以能量观念为引领性学习主题的高中物理“电能 能量守恒定律”单元教学设计

孙 越 付鹂娟 相新蕾

（北京市第一零一中学，北京 100090）

1 以大观念为引领性学习主题的单元教学设计

1.1 基于深度学习的单元教学

深度学习是一种基于理解的学习，是在教师引领下，学生围绕具有挑战性的学习主题，全身心积极参与、体验成功、获得发展的有意义的一种学习过程.［1，2］

深度学习倡导单元教学.通过将单元教学内容和素材按照一定的逻辑整合、重构，通过确定引领性的学习主题，编制素养导向的学习目标，设计挑战性的学习任务和持续性的学习评价等环节，来帮助学生构建起系统化的知识体系，促进学生高阶思维能力的发展，激发学生的学习主动性，强化对单元核心知识的深层理解.［3，4］

1.2 大观念引领的物理教学

高中物理学科核心素养包括物理观念、科学思维、实验探究和科学态度与责任4部分，其中物理观念是物理核心素养的一个重要方面.大观念是科学教育中提出的一个名词，在一系列学科观念群中起核心引领作用，是更加上位的物理观念.［5］

物理教育并不是让学生记住公式、定理、定律等结论，真正的理解永远不能通过“灌输”来实现.大观念是整合概念知识、解决实际问题、形成核心素养中不可或缺的高阶思维.以大观念引领教学的价值，是使学生在头脑中建立起学科大观念，丰富和完善学科中的大概念，帮助学生从物理学科的视角解释自然现象和解决实际问题，有利于将所学内容迁移应用到新的试题情境或现实生活中.

让学生建立和形成物理学科大观念，仅通过一节课的教学是很难达成的，而单元教学为落实基于大观念的教学提供了有力保障.单元教学设计更注重单元内容的整体性和连贯性，从知识生成逻辑入手，强化概念与规律间的联系，有利于学生形成物理学科大观念.不仅如此，以大观念引领物理教学，还有利于让教师们从更高的视野与角度去认识教学内容，依托课程标准，结合学科教材，构建观念体系，在一般教学设计的基础上强化大观念的引领作用，使概念与知识的建立更具有系统性与条理性，进一步发展学生的核心素养.

2 电路中能量观念为引领的单元教学

2.1 单元整体教学思路

宇宙中一切形式的能量的总和都是守恒的.能量是守恒量，其转移和转化过程不会创造或销毁能量.能量观念是物理学科核心素养中重要的物理观念，电能是能量观念的重要组成部分.基于电路中的能量观念形成和发展的学习单元设计是核心素养落地生根的有效途径.

人教版新教材《物理》第12章“电能 能量守恒定律”既是前一单元“电路及其应用”知识的拓展，又是能量转化与守恒定律的具体案例.很适合在能量观念的引领下，重组单元教学内容，开展单元教学设计，促进学生能量观念的形成.

本文根据课程标准，结合学科教材，以“能量观念”作为单元学习主题，统领本单元的教学，是打通知识到素养的通道.能量观念的组成并不单一，大致包括能量本质、能量形式、能量转移与转化、能量守恒、能量耗散等维度，且各维度之间相互关联.［6］本单元从电路中电能的本质、电能的转化与守恒、电路中能量意识与实践3个维度设计单元教学内容（如图1）.将上位的观念统领整个单元，将下位的概念和知识点组成单元教学的具体内容，形成一个一个自上而下又自下而上的观念体系，促进知识的整体性和迁移性.

能量包括机械能、内能、电能、磁能、核能、化学能等不同类型能量.在电路这一单元中，以电路中的能量观念为引领性学习主题的单元教学中，能量本质是回答电能是什么以及电能的来源；电能的转化与守恒是本单元的核心内容，包括了能量的转化过程往往伴随着做功实现，功是能量转化的量度，以及能量转移、转化途径和过程中的原理和定律；能量守恒定律是最基本、最普遍的自然规律之一，具体到电路中的能量并不是取之不尽用之不竭的，有一些能量的转化具有方向性，很难再次利用.能量意识与实践是让学生认识到能量可持续发展的意义，具有节能意识，并能够利用相关知识指导实践.

2.2 单元教学课时实施框架

本单元从电路中电能的本质、电能的转化与守恒、电路中能量意识与实践3个维度设计单元教学内容，课时安排按照如图2所示内容开展.其中第1节课将教材中“电路中的能量转化”将教材中相关内容进行了整合与关联，是本章的重中之重，着重体现了以能量观念为引领的学习主题设计，是整个单元进行其他内容和知识教学环节的基础.在第1课时，将电路中能量的转化直指与之相对应的功能关系，并借助微观模型构建的科学方法，不仅将电功、电热等概念有机地结合起来，并且从微观的角度将能量守恒的本质推导出来，帮助学生形成能量转化与守恒的物理观念.单元课时分配与教学内容框架如表1所示.

表1 “电能 能量守恒定律”单元课时分配与教学内容框架

图2 “电能 能量守恒定律”单元课时及内容设计

2.3 以素养为导向的单元学习目标设计（表2）

表2 “电能 能量守恒定律”单元基于物理学科核心素养导向的学习目标设计

2.4 教学活动设计

以能量观念为引领的单元学习主题设计，主要体现在本单元的第1 课时“电路中能量的转化与守恒”中，具有挑战性的学习任务与活动是通过一系列承载着核心知识的驱动性任务完成的.下文主要介绍本单元中第1课时的驱动性任务设计（如图3）.

图3 “电能 能量守恒定律”第1课时教学活动设计

环节1.电路中的能量转化.

驱动性任务：如图4所示，各小组学生将实验桌上的电路连接好，使用电器能够正常工作，分析这些电学实验中能量是如何转化的？

图4 学生分组电学实验

教师提问：以前学过的重力势能、动能、电势能，这些能量的转化是如何实现的？

设计意图：通过各种各样的电学实验，激发学生的兴趣和好奇心，让学生体会电能与不同形式能之间是可以相互转化的，并通过复习重力势能、动能、电势能的转化过程，得出能量的转化是伴随做功实现的.从而引出本节课的主题——电路中的能量转化与守恒.

学生的思维活动由观察和问题引起，又在不断复习和分析问题中得到发展，从而逐步培养学生的物理学科核心素养.

环节2.电路中的能量守恒.

驱动性任务：在你们组的电学实验中，能量的转化过程遵循什么样的规律？请用公式表达出来.

学生：讨论交流，在学案上写出本组实验中能量转化过程的表达式，比如等等.

教师：让学生解释表达式的含义，并进行点评.根据学生的书写内容，结合电路中的能量守恒定律，总结出每个小实验中能量转化过程中满足E电=Q内+E其他，即电源产生的电能等于电源内阻生热与电路中的用电器转化为其他形式的能量之和.

设计意图：学生在初中物理中就知道自然界中能量是守恒的，但是根据电路中的能量守恒关系写出表达式还是有一定难度的，尤其是有一些学生写出来的不是能量关系，而是功能关系.锻炼学生尝试写出表达式的过程就是加深其对于电路中能量守恒关系的理解，将实验现象内化为客观规律，体会能量守恒定律在电学中的应用.

在这个电路守恒的表达式中，等号左边对应的是电路中其他形式能转化为电能的部分，等号右边对应的是电能转化为其他形式的能.下面我们就这两个方面分开研究.

环节3.电能转化为其他形式的能.

（1）电功概念的建立.

驱动性任务：我们都知道能量的转化伴随着做功，那么用电器工作时电能转化为其他形式能，是什么力做功使电能减少呢？

引导问题串：

①需要建立一个怎样的模型？

②导体中的自由电荷为什么会定向移动？

③如图5，假设电路两端电压为U，电路中电流大小为I，电荷带电量为q，从左向右定向移动经过这段电路的时间为t，推导电场力做功的表达式.

图5

④根据电场力做功，判断电荷电势能的变化，说明电能是如何变化的？

学生：讨论交流，在学案上根据引导性问题串写出推导过程.

教师总结：如图5，电能转化为其他形式的能，是通过电场力对自由电荷做功实现的.即W 电=E其他，电场力做了多少功，就有多少电能转化为其他形式的能.从而引入物理量：电功W=UIt，描述电能转化为其他形式能的多少.

（2）焦耳定律.

驱动性任务：如果电路中所消耗的电能全部转化为导体内能，想一想导体产生的热量是多少呢？

问题引导：

①从能量转化的角度推导焦耳定律.

学生：在学案上完成推导过程Q=E电=W电=UIt=I2Rt.

②建立电流的微观模型，从热量产生的原因及等效作用推导焦耳定律.

教师借助微观的物理模型，如图6，引导学生理解热量的来源可以等效为电荷定向移动时克服阻力所做的功，即

图6

设计意图：从“功能关系”的角度来理解电路中的能量转化过程，让学生建立章节之间的内容衔接.通过能量转化与守恒、微观模型的构建两个角度来推导焦耳定律，加深学生对于导体生热的微观理解，提高学生运用已有物理知识分析和解决实际问题的能力.

环节4.其他形式的能转化为电能.

（1）电源的内部结构.

驱动性问题：为什么电源能够源源不断地提供电能呢？

教师：引导同学们建立电源的微观模型如图7所示.

图7 电源内部微观结构

引导性问题串：

①假设电路中能自由移动的电荷是正电荷，分析电源内部正电荷的受力情况？

②电源内部的正电荷从电源负极跑到电源正极，需要一个怎样的力？

③这个力的大小如何？

④通过这个力做功，电荷的电势能如何变化，电能如何变化？

学生：讨论交流，在学案上完成解答过程，展示过程并解释原因.

教师总结：想让每一个正电荷从电源负极跑到电源正极，需要引入一个非静电力（电源内部非静电力是化学作用力或者其他形式的力.这里的模型只是一种理想模型，认为电荷在电源内部移动时非静电力是恒力）.通过非静电力做功，使电荷的电势能增加.所以，电能的产生是通过非静电力做功实现的，即

而且电源中每个电荷是匀速率运动的，所以每个电荷受力平衡.

设计意图：通过驱动性问题，引发学生对于电源提供电能原因的思考，构建电源的微观模型，让学生经历非静电力建立的完整过程，培养学生的质疑创新能力，借助已有知识分析和解决问题的能力.

环节5.全电路的功能关系.

引导性问题串：

①由电源中电荷的受力关系，可以得出各个力的等量关系，以及各个力做功之间满足怎样的关系？

②各个力所做功分别对应的是哪些能量？

E电（电源产生的电能），Q电源（电源内阻生热），E其他（电能转化为其他形式能），即W非=E电，

③你能得出什么结论？

设计意图：再次从功能关系理解电路中的能量守恒，达到首尾呼应的效果.

板书设计如图8.

图8 “电能 能量守恒定律”第1课时板书

在第1节教学内容，突出了电路中能量观念的引领作用，也从功能关系的角度深入理解能量转化过程中的守恒关系，在本单元的教学中起到了奠基和铺垫的作用.在后续的3节课中，教师可以在第1节课的基础上，由非静电力做功引出电动势的概念，由能量守恒关系推导出闭合电路欧姆定律，以及利用闭合电路欧姆定律去推导路端电压与负载的关系.在此基础上讲解测量电源电动势和内阻的实验原理.最后1 节课介绍我国的能源现状，鼓励学生提高环保意识节能意识.

2.5 评价方案设计

在本单元的教学中，学生核心素养的培养与发展是通过一系列驱动性任务组成的学习活动来实现.要诊断学生的素养水平以及能力进阶的实际情况，就要设计好持续性评价方案，即评价目标、评价标准、评价任务、评价方式与评价工具，［4］具体的评价方案设计如表3.

表3 第1课时学习评价方案设计

3 结语

本文是基于深度学习理念指导下的单元教学设计，是一次从理念到实践的探讨.“电能 能量守恒定律”一章的单元教学设计从主题的选取、教学目标的设定、活动以及驱动性问题的设计、评价方式设计等环节出发，形成以能量观念为引领性学习主题，以目标体现深度学习的要求，以活动确保深度学习的有效开展，并着重描述了以第1 课时的教学设计方案、流程与评价方式，围绕着能量观念的引领性主题如何开展教学设计进行了一定的探索实践.基于深度学习的单元教学设计对转变学生学习方式、引导学生从浅层学习进入深度学习、让学生的互动更加体现出思维深层次的碰撞，同时又在深度学习的过程中促进学生整合迁移意识、高阶思维能力与学科素养的培养.