基于ETA物理认知模型促进核心素养发展

摘 要：本文基于物理教育现况、目标和本质，在“机械能守恒定律”教学过程中利用ETA物理认知模型帮助学生经历实验物理、理论物理、应用物理三个认知阶段，传授相应的物理方法，渗透相应的物理精神，以达到培养学生物理学科核心素养的课程目标。

关键词：物理教育；物理认知模型；核心素养；机械能守恒定律

1 我国物理教育现况及教育目标

1.1 我国物理教育现况

1949年中华人民共和国成立初期，我国亟需发展科学技术。为追求快捷高效，物理教育更多强调的是学生的知识应用能力，忽视了知识背后所蕴含的物理方法和物理精神，导致培养的学生难以进行创新实践。在现今教学中，从情境中抽象出模型并寻求问题解决路径这一关键能力也常被忽略。这导致学生不能深刻理解所学知识、不能活学活用，使得他们的问题解决能力得不到有效提升。穆良柱教授对此进行研究分析，指出出现这些现象的原因之一便是学生的关键能力未得到应有的锻炼和培养，这也是“钱学森之问”的部分原因。［1］

1.2 我国物理教育目标

习近平总书记在党的二十大报告中指出要以中国式现代化全面推进中华民族伟大复兴。中国式现代化是经济、政治、教育等多领域的现代化，涵盖着人的现代化。［2］这决定了新时代的人才应既有知识储备，还具备关键能力。而物理教育担当着培养学生关键能力的重任。因此，新时代的新征程无疑对物理教育提出了更高的要求。

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中，高中物理课程的目标由原来的三维目标转变为培养学生的物理学科核心素养，对学生的关键能力提出了更明确的要求。例如，在三维目标中并未提及学生经过高中阶段的学习应掌握哪些科学思维的方法；但在物理学科核心素养中，明确了应培养学生模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等品格与能力以培养学生的科学思维。［3］在显化科学方法后，物理教学目标变得更为具体、清晰，对指导教学实践具有更强的现实意义。该课程目标的确定，对改变灌输式教学、培养学生关键能力、促进物理教育问题的解决具有重要意义。

2 物理教育的本质：传承物理文化

相较于知识灌输，穆良柱教授认为，物理教育本质是物理文化的传承。这一过程的核心便是物理认知模型的建构（如何思考）、有效的物理方法的训练（如何做事）和物理精神的培养（如何做人）。［4］

2.1 ETA物理认知模型

物理是物理学家利用实验和理论相结合的方式，对自然界的客观现象进行有效认知的积累。这些认知具备可证伪性，即在人类认识世界的过程中，错误的理论将会在未来实践中被证明并被剔除。［5］而具备关键能力是证伪的重要前提之一。穆良柱教授通过对物理学家探索实践的规律进行总结，归纳出了ETA物理认知模型。［6］该模型由实验物理认知、理论物理认知、应用物理认知三个阶段构成，分别涵盖了不同的认知过程及常用的物理方法（见图1）。

2.2 物理方法与物理精神

在物理学发展史上，物理学家在实践中总结出了多种问题解决方法，如推理与实验相结合、等效替代法等，为进一步的科学研究奠定了方法论基础。在科学探究中，物理学家们逐渐形成了实事求是、坚持不懈等品质。这些品质共同构成了内涵丰富的物理精神。它激励着后人不断探索、追求真理，推动着物理大厦的进一步建构和完善。

学生接受的物理教育应有机结合物理认知、物理方法和物理精神。即学生要通过一定的认知方式建构对世界的客观理解，结合习得的物理方法形成关键能力解决实际问题和再探索，更要秉持物理精神，坚持正确的发展方向。

2.3 物理文化与物理学科核心素养的培养

将物理文化与物理学科核心素养的内涵进行比较，可以发现两者有异曲同工之妙，其关系如图2所示。实验物理认知，即自真实情境中确定研究对象和问题从而寻找实验规律，它和科学探究的要素（问题、证据、解释、交流）基本一致。在理论物理认知阶段，习得物理概念和物理规律都将有助于学生物理观念的形成。在物理方法方面，物理学家探索世界积累的科学方法便含有科学思维所强调的模型建构、科学推理等要素。在物理精神方面，贯穿物理研究过程、追求科学本质、形成科学态度和责任等理念和态度，至今仍被倡导。在完成实验物理和理论物理的认知建构、以及物理方法和物理精神的培养后，学生将能利用知识技能，秉持积极的态度进行实践创新，达到物理教育的目的，促进物理学科核心素养的发展。

基于以上分析，利用ETA物理认知模型能协助学生建构由现象到本质再到知识应用的认知路径，形成关键能力，从而使学生能将相关方法和思想迁移至陌生情境，发展其核心素养。本文以人教版高中物理教材必修第二册中第八章第4节“机械能守恒定律”的教学为例，利用ETA物理认知模型进行教学环节设计。

3 利用ETA物理认知模型进行教学环节设计

3.1 教材分析及思考

教材在学生理解“功是能量转化的量度”的基础上进行演绎推理，从而推导出机械能守恒定律，最后再进行实验验证。然而，定律是反映一定条件下的客观事实，应当由大量事实经验、实验总结、以及科学猜想证实得到；而定理是逻辑证明下的陈述，是在定律的基础上，借由数学工具推导得来的。因此，教材所安排的教学路径下所得到的应是“机械能守恒定理”，而非“机械能守恒定律”。［7］另外，相对于探究实验，先进行逻辑推理再进行实验验证，在一定程度上限制了学生思考的广度和深度，也不利于培养学生由现象探索事物本质、解决问题的能力。

因此，本次教学设计将验证实验改成探究实验，帮助学生建立起由现象到本质再到问题解决的学习路径，培养学生的关键能力。

3.2 建构实验物理认知，培养科学探究能力

3.2.1 观察物理现象，把握认知起点

教师带领学生进行演示实验（见图3）。

演示实验A：将小球于圆弧状轨道内某点释放，让学生观察小球的运动特点，并多次改变起点进行实验。

演示实验B：将系有小球的细线固定至O点，使小球做单摆运动，让学生观察小球的运动有何特点，思考生活中是否有类似情景；再多次在竖直方向改变O点的位置，保持起始高度不变，引导学生猜想小球运动轨迹是否相同。

通过实验创设情境，让学生观察到各情境下小球都能回到起点，联想到生活中的类似情景，可以激发学生的感性认识。这两个实验与重力势能转化为动能的自由落体运动不同，它们还涉及动能转化为重力势能的过程，更具说服力。演示实验B通过改变O点位置，制造悬念，激发学生学习兴趣。

3.2.2 挑选研究对象，进行抽象概括

实际情境中涉及的对象往往较多，一般采取简化法挑选研究对象。通过实验，能直观地看到小球运动过程中的特殊表现；因此，确定小球为该情境的研究对象，在研究过程中可进一步将其抽象为质点。

3.2.3 明确研究问题，确定研究方向

确定研究对象后，教师结合实验现象，确定研究问题：为何小球能回到起点？运动过程中是否存在一个不变的物理量？

3.2.4 量化描述性质，确定研究角度

在本节课前，学生已经学习了运动学、动力学以及势能、动能等概念。接下来，学生将会利用已学知识尝试解释该特殊现象。

此时教师可将学生分为两小组，分别讨论能否从动力学角度、能量角度解决该问题。从动力学角度进行分析时，学生可以发现，由于小球受力不断变化，加速度也在不断改变，问题分析难度较大。从能量角度思考时，学生会联想到学习过的动能定理。由于动能定理不涉及物体运动过程中的加速度等因素。因此，或许能从能量角度解释该特殊现象。在不计空气阻力时，该过程涉及的能量包括动能和重力势能。

相对于直接引导学生从能量角度分析问题，引导学生由现象及研究问题进行思考，更能帮助学生调动学过的知识技能尝试解决问题。这使得学生在未来遇到陌生情境时，也能通过自主思考寻找解决问题的路径。

3.2.5 寻找实验规律，探寻现象本质

依据研究问题，基于问题引导，本文设计的探究实验如下。

【形成猜想与假设】

问题1：演示实验A中小球从A点到C点的过程中能量有怎样的变化？

问题2：根据对能量转化的分析，结合研究问题，你会做何猜想？

小球从A点到B点的运动过程中，重力势能转化为动能；从B点到C点的运动过程中，动能转化为重力势能。小球的重力势能增加时动能减少，重力势能减少时动能增加。依据研究问题，学生可做猜想：小球增加的动能（重力势能）等于减少的重力势能（动能）。结合机械能定义，学生可以得出“小球运动过程中的机械能守恒”的猜想与假设。

【设计实验与制定方案】

问题3：该实验应测量哪些物理量？如何设计数据记录表？

问题4：针对应测量的物理量，应选择何种实验器材且如何组装？

提供实验器材：半圆弧轨道、小球、光电门、天平、米尺、白板。

该实验应测量小球在各点处的重力势能及动能。以B点所在的平面为零势能面，则应测量小球的质量、A点和C点分别与B点的竖直高度差、小球经过A、B、C点时的速度，设计以下的实验数据记录表（见表1）。

小球质量m＝""" kg。

【获取和处理信息】

学生根据实验数据分析可得：从A点到B点，小球重力势能减少量近似等于动能增加量；从B点到C点时，小球的重力势能增加量近似等于动能减少量；各点处小球的机械能近似相等，但呈现由A点到C点逐渐减小的趋势。

【得出结论并作出解释】

在忽略阻力的情况下，仅有重力做功时，小球重力势能转化为动能且机械能守恒。

【交流、评估与反思】

问题5：该实验的误差主要源于哪些方面？

误差主要源于小球克服各种阻力做功引起的系统误差、测量各点间竖直高度差及测量小球速度时产生的偶然误差。

教师引导学生通过探究多种仅重力做功的运动中机械能的变化情况，使实验结论更具说服力。

同时，仿照以上程序，教师可以引导学生探究系统内只有弹力做功时，系统机械能的变化情况，为建立机械能守恒定律奠定完备的实验基础。

3.3 建构理论物理认知，促进能量观念的形成

3.3.1 建立物理模型，培养建模能力

提问1：蹦极是一项非常刺激的户外运动，忽略空气阻力，蹦极的整个过程的能量转化是怎么样的？人与弹力绳所构成的系统是否满足机械能守恒定律呢？

将人抽象为质点，其与一端固定的弹力绳相连。最初，弹力绳未被抻直，人做自由落体运动，此过程中重力势能逐渐转化为动能。随着弹力绳被抻直并逐渐被拉长，重力势能和部分动能开始转化为弹性势能。随后，弹性势能又转化为动能和重力势能。对于人与弹性绳所构成的系统，由于系统内仅存在弹力和重力做功，因此该系统的机械能是守恒的。

模型建构是科学思维的要素之一，是学生学习物理的一项关键能力。教师通过简单实例帮助学生建构起满足机械能守恒定律的模型，以期学生在遇到复杂情境时能进行抽象概括、建构模型，进而解决问题。

3.3.2 建立公理认知，形成正确能量观念

提问2：蹦极过程中，人自身是否机械能守恒？

学生思考：除自身重力外，人还受到弹力的作用，在该过程中不满足机械能守恒的条件。

许多物理定律有其自身的适用条件。如牛顿第二定律适用于宏观、低速运动的物体；超出该条件，定律将不再适用。机械能守恒定律同样如此。上述的实验探究、模型建构、条件界定，使学生进一步理解系统的概念，明确机械能守恒定律的适用条件，引导学生科学表述机械能守恒定律。在只有重力或弹力做功的系统内，动能与势能可以相互转化，而总的机械能保持不变。根据表述，利用符号写出表达式E_k1＋E_p1＝E_k2＋E_p2或ΔE_k＝－ΔE_p。

3.3.3 实验证伪检验，体验演绎推理

实验结果应经得起实验和理论的反复检验。在实验证伪检验阶段常用特例法，相较于单摆等，物体做自由落体运动时仅受重力作用，它是否满足机械能守恒定律？此时教师可引导学生进行实验证伪检验。

提问3：能量为何发生转化？能否利用物理语言推理论证机械能守恒定律呢？

3.4 建构应用物理认知，提高解决问题能力

3.4.1 预言可能事件，解释已有现象

任务1：预言图3中演示实验B中小球在改变O点位置后的运动轨迹，是否与之前的猜想一致？利用理论解释该现象，再结合演示实验进行验证。

3.4.2 技术发明创造，发展创新精神

任务2：当“悠悠球”的线缠绕好后将其自由释放（见图4），不施加额外的力（不计空气阻力和摩擦力），机械能是否守恒？根据“悠悠球”原理制作“麦克斯韦滚摆”（见图5）。

该环节旨在一方面促使学生运用所学知识来预测并解决情境引入时提出的问题，另一方面则引导学生进行创造性实践，从而锻炼学生的思考能力和动手能力。

4 评价反思

在评价环节，教师可以依托ETA物理认知模型的各个环节对教学过程进行评价总结，及时将过程性评价结果反馈给学生。例如，在实验物理认知阶段，教师除了肯定学生较好的实验思路和操作外，还应指出学生在实验过程中存在的不足并讨论改进策略；在理论物理认知阶段，若学生出现了科学性错误，教师应及时指出并以做实验或举例子等方式帮助学生修正；在应用物理认知阶段，除了设置固定的任务，教师也可让学生思考该定律的其他应用，以对其迁移、创新能力进行评价。

对于学生而言，认知路径的确定和关键能力的习得，有助于学生利用该模型完成其他新知识的建构与形成核心素养，能在一定程度上解决现有的物理教育问题。同时，通过这一过程，学生能够深刻理解知识之间的内在联系。这不仅有助于学生巩固旧知识、内化新知识，还能促使他们建构完整、系统的知识网络，有效防止知识碎片化现象的发生。

教师在各个教学环节中灵活运用情境教学、问题导向教学等多种教学策略，才能为学生创造更多深度思考和交流互动的空间，从而更有效地实现物理教育的核心目标。

因此，利用ETA物理认知模型进行教学环节设计，教师和学生都能在不同程度上发挥自身的长处，共同成就理想的教学过程、传承物理文化。

参考文献

［1］［4］［5］［6］穆良柱.什么是物理及物理文化？［J］.物理与工程，2019，29（1）：24，24，16，17-18.

［2］郑金洲.“中国式现代化”的教育意蕴［J］.中国教育学刊，2022（12）：1-7.

［3］彭前程.《普通高中物理课程标准（2017年版）》的变化［J］.课程·教材·教法，2018，38（9）：99-106.

［7］王高.“机械能守恒定律”教学的深度探究［J］.物理通报，2014（9）：48-51.