高中物理能量觀念的教學(xué)探索與思考

沈 昊

(江蘇省常熟市梅李高級(jí)中學(xué) 215500)

物理學(xué)科的核心素養(yǎng)包括四個(gè)方面的內(nèi)容：物理觀念、科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.第一項(xiàng)內(nèi)容就是物理觀念，而能量觀念正是物理觀念的重要組成，在高中物理教學(xué)過程中，我們要關(guān)注學(xué)生能量觀念的培養(yǎng)，并指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用能量的相關(guān)規(guī)律和方法來分析和解決問題.

一、高中物理教學(xué)中的能量觀念

能量首先是一個(gè)基礎(chǔ)性極強(qiáng)的物理量，學(xué)生在高中物理教材中首次接觸“能量”這個(gè)概念是在必修二的第七章第一節(jié)“追尋守恒量——能量”.這一節(jié)的文本內(nèi)容中明確指明這樣的一個(gè)事實(shí)，即能量觀念實(shí)際產(chǎn)生于能量概念提出之前，伽利略在小球從某個(gè)斜面下滑后沖到對(duì)面的斜面上時(shí)發(fā)現(xiàn)，這時(shí)無論對(duì)面的斜面是陡峭一些還是平緩一些，小球都會(huì)在某一特定的位置減速為零，這個(gè)位置的高度和小球原先的出發(fā)高度相同.當(dāng)時(shí)的物理研究者以“小球好像‘記得’自己起始到的高度”來形容這一現(xiàn)象，當(dāng)然“記得”并非標(biāo)準(zhǔn)的物理語言，后來的物理學(xué)家則將這一事實(shí)表述為“有個(gè)守恒的物理量”，并且將其稱為“能量”.

在高中物理學(xué)習(xí)過程中，能量是在力學(xué)這一模塊引入的，從必修二第七章開始，學(xué)生在處理力學(xué)問題時(shí)，就要嘗試以能量來表征物體的力學(xué)特征，用能量轉(zhuǎn)化和功能關(guān)系來刻畫物體的運(yùn)動(dòng)過程.這就是能量觀念來力學(xué)模塊中的體現(xiàn)，第七章的名稱是“機(jī)械能守恒定律”，但是所涉及到的內(nèi)容卻相當(dāng)繁多，它包括功和功率、動(dòng)能和勢(shì)能的介紹、動(dòng)能定理、機(jī)械能守恒定律、功能關(guān)系等等.在知識(shí)編排的邏輯結(jié)構(gòu)上，教材先以“追尋守恒量——能量”一節(jié)開始引入能量的概念，隨后引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)功、功率、重力勢(shì)能、彈性勢(shì)能等基本概念，通過探究實(shí)驗(yàn)安排學(xué)生研究速度變化和功的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上引入動(dòng)能定理，當(dāng)學(xué)生對(duì)動(dòng)能定理有效把握之后，學(xué)生又開始了對(duì)機(jī)械能守恒定律的學(xué)習(xí)，結(jié)合這兩段內(nèi)容的學(xué)習(xí)之后，學(xué)生將對(duì)功能關(guān)系形成最基本的認(rèn)識(shí)，最后再對(duì)能量守恒定律形成認(rèn)識(shí).

綜觀整章內(nèi)容，雖然“能量觀念”沒有直接以文本的形式出現(xiàn)，但能量關(guān)系卻的確貫穿始終，以“功”的概念教學(xué)為例，教材在這一節(jié)的引言部分就指出“能量及其轉(zhuǎn)化的認(rèn)識(shí)和功的概念緊密聯(lián)系”，因此在教學(xué)過程中，教師要在這些核心概念的教學(xué)過程中，就要將能量觀念滲透于其中，讓學(xué)生結(jié)合能量觀念來學(xué)習(xí)這些概念，深刻領(lǐng)會(huì)相關(guān)概念對(duì)物理知識(shí)建構(gòu)的重要意義.

在后階段的物理學(xué)習(xí)中，無論是電場(chǎng)，還是電磁感應(yīng)，亦或是理想氣體的相關(guān)問題，能量觀點(diǎn)也成為問題分析的重要視角，這時(shí)教師要提醒學(xué)生結(jié)合能量觀點(diǎn)來完成問題的表征，并結(jié)合相關(guān)原理來完成問題的分析和處理，這樣的操作有助于學(xué)生強(qiáng)化對(duì)物理情境的認(rèn)識(shí)，也能讓學(xué)生對(duì)這些內(nèi)容形成深刻理解.

二、結(jié)合能量觀念來培養(yǎng)學(xué)生思維的靈活度

對(duì)不少學(xué)生來講，能量觀點(diǎn)的提出為他們多方位分析物理問題提供了一個(gè)新的視角，當(dāng)然這也就意味著學(xué)生所面臨的問題也將越來越靈活，他們?cè)趩栴}處理的過程中，隨機(jī)應(yīng)變地選擇各種方法和物理規(guī)律來實(shí)現(xiàn)問題的高效解決.這也就對(duì)學(xué)生思維的靈活度提出了新的要求，即學(xué)生要善于切換自己的思路，多方位地探索問題的解決方案，而能量觀點(diǎn)應(yīng)該是一項(xiàng)較為基礎(chǔ)的備選方案，在日常教學(xué)過程中，教師幫助學(xué)生將能量角度的分析方法轉(zhuǎn)化為他們的一種思維習(xí)慣，這樣學(xué)生在實(shí)際問題的處理和分析時(shí)才能更加高效地完成問題解決.

此外，能量在整個(gè)物理知識(shí)框架中也對(duì)應(yīng)著一個(gè)龐大的分支體系，它與其他物理知識(shí)也存在盤根錯(cuò)節(jié)的關(guān)系，這給學(xué)生的理解和掌握提出了難題，需要學(xué)生能夠?qū)Ω鱾€(gè)概念形成精準(zhǔn)的把握，厘清不同規(guī)律的使用條件和基本操作，同時(shí)這也給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來某種契機(jī)，既然很多知識(shí)之間存在關(guān)聯(lián)性，那么他們就可以借助這些關(guān)聯(lián)將諸多知識(shí)整合起來，實(shí)現(xiàn)綜合性的理解.

功與能的關(guān)系存在于很多知識(shí)中，學(xué)生在學(xué)習(xí)物理時(shí)對(duì)相關(guān)認(rèn)識(shí)展開比較和分析，有助于學(xué)生對(duì)復(fù)雜而抽象的內(nèi)容形成較為深度的認(rèn)識(shí)和理解.比如在電場(chǎng)的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生對(duì)電勢(shì)能的理解總是存在很大的困難，教師可以引導(dǎo)學(xué)生采用類比的方式展開探索.在學(xué)生開始學(xué)習(xí)電場(chǎng)之前，他們對(duì)重力做功和重力勢(shì)能變化的關(guān)系理解得還是比較清楚的，在教學(xué)實(shí)踐中，教師要引導(dǎo)學(xué)生采用類比的方式進(jìn)行研究：(1)在重力場(chǎng)中，重力做功有什么特點(diǎn)？重力做功與重力勢(shì)能的變化有什么關(guān)系？(2)在電場(chǎng)中，電場(chǎng)力做功有什么特點(diǎn)？電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能的變化有什么關(guān)系？對(duì)學(xué)生而言，電場(chǎng)學(xué)習(xí)的最大難點(diǎn)就在于知識(shí)的抽象性，教師引導(dǎo)學(xué)生將相關(guān)場(chǎng)景類比于他們熟悉的重力場(chǎng)場(chǎng)景，幫助他們化陌生為熟悉，變抽象為形象，他們的認(rèn)知將更加高效，而且這種思維習(xí)慣延續(xù)下去，當(dāng)他們遇到帶電粒子偏轉(zhuǎn)的問題時(shí)，他們也能夠?qū)⑦@種類比的操作沿用下來，問題解決的效率會(huì)更高.

三、將能量觀念滲透在高中物理教學(xué)中的反思

筆者在教學(xué)中積極將能量觀念滲透在教學(xué)之中，取得了一些成果，也發(fā)現(xiàn)了一些尚待提升的地方.首先是能量觀念的物理教學(xué)內(nèi)涵還需要進(jìn)一步豐富，和部分學(xué)生交流時(shí)發(fā)現(xiàn)，雖然教學(xué)中我們一直將能量觀念定位為一種分析問題和研究問題的視角，但是很多學(xué)生依然將其視為解題方法，這顯然是對(duì)能量觀念價(jià)值的一種弱化，教師還需加強(qiáng)理論研究，豐富相應(yīng)的理論體系，提升課堂的理論層次.

在教學(xué)探索中，物理教師還可以采用課題研究的方式對(duì)“高中物理能量觀念的教學(xué)”展開探索，并緊密依托實(shí)踐來進(jìn)行分析和研究，這樣的處理能加強(qiáng)教學(xué)理論的系統(tǒng)化和體系性，有助于教師在各種教科研活動(dòng)中展開經(jīng)驗(yàn)交流，這也必然會(huì)促成課堂效率的提升.

綜上所述，在高中物理教學(xué)中，教師將能量觀念的教學(xué)和學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的探索整合起來，有助于學(xué)生更加深度地領(lǐng)會(huì)物理知識(shí)，有助于學(xué)生訓(xùn)練他們的物理思維，這種思維習(xí)慣必然會(huì)向?qū)W生的生活延伸，指導(dǎo)學(xué)生以更加理性的視角來分析和研究生活中的實(shí)際問題，這才是我們開設(shè)物理課程，提升學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的根本目的所在.