能量观念的提出超越了以往“功”“动能”“内能”等碎片化的知识内容，而能量观念的核心内容就是“能量守恒”，[2]本文将通过具体事例予以说明。所以我们有必要对初中生的能量观念进行潜移默化、循序渐进的诱导和启发。

苏科版初中物理教材的理念之一是强化过程、简化概念，用渗透的方式使学生领悟概念的内涵，指出了能量是整个自然科学的核心概念之一，并与生产和生活息息相关。以八年级上册为例，第一章第一节就在“生活·物理·社会”栏目中引入声能的概念(图1)。主要借助一些不十分严格但较易被学生接受的说法加以引入，并试图分门别类地介绍学生熟悉的能量存在的各种形式(声能、光能、动能等)，使学生对能量的内涵有粗略但较为具体的认识(图2)。

图1

图2

传统教材通常是一涉及新概念就急于给出严格的概念界定，这是学科本位思想的体现，现在各版本教材的处理方法反映了新课程的理念，把着眼点放在引导学生观察有关现象，不过分纠缠于概念的严格定义，不追求“一步到位”。

能量观念的形成绕不开能量这个概念。在初中阶段如何给学生一个相对科学的定义，笔者发现各版本教材的做法也不尽相同，问题的焦点是先讲“功”还是先讲“能”。以苏科版为代表(占绝大部分)的教材先讲“功”，以浙教版为代表(少部分)的教材则是先讲“能”。这个问题人教版教材在2002年-2004年期间曾作过尝试，当时先讲“能”，后来出于种种考虑还是改过来先讲“功”，一直到现在。初中生学习功和能量时总感觉困难，且有很多不适，因为不管先讲哪个，都无法很顺畅地引入相应的概念，笔者倾向于以苏科版教材为代表的处理方式，先讲“功”。

2 不同教材对“能量”内容的处理

以浙教版为代表的教科书先讲“能”，安排在《科学》九年级上册第三章“能量的转化与守恒”，本章前三节内容的安排如下：第1节为“能量及其形式”，第2节为“机械能”，第3节为“能量转化的量度”。第一节中首先提出若没有能量，日常生活中一些情景能否实现？然后用图3所示的伽利略理想斜面实验来说明，小球之所以“记住”了其起始高度，是因为小球“记住”了起始高度的能量，从而引入了能量这个概念。对于初中生来说，这样处理比较模糊，学生的感觉是“能量”这个东西很重要，日常生活中很多现象都离不开它，但它到底是什么？也许编者认为在这里不要过早界定，留到后面再讲清楚，若是如此，本章前两节干脆略过，直接讲第3节，毕竟初中生经过日常生活积累和前期的学习，已经了解到“能量”在自然现象和自然规律中的重要性。

图3

编者这样编排或许是受到高中物理教材编排顺序的影响，高中既然这样安排，一定有它的道理，初中教材是不是就可以沿用呢？此时非彼时，初中与高中不可同日而语，原因有二：(1) 学生的知识储备不同，高中生经过初中阶段的学习，对功能关系有一定的了解，具体学习了与能量相关的概念，初步形成了能量观念，所以在高中物理中直接提出能量概念无可厚非；(2) 高中教材的编排跟初中(以浙教版为代表)有少许差异，因高中生此时已初步形成了能量观念，也知道能量观念中的核心内容——“能量守恒”，再用伽利略斜面实验引入就比较恰当。在这个实验中，高中还加入了富有启发性的叙述，譬如在小球“记住”了自己的起始高度后加入“或与高度相关的某个量”(备注：因学生已有重力势能概念)，并进一步提出：“然而,‘记住’并不是物理学的语言，后来物理学家把这一事实说成是‘某个量是守恒的’”。[3]这样的处理是合情合理的，在这里告诉学生：能量概念的引入是科学家追求守恒量的一个重要事例。

那么，在初中阶段先引入“功”是不是也比较生硬呢？

以苏科版为代表的教材先讲“功”，设计的指导思想为：体现学科、学生认知架构与心理发展的统一，恰当处理学科的逻辑性与学生的认知心理特点之间的矛盾。[4]纵观整个教材，能量观念贯穿全书，这也是这套教材的重要特点之一，具体分析如下。

(1) 八年级时分别在相应章节提出“声能”“光能”“动能”“弹性势能”“重力势能”等诸多概念，并展示了各种能量在生活或自然现象中应用，让学生积累了感性认识，这是一种循序渐进、逐步深化的过程，符合学生的认知特点。

(2) 九年级上册第十一章第3节“功”在节导言中写道：“当你举高物体时，你就应用储存于身体内的化学能，使物体的位置升高了”，[4]在这里直接提出“化学能”的概念，学生并不感觉到很突兀。接着提出：“在物理学中，就说力对物体做了功。举起物体越重，举起的高度越高，就说这个力做的功越多。”这里不仅初步给出了“功”的概念，而且也让学生体会到“功”是能量转化的量度，因为生活体验告诉他们：举起物体越重和越高，消耗自身的能量(化学能)就越多，即消耗的能量越多，就表示做功越多。

(3) 在第十二章中，教科书的编写有明、暗两条线索：明的线索是以现代交通工具——汽车为载体引入的，先后介绍了机械能、内能及其相互转化等其他相关内容；暗的线索则以能量的概念展开，让学生了解能量的形式是多种多样的。在第十二章第1节“动能 势能 机械能”节首中呈现如图4所示的情景，提出问题：“为什么要规定汽车在公路上行驶的最大速度？脚踩滑板从高处滑下，为什么会越来越快？”编者的意图有二：一是物体有做功的本领且这个本领有强弱之分，为正式引入“能量”作准备；二是能量之间可以相互转化。课程标准对本章相关内容的要求并不高，对“能量”的定义和甄别也低于传统教材的要求。苏科版教材中直接指出：一个物体能对另一个物体做功，就表明这个物体具有能量。这仅是对能量概念的一个粗略的定义，在初中阶段不必追求这个概念的严密性。显然教材只是简要告诉学生如何判断一个物体是否具有能量和怎样判断一个物体能量多少的办法，决定动能、重力势能大小的因素才是本节的教学重点。

图4

综上所述，笔者认为以苏科版为代表的教材在功能关系上的编排次序更合理，更贴近学生的认知水平，更符合核心素养的培养要求。

3 能量观念的核心内容——能量守恒在教材中的适当处理与实践

查阅各种版本初中物理教材发现，“机械能”概念的引入都比较突兀，都是在探究完动能和势能大小与哪些因素关系之后直接提出的。以苏科版教材为例，表述为：“在物理学中，动能和势能统称为机械能，一个物体可以同时具有动能和势能。”“大量的事实说明，动能和势能可以相互转化。”这里有个问题是，为什么非要把动能和势能统称为机械能呢？我们发现诸如“动能”“重力势能”“内能”等都有自己的定义形成原因，唯独“机械能”没有，学生们感觉有点不知所措。教材编写可能出于下列原因：(1) 课程标准的内容要求中没有明确指明；(2) “机械能守恒”在新课标中没有要求，故不同版本教材中有的提到“机械能守恒”，如人教版、浙教版教材等，也有的不提“机械能守恒”，如苏科版教材等。

笔者认为应在初中阶段提出“机械能守恒”，理由如下：

(1) “能量守恒”在“能量观念”中占有核心地位，具有很高的教育价值。这一点在高中阶段尤为重要，在初中阶段也应有所启蒙。让学生感受到“能量守恒定律”的建立是人类认识自然的一次重大飞跃，是哲学和自然科学长期发展和进步的结果，是大自然普遍和谐性的一种表现形式，而和谐美正是科学的魅力所在。

(2) “机械能”是人类追寻到的第一个“守恒量”。[2]“机械能守恒”是普遍的“能量守恒”的一种特殊形式，是后人总结和概括出普遍的“能量守恒”的依据，所以在初中阶段不应该放弃这种朴素的“守恒观”，从而有必要展示“机械能”概念建构的探索过程。

(3) 在建立动能、势能等概念后，各种版本教材一般都会利用如图5所示的单摆加以分析，而分析的结论都表明：动能和势能可以相互转化。笔者以为这个情境除了启发我们得出上述的结论外，更重要的是，这两种形式能量正是在“此消彼长”的过程(特别是图5中C点和A点几乎在同一高度)中，才可能伴随着“守恒量”。本探究过程带给学生两种体验：一是在理想实验中运用科学推理，如实验中不考虑空气等摩擦阻力等；二是初步领略一种形式的“能量守恒”。这个探究告诉我们：若不计阻力，虽然小球的动能和势能在发生变化，但二者之和时刻保持不变，我们可以把物体的“动能”“势能”之和叫作“机械能”，以描述在某种条件下这种能量的“守恒性”，从而向学生初步介绍机械能守恒定律。

图5

笔者的相关教学实践具体表1。

表1

4 结语

物理世界是千变万化的，人们发现有些物理量在一定条件下是守恒的，可以用这些“守恒量”来表示物理世界变化的规律，这就是守恒定律。正因为自然界存在着“守恒量”，而且某些守恒定律的适用范围很广，所以，寻求“守恒量”已经成为物理学研究的一种重要思想方法。能量是初中课程内容中的三个“大概念”之一，在教学中除了要让学生认识到各种形式的能量以及它们之间可以相互转化外，还要在教学中初步建立能量观念的核心内容——能量守恒。其中“机械能”概念的建立就是一个很好的“抓手”，虽然机械能守恒只是能量守恒的一种特例，但对学生初步建立整体的能量观念意义非凡，当然在初中阶段不宜过度挖掘，有些内容只能留到后期进一步探究和完善。