初中生物理能量觀念的認(rèn)知測(cè)評(píng)與教學(xué)建議

王長(zhǎng)江 盛洋

摘 要：能量觀念是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容.本研究以馬扎諾的教育目標(biāo)分類(lèi)學(xué)為理論基礎(chǔ)，對(duì)初中生的能量觀念的認(rèn)知水平進(jìn)行理論分析，以785名初中畢業(yè)生為實(shí)驗(yàn)樣本，以自編的初中物理能量觀念問(wèn)卷為研究工具，對(duì)初中生能量觀念的認(rèn)知水平進(jìn)行測(cè)評(píng)，研究發(fā)現(xiàn)：初中生物理能量觀念的認(rèn)知水平整體上處于理解與分析的中間水平;對(duì)5種能量子觀念的認(rèn)知都低于分析水平，其中能量轉(zhuǎn)化觀得分最低，處于理解以下的認(rèn)知水平.最后，提出教師應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)完整的物理能量知識(shí)圖景、以能量觀念統(tǒng)領(lǐng)能量知識(shí)教學(xué)的兩條教學(xué)建議.

關(guān)鍵詞：初中物理;能量觀念;認(rèn)知水平;教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1008-4134（2021）02-0009-04

作者簡(jiǎn)介：王長(zhǎng)江（1972- ）男，寧夏石嘴山人，博士，副教授，研究方向：教師教育、科學(xué)教育、物理教學(xué)研究;

盛洋（1995-），女，安徽銅陵人，碩士，研究方向：中學(xué)物理教學(xué)研究.

1 研究背景

能量是《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》的三個(gè)一級(jí)主題之一，能量觀念是物理學(xué)中關(guān)于能量概念、規(guī)律等能量知識(shí)的提煉、升華，是對(duì)能量世界的一種根本認(rèn)識(shí)，是中學(xué)物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容.

英國(guó)教育專(zhuān)家溫·哈倫教授曾提出了十個(gè)關(guān)于科學(xué)知識(shí)的大概念和四個(gè)關(guān)于科學(xué)本身的大概念，其中關(guān)于能量的大概念表述是：在宇宙中能量的總量是不變的，但是，在某種事件發(fā)生的過(guò)程中，能量會(huì)從一種儲(chǔ)存形式轉(zhuǎn)化成另一種儲(chǔ)存形式[1].美國(guó)在2013年頒布的《新一代科學(xué)教育的標(biāo)準(zhǔn)》中物理學(xué)科包含四個(gè)核心概念，物質(zhì)及其相互作用、運(yùn)動(dòng)和穩(wěn)定性：力和相互作用、能量和波及其在信息技術(shù)中的應(yīng)用[2].能量也是以一個(gè)單獨(dú)的核心概念被提出來(lái)，其支撐概念主要包含能量的定義、能量的守恒、能量的轉(zhuǎn)移、能量與力之間的關(guān)系以及化學(xué)過(guò)程中的能量與日常生活.在國(guó)內(nèi)，梁旭認(rèn)為，觀念既然具有總體性和綜合性，也必然具有階段性和結(jié)構(gòu)性，因此他提出了“子觀念”的概念，并將能量觀念劃分成六個(gè)子觀念，分別是能量普適觀、能量多樣觀、能量轉(zhuǎn)化觀、能量量度觀、能量守恒觀和節(jié)能環(huán)保觀[3].伍苗苗也將能量觀念進(jìn)一步細(xì)分，將能量觀念劃分成五個(gè)基本觀念，分別是能量本質(zhì)觀、能量形式觀、能量轉(zhuǎn)化觀、能量耗散觀和能量守恒觀[4]，并對(duì)每個(gè)基本觀念都進(jìn)行了解讀.

我們注意到，在國(guó)內(nèi)能量觀念的相關(guān)研究中，更多的是對(duì)能量觀念內(nèi)涵以及教學(xué)的探討，側(cè)重的是以教師為主的研究，對(duì)于從學(xué)生的學(xué)習(xí)視角，“學(xué)生能量觀念的認(rèn)知水平”等相關(guān)研究尚未受到重視.基于此，我們開(kāi)展初中物理能量觀念的認(rèn)知測(cè)評(píng)研究.一方面本研究將為高中物理能量教學(xué)提供學(xué)生的認(rèn)知水平起點(diǎn)，為提升高中物理能量觀念教學(xué)提供證據(jù)支持.另一方面，本研究將為初中物理能量觀念教學(xué)提供學(xué)生的認(rèn)知水平終點(diǎn)，反映初中生物理能量觀念的認(rèn)知水平，為中學(xué)教師改進(jìn)初中物理能量觀念教學(xué)提供證據(jù)支持.

2 初中物理能量觀念的認(rèn)知水平分析

開(kāi)展初中能量觀念的認(rèn)知測(cè)評(píng)研究，首先要對(duì)初中物理能量觀念的認(rèn)知水平進(jìn)行理論分析.

能量觀念的建構(gòu)是一個(gè)發(fā)展的過(guò)程，不同學(xué)生對(duì)能量觀念的認(rèn)知水平存在差異.馬扎諾的“新教育目標(biāo)分類(lèi)學(xué)”中，將認(rèn)知水平劃分為提取、理解、分析、知識(shí)應(yīng)用[5].依據(jù)馬扎諾的認(rèn)知發(fā)展理論，我們將學(xué)生能量觀念的認(rèn)知發(fā)展劃分為四個(gè)水平：第一，提取水平，學(xué)生能夠回想起能量的基本概念和規(guī)律，在被提及這些知識(shí)時(shí)能夠回憶起相關(guān)的定義、公式以及基本信息等;第二，理解水平，學(xué)生能夠用簡(jiǎn)單的、概括的形式組織、提煉出能量相關(guān)知識(shí)的主要特征，并且能夠描述和識(shí)別出能量知識(shí)重要與不重要的方面;第三，分析水平，學(xué)生能夠比較不同能量知識(shí)之間的異同，能夠?qū)傩韵嗤哪芰恐R(shí)進(jìn)行歸納與總結(jié)，還能夠辨別知識(shí)的真?zhèn)危约澳軌蛑匦陆M織這些知識(shí)產(chǎn)生新的見(jiàn)解并應(yīng)用于新的環(huán)境中;第四，知識(shí)應(yīng)用水平，學(xué)生能夠?qū)⒅R(shí)應(yīng)用于具體的任務(wù)中，能夠選擇最佳的選項(xiàng)，能夠解決任務(wù)中存在的障礙或限制條件，最后能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo).

在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，我們將能量觀念劃分成五個(gè)基本觀念（如圖1所示），其抽象定義如下.

能量普適觀：能量普遍存在于生活生產(chǎn)中.

能量多樣觀：能量可以通過(guò)多種的形式來(lái)儲(chǔ)存，其表現(xiàn)形式是多樣的.

能量轉(zhuǎn)化觀：各種不同形式的能量之間可以轉(zhuǎn)化，不同物體所具有的能量也可以進(jìn)行轉(zhuǎn)移.

能量守恒觀：能量既不會(huì)憑空產(chǎn)生也不會(huì)憑空消失，只能從一種形式轉(zhuǎn)化成另一種形式，或者從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體，在轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，能量的總量保持不變.

能量耗散觀：雖然總的能量是保持不變的，但并不能被全部利用，會(huì)有部分能量耗散掉.

每種能量子觀念都從提取、理解、分析、知識(shí)應(yīng)用等不同的認(rèn)知水平進(jìn)行說(shuō)明（見(jiàn)表1）.

3 初中物理能量觀念的認(rèn)知測(cè)評(píng)

問(wèn)卷題目?jī)?nèi)容是以提取出的初中能量觀念相關(guān)知識(shí)為基礎(chǔ).問(wèn)卷采用二段式測(cè)驗(yàn).采用的是主客觀題相結(jié)合：第一問(wèn)是以選擇題的形式呈現(xiàn)（回答準(zhǔn)確記4分，錯(cuò)誤記0分），第二問(wèn)要求學(xué)生解釋在第一問(wèn)中作出的選擇（按照評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到提取、理解、分析、知識(shí)應(yīng)用分別記1分、2分、3分、4分）.問(wèn)卷經(jīng)過(guò)兩次專(zhuān)家效度的檢驗(yàn)，并經(jīng)過(guò)試測(cè)后再次修改，最后形成由10道題組成的正式的測(cè)試問(wèn)卷.

3.1 初中物理總體能量觀念的測(cè)評(píng)分析

利用SPSS22.0統(tǒng)計(jì)軟件處理數(shù)據(jù)，對(duì)總體樣本的集中趨勢(shì)以及離散程度進(jìn)行描述，以了解學(xué)生能量觀念的認(rèn)知水平.

由表2可知，被試總體能量觀的平均分是2.1364，表明初中生能量觀念的認(rèn)知水平處于中等，處于從理解向分析水平過(guò)渡的階段，還不能依據(jù)已知知識(shí)建構(gòu)和證明能量觀念;不能應(yīng)用能量觀念知識(shí)解決具體問(wèn)題.

從被試總體的回答情況來(lái)看，學(xué)生解決能量問(wèn)題時(shí)思維更多停留在問(wèn)題本身，沒(méi)有發(fā)展到“分析”水平.在陳述理由的過(guò)程中，很多學(xué)生更多還停留在單一的、零散的知識(shí)使用狀態(tài)，還不能夠站在能量總體的視角去看待問(wèn)題.現(xiàn)階段初中生能量觀念水平較低的原因主要有：其一，物理觀念（包括能量觀念）是核心素養(yǎng)框架下高中物理課程目標(biāo)的重要內(nèi)容.核心素養(yǎng)框架下的初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)還沒(méi)有頒布，初中物理教師對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念目的性不明確，沒(méi)有在教學(xué)中有意識(shí)、有計(jì)劃地培養(yǎng)學(xué)生的能量觀念.其二，能量知識(shí)是有層級(jí)結(jié)構(gòu)的.關(guān)于能量的一些事實(shí)性知識(shí)處于低端，能量觀念處于頂端.限于初中生思維發(fā)展的階段性，他們對(duì)能量知識(shí)的認(rèn)識(shí)、理解具象性較多，還沒(méi)有學(xué)會(huì)分析、運(yùn)用知識(shí)，因此這也可能造成學(xué)生對(duì)能量觀念的認(rèn)知水平較低.

3.2 能量子觀念的認(rèn)知測(cè)評(píng)分析

5個(gè)能量子觀念的認(rèn)知水平的平均分層次不齊，但是都低于3.00分，表明被試初中生整體的認(rèn)知低于分析水平.

3.2.1 能量普適觀的認(rèn)知水平分析

對(duì)能量普適觀的有兩個(gè)題目，被試平均分是2.7583，表明學(xué)生處于理解水平向分析水平過(guò)渡的階段，部分學(xué)生已經(jīng)達(dá)到分析水平，能根據(jù)能量的普適性分析自然現(xiàn)象.在學(xué)生給出的選擇理由中大部分都是“任何物體都具有能量”，還有部分給出的是“任何物體都具有內(nèi)能”，內(nèi)能本身就是能量，也就是任何物體都具有能量.

在教科書(shū)中對(duì)能量的描述是：只要物體能夠?qū)ν庾龉Γ@個(gè)物體就具有能量.但并沒(méi)有說(shuō)明任何物體都能對(duì)外做功，更沒(méi)有說(shuō)明任何物體都具有能量這樣的結(jié)論.被試學(xué)生對(duì)于下面選項(xiàng)“冰山?jīng)]有內(nèi)能，火山有內(nèi)能”“一節(jié)單獨(dú)的干電池沒(méi)有能量，將干電池與用電器連接成閉合回路之后干電池才有能量”“秸稈在不燃燒的時(shí)候沒(méi)有能量，在燃燒時(shí)有能量”無(wú)從判別.部分學(xué)生能夠概括出能量具有普適性，但在具體問(wèn)題情境中面對(duì)實(shí)際的問(wèn)題時(shí)，卻不能夠靈活應(yīng)用.

3.2.2 能量多樣觀的認(rèn)知水平分析

從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，整體初中生的能量多樣觀處于理解水平向分析水平過(guò)渡的階段.能量是以不同的形式存儲(chǔ)于各個(gè)物體中，單一物體中也可以同時(shí)存儲(chǔ)不同形式的能量.不少學(xué)生認(rèn)為空氣沒(méi)有重力勢(shì)能，導(dǎo)致選項(xiàng)“流動(dòng)的空氣不僅有動(dòng)能，也有重力勢(shì)能”判斷錯(cuò)誤，充分表明：初中主要學(xué)習(xí)機(jī)械能、內(nèi)能和電能，對(duì)其他形式的能量也有所介紹，但不深入.學(xué)生對(duì)不同形式能量的認(rèn)識(shí)要比對(duì)能量普適性的理解難，首先學(xué)生要判斷一個(gè)系統(tǒng)是否存在能量，然后還要識(shí)別能量的形式，比理解能量普適性還要多一個(gè)過(guò)程.而且能量的形式多種多樣，有些形式的能量還存在相似性，容易造成學(xué)生識(shí)別錯(cuò)誤.

3.2.3 能量轉(zhuǎn)化觀的認(rèn)知水平分析

對(duì)能量普適觀的也有兩個(gè)題目，能量轉(zhuǎn)化觀的得分是五個(gè)子觀念中得分最低的，平均分只有1.7618，說(shuō)明學(xué)生對(duì)能量轉(zhuǎn)化觀的認(rèn)知水平是最低的，平均水平處于提取向理解過(guò)渡的階段.

考查能量轉(zhuǎn)化觀的題項(xiàng)1的情境是：如圖所示是蹦極運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)化示意圖.彈性繩一端固定在O點(diǎn)，另一端系住運(yùn)動(dòng)員;運(yùn)動(dòng)員從O點(diǎn)自由下落，到a點(diǎn)時(shí)彈性繩自然伸直，b點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)員速度達(dá)到最大的點(diǎn)，c點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)員到達(dá)的最低點(diǎn)（忽略空氣阻力）.從得分的頻率直方圖來(lái)看，出現(xiàn)三次不連續(xù)的集中趨勢(shì)，第一次是在0分的位置，說(shuō)明這部分學(xué)生對(duì)能量之間的轉(zhuǎn)化沒(méi)有呈現(xiàn)出任何信息或者是沒(méi)有任何有關(guān)系的信息，他們對(duì)能量之間的轉(zhuǎn)化是模糊的.第二次出現(xiàn)的集中范圍在0.5分到1.5分，結(jié)合問(wèn)卷中具體的得分點(diǎn)會(huì)發(fā)現(xiàn)，這部分學(xué)生能夠提取簡(jiǎn)單情境中的能量信息，但是一旦涉及多種形式的能量之間的轉(zhuǎn)化時(shí)，學(xué)生就不知道要從何處開(kāi)始著手.

3.2.4 能量守恒觀的認(rèn)知水平分析

整體的能量守恒觀的水平也只達(dá)到理解的水平.可能的原因是“能量的守恒觀”是中學(xué)物理中不斷進(jìn)階的物理觀念.在現(xiàn)實(shí)生活中學(xué)生錯(cuò)誤地認(rèn)為，能量在轉(zhuǎn)化過(guò)程中不斷損耗，需要不斷地提供能量才能保持原來(lái)的狀態(tài).受此錯(cuò)誤前概念的影響，加上初次接觸能量觀念，導(dǎo)致學(xué)生無(wú)法深入理解能量守恒觀.盡管部分學(xué)生意識(shí)到總的能量守恒，但是在具體情境分析時(shí)，由于有很多的干擾信息對(duì)學(xué)生的分析造成一定的困難.

3.2.5 能量耗散觀的認(rèn)知水平分析

能量耗散與能量守恒之間存在密切的聯(lián)系，學(xué)生對(duì)能量守恒理解不夠深入、認(rèn)知水平較低，也會(huì)導(dǎo)致其對(duì)能量耗散的理解無(wú)法深入、認(rèn)知水平不高.多數(shù)學(xué)生知道能量的轉(zhuǎn)化過(guò)程中存在能量的損耗，但也僅僅停留在“提取”層次，至于能量以什么方式損耗、損耗了多少等都需要學(xué)生進(jìn)一步分析，這些問(wèn)題造成學(xué)生學(xué)習(xí)的困難.另外，在不同的情境中不同形式的能量是以不同的狀態(tài)存在的，在這個(gè)情境中可能是以損耗的能量存在，但在下一個(gè)情境中就并非是損耗的能量.這就需要對(duì)具體的情境具體分析.

4 初中物理能量觀念的教學(xué)建議

從測(cè)評(píng)結(jié)果來(lái)看，初中生在完成學(xué)業(yè)后，對(duì)能量觀念的認(rèn)知達(dá)到理解與分析的中間水平，距離“知識(shí)應(yīng)用”的水平還有很大的差距.針對(duì)這一現(xiàn)狀，我們認(rèn)為應(yīng)該建構(gòu)完整的物理能量知識(shí)圖景，以能量觀念統(tǒng)領(lǐng)能量知識(shí)的教學(xué).

4.1 促進(jìn)深度理解，建構(gòu)完整的物理能量知識(shí)圖景

在以往教學(xué)中，教師注重的是學(xué)生對(duì)能量的事實(shí)性知識(shí)、概念、規(guī)律等的認(rèn)識(shí)及理解，教師會(huì)以物理教科書(shū)為本，按照教科書(shū)上對(duì)能量知識(shí)的安排逐個(gè)攻破，學(xué)生形成的仍舊是關(guān)于零散的、碎片化的能量知識(shí)，是對(duì)能量世界的片面認(rèn)識(shí)[6].在教學(xué)中有必要將能量的知識(shí)層級(jí)結(jié)構(gòu)，從事實(shí)性知識(shí)、概念、規(guī)律向上提煉、升華，達(dá)到能量觀念，幫助學(xué)生建構(gòu)更為完整的能量知識(shí)圖景.在課時(shí)教學(xué)、單元教學(xué)中，應(yīng)該幫助學(xué)生理清能量事實(shí)、概念、規(guī)律以及概念之間的聯(lián)系，尋找到一條清晰的邏輯鏈條.下面以初中物理“內(nèi)能的利用”一章為例來(lái)說(shuō)明（如圖2所示）.

在未學(xué)習(xí)本章內(nèi)容前，學(xué)生通過(guò)日常的生活已經(jīng)知道：燃料的使用能夠給人類(lèi)的生活帶來(lái)便利;各種交通工具為人們出行帶來(lái)了便捷.通過(guò)本章的學(xué)習(xí)，知道燃料是通過(guò)將自身的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能后，再轉(zhuǎn)化成其他的能量;對(duì)熱機(jī)、熱值和熱機(jī)效率的認(rèn)識(shí)加深;涉及的能量規(guī)律主要是能量的轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移規(guī)律以及能量守恒定律.在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生對(duì)于能量認(rèn)知最高階止步于能量規(guī)律（如圖2虛線框內(nèi)左邊部分所示）.如果想要對(duì)能量知識(shí)有更完整的認(rèn)識(shí)，還需要引導(dǎo)學(xué)生在此基礎(chǔ)上進(jìn)階到能量觀念.對(duì)于內(nèi)能，應(yīng)該引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到：內(nèi)能是物體內(nèi)部全部分子做熱運(yùn)動(dòng)時(shí)的分子動(dòng)能和分子勢(shì)能的總和;內(nèi)能只是能量存在形式的一種;能量還是普遍存在于物體中.燃料在使用的過(guò)程中，總的能量數(shù)量是保持恒定的，但在可利用的品質(zhì)上是逐漸減少的.

4.2 更新教學(xué)理念，以能量觀念統(tǒng)領(lǐng)能量知識(shí)教學(xué)

從傳統(tǒng)的能量教學(xué)來(lái)看，教師也常常設(shè)計(jì)基本問(wèn)題，但由于止步于能量概念或能量規(guī)律教學(xué)，這可能是現(xiàn)階段初中生的能量觀念整體水平較低的一個(gè)主要因素.我們建議，為了提高學(xué)生能量觀念的認(rèn)知水平，要更新教師的教學(xué)理念，以能量觀念統(tǒng)領(lǐng)能量知識(shí)的教學(xué)，以基本問(wèn)題驅(qū)動(dòng)教學(xué)進(jìn)程，幫助學(xué)生將能量知識(shí)進(jìn)行提煉和升華，形成更加完整的認(rèn)識(shí).同樣以初中物理“內(nèi)能的利用”一章為例來(lái)說(shuō)明（圖2的虛框右邊部分）.

在設(shè)計(jì)教學(xué)方案時(shí)，我們建議應(yīng)從頂層的能量觀念教學(xué)預(yù)設(shè)向底層的具體知識(shí)教學(xué)預(yù)設(shè)推進(jìn).首先，將能量觀念認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)化為能量觀念問(wèn)題，明確在這一章中培養(yǎng)學(xué)生什么樣的能量觀念：能量普適觀對(duì)應(yīng)“能量存在有條件限制嗎？”;能量多樣觀對(duì)應(yīng)“能量如何存儲(chǔ)于物體中？”;能量轉(zhuǎn)化觀、能量守恒觀以及能量耗散觀對(duì)應(yīng)“能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中有什么特點(diǎn)？”.其次，將能量觀念問(wèn)題分解為能量規(guī)律問(wèn)題：燃料釋放的能量都去哪了？能量消失了嗎？再次，將能量規(guī)律問(wèn)題具體化為能量概念問(wèn)題：“什么是內(nèi)能？”等.以燃料的使用提出熱機(jī)，對(duì)熱機(jī)工作原理的分析過(guò)程以及能量去向的分析中滲透能量轉(zhuǎn)化、能量守恒以及能量耗散的概念.最后，將能量概念問(wèn)題具體化為能量事實(shí)問(wèn)題：燃料為什么能給生活帶來(lái)便利？熱機(jī)有什么作用？以基本問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，將幫助提升學(xué)生對(duì)能量觀念的認(rèn)知水平，幫助學(xué)生建構(gòu)完整的能量知識(shí)圖景.

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（收稿日期：2020-10-09）