物理核心素養下的“機械能守恒定律”教學

□陳信余

（廣州市教育研究院，廣東廣州 510030）

物理核心素養下的“機械能守恒定律”教學

□陳信余

（廣州市教育研究院，廣東廣州 510030）

物理核心素養一詞概括了物理學科的教育價值，并將其作為教育目標來引領課程、教材和教學的改革方向.機械能守恒定律的教學適合物理核心素養的要求.機械能守恒定律的教學不適合采用陳述性和程序性知識的表達方式來處理，而適合通過“同化”與“順應”來處理.機械能守恒定律的教學價值：尋找轉化規律，建立守恒觀念，學習并掌握物理學研究問題的一般思路——從簡單到復雜，從特殊到一般.

物理核心素養；機械能守恒；同化；順應

一、機械能守恒定律的教學適合物理核心素養的要求

物理核心素養，是學生在接受物理教育過程中逐步形成的適應個人終身發展和社會發展需要的必備品質和關鍵能力；是學生通過物理學習內化的帶有物理學科特性的品質；是學生科學素養的關鍵成分.物理核心素養主要由“物理觀念”“科學思維”“科學探究”和“科學態度與責任”四個方面的要素構成.這四個方面是相互聯系、共同發展的.物理觀念的形成過程是學生經歷科學思維和科學探究的過程，同時伴隨著科學態度與社會責任的發展過程和對科學本質的認識不斷深化的過程.基礎教育階段的物理課程用物理核心素養一詞集中概括了物理學科的教育價值，并將其作為教育目標來引領課程、教材和教學的改革方向.

機械能守恒定律是力學中一條重要的定律，是更普遍的能量守恒定律的一種特殊情況.但由于機械能守恒定律的條件（系統內只有重力和彈力做功）苛刻，所以機械能精確守恒的情況比較少見.另外，由于容易混淆重力勢能與重力做功，在應用機械能守恒定律解題時，往往會使用動能定理來代替，動能定理的使用范圍要比機械能守恒定律寬泛得多.從解題的角度來看，機械能守恒定律在物理學中沒有什么優勢，為什么物理教材上和教學中還要用大量的篇幅來討論這個問題呢？從初中的定性介紹到高中的定量計算，再到大學對質點組機械能守恒定律的學習.

這是由于機械能守恒定律的教學適合物理核心素養的要求，在物理學中有重要的地位、作用和價值.結合自由落體運動，通過看得見的變化——高度與速度變化，提出探究問題——高度是否轉化成了速度？利用已知知識，尋找轉化規律，得到看不見的守恒量.完成知識構建的過程中，形成了能量和守恒的觀念、經歷了探究過程、進行了科學推理、培養了認真負責的科學態度，從而達成了教學目標、發揮了該教學內容在培養物理核心素養方面的作用與價值.

那么，如何教學機械能守恒定律才能突顯其地位，發揮其作用，實現其價值呢？下面以高中物理課堂教學為例，在分析與思考現行普遍以知識傳授機械能守恒定律的基礎上，提出要通過“同化”與“順應”來實現機械能守恒定律的知識構建，達成教學目標、凸顯其在物理學中的地位和作用，實現其教學價值和物理核心素養的要求.

二、對以知識傳授機械能守恒定律教學的分析與思考

（一）現行比較普遍的授課方式

由于對機械能守恒定律在物理學中地位、價值和作用的理解不同，教學的方式、方法也就不一樣.表1所示的是現行高中比較普遍的一種教學方式.

（二）分析與思考

1.情境引入

給出的這個情境與能量的結合有點牽強，學生不能就這個情境很好地回答“問題一”.因為能量是看不見的，看到的只是擺球的運動形式、速度和高度在變化.

希望從機械能守恒的角度來回答“問題二”，進而引出機械能定恒定律，并為推導鋪墊.這個過渡很難、也不是必然的.

這個教學設計中所提供的情境不能很好地引出機械能守恒定律，只是給學生在視覺、聽覺的沖擊，在激發學生的學習情緒和興趣，調動學生注意力等方面有一定的價值，對尋找守恒量以及機械能守恒定律的理解沒有什么幫助.學生不能根據情境在心理上得到明確的暗示，因為擺球來回擺動、快慢變化、升降交替這些表層現象會左右學生的思考，這樣教學不能很好地完成機械能守恒定律的知識構建，反之，如果用已經構建了的機械能守恒定律來解釋該情境中觀察到的現象就順理成章了.

表1

2.理論推導

推導時選擇了豎直下落的物體為研究，學生無法將該情境與課堂教學引入的情境結合起來思考.一個豎直下落，做直線運動；一個來回擺動，做曲線運動.可以看出，這個教學設計的引入不能很好地切入主題，引而不入，教學效果不理想.

另外，在推導時對動能和重力勢能的表達使用了綜合（如Ek、Ep）方式，而不是用具體分式（如來表達，這樣處理會在認知上增加學生的困難.

3.歸納總結和應用舉例

歸納總結這個教學環節采用了陳述性知識的表述方法來處理，即關于事物及其關系的知識，或者說是關于“是什么”的知識，包括對事實、規則和事件等信息的表達[1]190.也即：只有重力做功的情形下，動能與重力勢能可以轉化，但總量保持不變.

應用舉例這個教學環節采用了程序性知識的表述方式來處理，即是關于完成某項任務的行為或操作步驟的知識，或者說是關于“如何做”的知識.它包括一切為了進行信息轉換活動而采取的具體操作程序[1]190.也即：首先，判斷是否只有重力做功；其次，選定零勢能面，明確始末狀態并確定對應的機械能；最后，利用機械能守恒定律列式求解.

由分析可知，以上的教學設計不能很好地讓學生經歷機械能守恒定律的知識構建、形成能和守恒的物理觀念，而僅僅當作現成知識進行傳授，所以學生認識不到該定律在物理學中的地位、作用和價值，僅從解題方面這個角度，覺得它在物理學中沒有什么優勢.

三、通過“同化”與“順應”來完成機械能守恒定律知識的構建

“同化”與“順應”是學生參與和經歷知識構建的兩個重要過程.皮亞杰(J.Piaget)認為學生是在與周圍環境相互作用的過程中，逐步建構起關于外部世界的知識，從而使自身認知結構得到發展.學生與環境的相互作用涉及兩個基本過程：“同化”與“順應”[2].

“同化”是指把外部環境中的有關信息吸收進來并結合到學生已有的認知結構中，即個體把外界刺激所提供的信息整合到自己原有認知結構內的過程，就像消化系統吸收營養一樣.

“順應”是指外部環境發生變化，而原有認知結構無法同化新環境提供的信息時所引起的學生認知結構發生重組與改造的過程，即個體的認知結構因外部刺激的影響而發生改變的過程.

機械能守恒守律的教學適合通過“同化”與“順應”來構建.物體僅在重力作用下的運動、動能和動能定理、重力和重力做功以及重力勢能，這些內容和知識都是學生已學過的，屬于學生的原有知識，學生容易“同化”而完成知識構建；而速度與高度之間的變化是否涉及能量的轉化？以怎樣的形式進行轉化？按照怎樣的規律轉化？機械能是否守恒？這些內容和知識不能與學生的原有知識直接發生作用，要通過“順應”來完成構建.

通過“同化”與“順應”完成機械能守恒定律的構建如表2.

（1）情境引入環節，創設了一個比較簡單的情境，目的在于利于學生發現并提出問題.科學探究源于問題，而問題在很大程度上源于對身邊事物的觀察與思考.觀察是科學發現的重要途徑，觀察是取得原始材料、擴大研究領域、構建科學假說、形成科學理論的基本方法.簡單的情境利于學生觀察與思考并得到心理暗示.

（2）現象可以被學生觀察到，但問題提出需要老師的幫助.提出問題在思維層次上高于觀察現象.由于學生有了高低、快慢的概念，直接將觀察到的現象與原有知識發生作用進行“同化”.而提出問題則是對未知的一種假設和猜想，減小的高度是否轉化成了速度？這是學生認知領域的一個新問題，學生“同化”不了這個新問題，必須用“順應”來處理.這個為下一環節的推導做好了鋪墊.

表2

（3）推導環節中，動能定理和重力做功與重力勢能變化關系、數學中的移項和恒等式變換是學生熟知的知識.利用學生熟知的知識，一方面為學生認知搭建臺階，另一方面利于學生“同化”.學生對變形得到的公式以及該公式的使用條件是陌生的，不能與學生的原有知識發生作用，“同化”不了，此時給出機械能的定義就是“順應”，即要用新的知識來處理問題.為了提出機械能守恒定律，以下兩個環節也是非常必要的，一是分析與觀察整個推導過程，是在不計阻力前提下推出來的，從而確定這種形式的條件.二是強調推導過程的狀態選取具有任意性，即說明整個過程都是滿足的.這種認證與說明的方法，也是學生沒有接觸過的.通過這個環節的“順應”，學生不僅增長了知識，還掌握了一種新的處理運動學問題的方法——守恒的方法，同時還學會了邏輯推理和論證說明的基本思路.

（4）由于經歷以上知識的構建，應用舉例環節就是讓學生嘗試“同化”，定性或定量應用機械能守恒定律.這個環節可采用程序性知識的表述方法來處理，即：選定研究過程、判斷是否滿足條件、選定零勢能面并確定始末狀態的機械能、利用機械能守恒定律列式求解.

由上分析可知，在這個教學設計中，“同化”之中穿插“順應”，在“順應”之中也涉及“同化”，在“同化”與“順應”的交替之中完成了機械能守恒定律的知識構建.在知識構建過程中明白了學習機械能守恒定律的意義和價值以及它在物理學中的地位.

四、機械能守恒定律的教學價值

如前所述，用機械能守恒定律解題，應該不是教學該內容的主要目的.學習機械能守恒定律，就是要學習并掌握物理學研究問題的一般思路——從簡單到復雜，從特殊到一般.尋求守恒量是物理學研究的一個方向，正如德國著名物理學家勞厄所說：“物理學的任務是發現普遍的自然規律.該規律最簡單的形式之一表現為某種物理量的不變性，所以對于守恒量的尋求不僅是合理的，而且也是極為重要的研究方向.”

通過“同化”與“順應”來完成機械能守恒定律知識的構建，就是希望通過看得見的變化——高度與速度變化，提出探究問題——高度是否轉化成了速度？利用已知知識（“同化”過程），尋找轉化規律，得到看不見的守恒量（“順應”過程）.在“同化”與“順應”的交替過程中，完成了知識構建，形成了機械能守恒的物理觀念，經歷了科學探究過程，進行了科學思維與推理，培養了認真負責的科學態度，從而達成了教學目標，發揮了該教學內容在培養物理核心素養方面的作用與價值.

［1］皮連生.學與教的心理學［M］.上海：華東師范大學出版社，2009.

［2］施良方.學習論［M］.北京：人民教育出版社，2001：172.