基于单元设计的高中物理教材能量概念进阶研究——以粤教版“机械能及其守恒定律”为例

杨 博，张军朋

华南师范大学物理与电信工程学院，广州 510006

能量是科学领域最基础、最核心的概念。在物理课程中，能量观念作为物理观念的组成部分，构成了物理核心素养中具有基础性和重要性的一环。同时，整合和发展作为当今科学课程改革的核心理念[1]，具体到“能量观念”的教学中便是围绕“大概念”组织能量概念，并通过学习进阶的设计，实现学生螺旋式思维的发展。落实到教学实践上，其中一种思路便是打破课时限制，开展整体化有序的单元教学[2]，进行单元教学设计。

综上所述，围绕大概念和学习进阶进行教材分析有助于在整合与发展的理念下开展单元设计教学。本文以新粤教版高中物理正文部分（以下简称“教材”）为例，研究教材必修二的能量概念的进阶框架。

1 高中物理教材中能量概念进阶框架

1.1 理论框架

Yao等人结合“能量关键概念”以及“学生发展能量概念的过程”两个维度，经验证后提出了一个二维精细化能量进阶框架[3]。该框架的横轴为能量的四个关键概念，纵轴为四个概念发展层级。本文理论框架由两个维度组成，横向维度按照教材顺序构建不同主题内容下能量相关概念、规律之间的联系；纵向维度根据科学概念理解发展层级，建立教材中能量概念进阶的连接。

（1）能量大概念

大概念包括共通概念和核心概念，共通概念侧重跨学科内容，而核心概念侧重整合某一学科内的知识[1]。本文中的能量大概念指在物理学科中能量相关核心概念的组织。参考许浩[4]、姚鸿栋[5]、伍苗苗[6]等人的研究，将能量大概念分为能量本质与形式、能量转移和转化、能量守恒三个维度，如表1所示。

表1 高中物理能量大概念条目

新课标中的高中物理课程结构中与能量相关的主题如表2所示，本文选取粤教版高中物理教材必修二中“机械能及其守恒定律”模块为例。

表2 新课标中与能量相关的主题

（2）能量概念发展层级

北师大郭玉英团队在层级复杂度和知识整合等认知理论的基础上，经数轮的实证检验，提出了科学概念理解的层级模型，分为经验（Facts）、映射（Mapping）、关联（Relation）、系统（Systematic）及整合（Integration）[7]，细化到物理观念领域中。西南大学毛予廷[8]提出层级模型，而后有学者将其发展为学习进阶五级模型，包括物理现象、物理概念规律、物理核心概念、物理子观念、物理观念[9]。新课标中也对物理观念水平进行了划分，基于以上参考文献，界定能量概念发展层级如表3所示。

表3 能量概念发展层级

1.2 教材能量概念进阶框架

建立分析框架，从横向和纵向两个维度对教材中能量概念的组织进行研究，如图1所示。

图1 教材能量概念进阶框架

由图1可知，横向主要考查教材中不同核心概念之间通过物理概念、物理规律进行联系的方式；而纵向侧重于分析教材是如何描述物理现象的，进而研究从物理现象到物理概念、规律，再到物理核心概念，最后到能量观念的联系和进阶过程。不同的能量概念、不同发展层级之间使用箭头进行连接。本文使用的主要连接词及其涵义如表4所示。

表4 主要使用的连接词及其涵义一览表

2 基于单元设计的高中物理教材分析

“机械能及其守恒定律”主题模块内容来自必修二第四章，涉及到的物理概念有功、功率、动能、重力势能、弹性势能等，涉及到的物理规律有功的计算、正功和负功、做功与能量变化的关系、重力做功、动能定理、机械能守恒定律等。

根据课程标准，“机械能”概念在必修一“机械能及其守恒定律”主题模块下主要围绕“功和功率”“动能和动能定理”“重力势能”以及“机械能守恒定律”四个内容展开，从现象到定理再到定律逐级深入。机械能是学生首次接触到守恒这一物理思想，对于学生能量观念的形成有着重要的意义；以功和能的概念及功能关系为基本线索，从能量视角出发的研究范式也会为学生之后学习电势能、内能等内容打下基础。

2.1 功和功率

功是能量变化的量度，也是学习机械能的基础，对功、能概念和功能关系的理解贯穿整章内容。首先，教材中展示多个生产生活中的例子，如“起重机吊起重物”中的“吊”“起”暗含力与位移两大要素，从而总结出功的定义，唤醒学生的先验知识。接着，从功的定义推导功的计算。高中对功的计算理解要求在初中的基础上进一步拓展到当力与位移成一定角度时的计算及正、负功的含义。

此外，教材从功和能的联系入手，用挥动的铁锤能改变铁条的形状（对铁条做功）说明运动中的铁锤具有能量，而铁锤在对铁条做功时，两者的能量发生了转化，点明做功与能量变化之间的关系，总结出功是能量变化的量度，为后续的学习进行铺垫，同时也将学生对功的理解提升到能量本质。

在功率上，教材先从实际情境出发，通过比较人力和机械做功的快慢引入并总结得出功率的定义，重点在于对比功率的不同表达式，进而应用公式计算实际问题，并对生产生活中常见的机械功率有一定的了解。

在教学中教师应该抓住提高学生对功理解的目的，同时为“机械能”大概念的学习作铺垫，让学生初步将功与能联系在一起，深化对能量本质和形式的理解。

2.2 动能、动能定理

在“动能、动能定理”中，课标的要求是理解动能、动能定理，并能解释生产生活中的现象。教材在课前引言中举“乒乓球被击打后飞向对手”等例子，将乒乓球因球拍施力的作用而运动一段距离所具有的能量总结为动能。

从有初速度且只受摩擦力做功的运动物体出发进行推导，延伸出在受外力的情况下合力对物体所做的功与物体动能变化量的关系，得到动能定理。此处对于基础较好的学生，教师进一步通过验证性实验将恒力推广到变力情况下的动能定理。重点是让学生在这个过程中体会运用动能定理解决问题的思路：做功的过程引起物体动能状态的变化，不同于用牛顿运动定律解决问题的思路，其中蕴含着能量转化和转移的思想。在应用方面，三个生活中常见的不同情境的例子让学生初步体会利用动能定理解释实际问题，进而提高解决问题的意识和能力。

在教学过程中，教师在第一节的基础上抓住功是能量变化量度的指导思想得到动能，分析其特点，进一步推导得到动能定理，在解决问题的过程中反复对比两种视角的不同之处，体会运用能量观念解决问题的优越性，最后落地于实际问题的解释和解决，同时从“机械能”大概念的视角上渗透能量转化的观念。

2.3 势能

通过对动能和动能定理的探讨，学生对功能关系的应用有了一定的了解，此时“势能”一节更大程度上是对功能关系的初步应用。课标对“势能”的要求是理解重力势能，同时定性了解弹性势能。教材举例：“耸立”在峭壁上的石头落下时能在地面上“砸出很深的坑”，强调是由于物体处于某种状态而造成的作用效果，再通过复习初中已学过的重力势能概念，类比研究动能的思路，从重力做功的角度出发推导功能关系。重力势能的另一个特点是相对性，教材选用了“书架中的书”进行讨论。为了让学生对势能这一概念有整体的了解，教材通过“上紧的发条”对弹性势能展开定性分析。

本节既有与之前学习内容的共同之处，即都是利用功能关系讨论机械能的某一种形式，又有不同之处，这是重力本身作为保守力带来的特点。在教学中应围绕动能和势能的同与不同展开，作为学生“机械能”大概念的重要组成，强化学生的认识。

2.4 机械能守恒定律

机械能守恒定律既是对前面所学内容的总结，也是进一步学习能量守恒的铺垫。课标对于机械能守恒定律的要求是进行验证性实验；理解、体会守恒观念；用机械能守恒分析生产生活中的问题。

教材使用了三节的内容，围绕机械能守恒定律的原理、验证和应用三方面展开。首先，通过人骑自行车下坡时车速增大引入机械能的概念；再通过网球下落回弹、蹦极、撑杆跳等例子定性分析动能与势能的相互转化过程，深化学生对机械能转化的认识；最后，通过自由落体问题进行理论验证，遵循从特殊到一般的建构思路，抓住“追寻守恒量”渗透守恒观念。

根据以上讨论，结合教材内容，整理得到机械能及其守恒定律这一核心概念中能量观念的建构框架，如图2所示。

图2 粤教版高中物理必修二中能量概念进阶框架

3 总结

结合单元设计开展教学工作能够促进从整体的角度对课程内容进行组织，进而从更加上位的角度对学生物理观念的形成进行整体规划。本文先是从大概念和科学概念理解发展层级的角度出发建构教材能量概念进阶框架，再利用所得框架对教材进行横向及纵向分析。只有高屋建瓴地进行整体规划，才能实现从“教教材”向“用教材”的转变。