基于知識觀的教學設計差異分析——以機械能守恒定律教學為例

安金典 高 嵩

（山東師范大學物理與電子科學學院 山東 濟南 250014）

知識觀是人們對知識本身的總體認識和看法，是關于知識的本質、獲得方式和價值等多方面的基本觀點［1］.教師在教學中持有的知識觀是內隱的，但它深刻地影響著教師在教學中教學方法、評價方式等教學策略的選擇，甚至起到決定性的作用.反之，從教師不同的教學策略選擇也可以反映出教師知識觀的差異.本文展示的是在一次同課異構活動中兩位教師關于“機械能守恒定律”一節的教學設計，通過分析他們設計的課堂進程及作者附加的說明，可以深刻地體現出這兩位教師教學中所持有的知識觀的極大不同.因此，我們認為要促進教師的專業發展不僅要豐富其教學經歷和經驗，更重要地應該提升其教育理論水平，改變其知識觀.

1 教學案例一

事件1：復習已學知識，引入新課

教師展示各種物理模型，如圖1所示.

請同學們逐個分析每個物體動能和勢能大小是如何變化的，并以此說明動能和勢能之間可以相互轉化，進而提出在轉化過程中應該存在怎樣的定量關系，引出本節課的任務——以最簡單的“自由落體運動”為例進行推導.

圖1 各種不同的運動形式

說明：機械能守恒定律成立的條件是只有重力或彈力做功.但是實際情況卻十分復雜，所以在開始就給出學生日后做各種習題可能遇到的各種場景，便于他們以后順利地分析相關問題.

事件2：機械能守恒定律的理論推導——以“自由落體運動”為例

教師做出自由落體運動的示意圖，如圖2所示.帶領學生，根據動能定理和重力做功的特征，推導出物體從A點到B點的過程中，動能的增加量等于重力勢能的減少量.即

圖2 自由落體

教師進一步說明式（1）的左右兩邊分別表示小球在B和A兩點的動能和重力勢能之和，即小球的機械能，因此A和B兩點的機械能是相等的.鑒于A和B兩點選取的任意性，如果再換其他兩點進行計算，必定得到同樣的結果，即機械能在小球的整個運動過程中保持不變，至此推導出了機械能守恒定律的表達式.接下來，讓學生自行證明平拋運動中機械能也保持守恒.

說明：進行理論推導，提升學生運算推理能力，并且通過兩個例子之間的相互印證，加深學生對機械能守恒定律的理解和確認.

事件3：探討機械能守恒定律成立條件

教師引導學生分析這兩種運動情況的共同特征，得到這兩個運動過程中物體都只受到重力.此時教師強調“機械能守恒的條件是只有重力做功”這一條件.進一步請同學們利用這個條件考察圖1中的（c）、（d）、（e），學生通過思考討論，發現雖然3個模型中的物體除重力之外還受到其他作用力，但這些力都不做功.在此教師說明機械能守恒不守恒與物體受哪些力，沒有什么直接關系，只要除重力外的其他力不做功或者做功的代數和為零，同樣機械能守恒.因為只有重力做功，只是使物體的動能與重力勢能之間發生了相互轉化，但不改變機械能的總量，因而機械能是守恒的.

根據圖1中的（f）、（g）兩幅圖，并進一步說明彈力做功跟重力做功類似，只是使動能、彈性勢能及重力勢能間互相轉化，因而也不改變機械能的總量.

說明：讓學生尋找兩種守恒情況的共同特征可以培養學生總結歸納的思維能力，同時讓學生以得到的守恒條件去考察其他幾個模型可以培養學生應用知識的能力，也再次表明機械能守恒定律以及定律成立條件的普適性.

事件4：機械能守恒定律的內容

教師引導學生共同得到機械能守恒定律的內容：只有重力、彈力做功的情況下，物體的動能和勢能發生相互轉化，但機械能的總量保持不變.之后，教師給出不同梯度的習題，讓學生利用機械能守恒定律來解答.

說明：教師總結定律內容加深學生理解，要求學生完成習題以鞏固所學知識，同時可以對學生知識掌握情況進行評價.

2 教學案例二

事件5：演示實驗，引入新課

如圖3所示，教師演示銀針刺鼻實驗，立刻激起學生的強烈興趣.教師借機提問為什么銀針無法刺到自己，進而要求學生描述銀針的整個運動過程中速度、高度的變化情況.學生意識到銀針下擺過程中高度在降低，速度在增大；反之，上擺過程中高度升高，速度卻減小，并且每次擺到的高度基本相同，物體上下運動時存在某種轉換，似乎有種東西是不變的［2］.

圖3 銀針刺鼻的演示實驗

說明：銀針用質量稍大的金屬桿制作.在實驗前先讓學生猜測銀針從老師的鼻尖釋放再回來能否刺到老師，以引發學生的好奇.同時意識到守恒量的存在.

事件6：探尋相似情景，引發猜想

在此實驗的啟發下，教師請學生利用事先提供給他們的細繩、小球、彈簧、較光滑的斜面等器材，讓學生做定性感知實驗，例如小球豎直向上拋出后下落，小球滑上斜面后滾下，繩栓小球在空中擺動，固定在彈簧上的小球在豎直方向上下振動等，小組間交流看到的情景.進而教師請同學們聯想生活中類似場景，進一步深刻領會這種變化.那么這種變化關系是否是v2－v1＝h1－h2.學生討論分析后認為此式兩邊的單位都不相同，所以不正確.鑒于前面剛學習了動能和勢能的相關內容，有同學提出是否應該是

說明：利用多種實例讓學生發現不同情境間的相似性，更意識到這種關系的普遍性；教師有意提出的錯誤猜想能夠讓學生理解物理公式的建立的基本準則不僅是數的關系，而是數量的一致；學生由于剛剛學過動能和重力勢能的章節，又經歷了許多真實的實驗情境，很可能想到從能量的角度來加以解釋，況且有些學生已經預習，知道了機械能守恒定律的內容也會提出上述關系.因此學生的猜并非毫無根據的亂猜，而是基于現實情況及已有知識儲備的合理猜想.

事件7：實驗探究，驗證猜想

教師布置任務，讓學生以自由落體運動為例用實驗驗證剛才的假設是否正確.請同學利用提供的實驗器材（鐵架臺、打點計時器、電源、重物、紙帶、直尺）設計實驗方案，明確需要測量同一次下落不同位置的速度和高度，并計算相應的動能和勢能，以及動能、勢能之和，整理數據得出結論.

教師在學生自主進行實驗期間巡視指導，發現問題及時與他們討論解決.同時，允許小組間討論發現彼此的不足與缺陷，探討解決方案.實驗結束后，教師匯總各小組實驗結果，發現在誤差允許的范圍內，動能的增加量等于重力勢能的減少量.對于實驗數據中兩者存在微小差異的原因可以讓有興趣的同學利用課外探究課進行深入探討.

說明：課堂要兼顧教學的進度和學生的參與，所以有引領的探究可以讓學生的活動更加條理、有效，同時又不會剝奪學生的自主探究空間；讓有能力有興趣的學生課下進一步探究，體現了因材施教的思想.

事件8：機械能守恒定律的理論推導

教師進一步提出從做功的角度推導自由落體運動中機械能變化關系的任務，提示學生在自由落體運動過程中任取A，B兩點，分析從A到B動能的變化與勢能變化的關系，從而認識到由于只有重力做功，物體的重力勢能完全轉化為動能，下落過程中兩者變化量始終相等，而動能和重力勢能的和不會變化，即物體機械能守恒.

此時教師順勢指出彈簧等彈性物體，做功情況與重力類似，因此只要符合只有重力或彈力做功的情況，物體的機械能就守恒.

說明：實驗驗證加理論推導可構建完整統一的物理知識體系.通過這一過程使學生認識到理論應該與現實相一致；同時學生進行理論推導，有利于培養運算推理能力和對所學知識的綜合應用能力.

事件9：認識機械能守恒定律成立條件，領悟科學方法——追尋守恒量

教師與學生一起分析課堂列舉的各種實例，使學生認識到現實中機械能的不守恒是因為除了重力和彈力之外，還有摩擦力等其他的力做功，因此，機械能守恒的條件是只有重力或彈力做功.現實中如果物體受到的摩擦力或其他力非常小，也可以在誤差允許的情況下認為機械能守恒.

教師向學生講解尋找守恒量是一種非常有效的研究方法.自然界雖然復雜，但是事物間往往存在著關聯，尋找守恒量是物理學家們探究自然界中變化過程的重要研究思路，并且利用這種思路已經發現了自然界中許多的守恒量.教師進一步啟發學生當我們意識到有這種此消彼長的情況存在時，不妨也從守恒的角度分析一下，說不定又能發現新的定律呢.

說明：利用守恒的研究方法給予學生科學研究方法的熏陶，真正達到了培養學生科學素養的教學目的，體現了教師一種開放、建構的知識觀.

3 基于知識觀的兩種教學設計的對比

教師的知識觀決定著教師對課堂的組織情況.下面將從教學目標的設定、教學方法的選擇，以及對學生學習情況的評價這3個方面進一步分析前面兩位教師知識觀的不同.

首先，教師對知識本質的不同認識導致了其確定的教學目標存在差異.案例一中的教師是以學生掌握客觀的、確定的科學知識為根本目的，著重強調知識的完整性和結構性.而案例二中的教師不僅限于知識的掌握，同時還關注學生科學探究能力的提升，科學方法的領悟，力求實現的教育目的更加多元.

其次，兩位教師對知識獲得方式理解的差異致使其選擇了不同的教學方法.案例一中采取教師示范結合學生自行推導的方式得出機械能守恒定律，并加以驗證推廣，形成一般規律.其內部的邏輯關系是從個別到一般的知識歸納過程，寄希望于通過對諸多個別事物運行結果的歸納，獲得普遍的、確定的、客觀的知識.這種教學方法的特點是：

（1）追求知識內部的系統性、準確性，但忽視了與其他事物的聯系；

（2）關注符號的邏輯推理，試圖以嚴密的推理展示科學的嚴謹和權威性.

而案例二以真實實驗情境引入，采取學生自主實驗探究結合理論推導的方式得出機械能守恒定律，但這里的實驗和推理的作用與案例一中是不同的，它們是諸多現實中的一個特例，以此為例學生可以領會到驗證守恒的研究思路和方法.所以，這種教學方法的特點是：

（1）關注知識的情境性.無論是最開始的教師演示實驗還是學生自主探究實驗都將學生置于真實的情境中，既加強了知識與生活的聯系，又有利于學生對知識的自主理解和遷移應用；

（2）注重知識的生成性，學生對現實的解釋是不斷根據現實及已有知識經驗背景逐漸生成的；

（3）學生以小組合作探究經歷了知識的探索過程，具有社會建構性.小組內的同學互相合作共同以自由落體為例探尋機械能守恒，期間互相討論，互相幫助，激發學生對學習內容的關注以提升其參與程度的同時，可以交流彼此的思想，產生思維碰撞，共同學習科學知識和科學方法，完成新知的建構［3］.

第三，教師對知識價值的不同理解導致了其教學評價方式的不同.案例一中教師最后以習題的形式對學生學習情況進行評價，評判學生知識的掌握情況，這種方式關注學生對知識掌握情況.案例二中教師特別關注學生是否能不斷發現問題，并及時與學生探討解決方案，還鼓勵學生之間互相評價，相互討論而獲得合理的解決建議.這種方式注重的是學生的學習過程，其目的在于發現學生學習的問題，并及時予以幫助.這樣做可以有效激發學生學習興趣，提高學習專注度，而且有助于減輕學生壓力，給予其更多的學習機會.

從以上的對比可以看出，兩位教師的知識觀存在一定的差異.案例一所反映出的知識觀傾向于認為知識是客觀存在的真理，具有普遍性和確定性，認為學生只需經過嚴密準確的邏輯推理獲取這些客觀知識，并達到認知和傳承的目的.案例二所反映出的知識觀則更傾向于認為知識具有相對性、情境性和社會建構性.強調知識并不是一成不變的，會隨著認識的深入發生相應變革，因此知識的產生過程與知識本身同等重要.學生對知識的學習必須經歷在真實情境中同他人合作探究的過程，收獲科學知識和科學方法，陶冶科學精神和科學態度，方能完成自身知識的建構.

新課程標準提倡發展學生自主學習能力，養成良好的思維習慣；學習科學探究方法并能運用知識和科學探究方法去解決問題；培養堅持真理、勇于創新、實事求是的科學態度與科學精神.相比之下，案例二所反映的知識觀更加符合新課標要求，實現的教育目的也更加全面.因此，為了實現新課標要求，為了符合時代發展趨勢，也為了學生將來的成長，當代教師首先應當不斷更新的知識觀等教學觀念，在思想上完成改革，這樣才能更有效地促進自身的專業化成長.

1 潘洪建.知識觀的概念、特征及教育學意義.江蘇大學學報，2005，27（4）：1

2 吳法琴，何潤偉.機械能守恒定律科學探究的教學設計.物理教學探討，2006，24（5）：17

3 袁維新.從授受到建構—論知識觀的轉變與科學教學范式的重建.全球教育展望，2005，34（2）：18～20