“能量觀”及其教學范式的探討

張伶霞

(首都師范大學物理系 北京 100048)

1 問題的提出

2017年12月《普通高中物理課程標準》正式提出了物理學科核心素養.能量觀念是物理學科核心素養三大基本觀念之一，一線教師以“能量觀”為主線作為一種物理教學指導思想的意識已初現萌芽，但仍存在不廣泛、不全面、不深刻、不系統、不得法等問題.究其原因，主要包括以下3點：(1)“能量觀”的內涵不明確；(2)“能量觀”涉及的具體教學內容在教材和教學指導意見中體現得不具體、不全面、不契合；(3)“能量觀”的教學策略不清晰.本文界定了“能量觀”和“能量觀”教學范式的內涵，并在此基礎上進行了“能量觀”教學范式的探討.

2 “能量觀”和“能量觀”教學范式的內涵

2.1 “能量觀”

2018年人民教育出版社出版的普通高中教科書(簡稱“新教材”)《物理·必修2》中闡釋，能量是人們研究物質世界非常重要的一個物理量，是物質運動的統一量度.物體運動雖然形式各異，但是每種運動都具有相應的能量.能量及其轉化將各種運動統一、聯系起來.能量對于科學研究和日常生活有著巨大的影響，但要用一句話說清楚能量究竟是什么卻非易事.能量概念的引入是科學前輩們追尋守恒量的一個重要事例.目前,人們對能量認識大體可以歸納為：對能量本質的認識、對能量形式及其分類的認識、對能量轉換的認識、對能量耗散的認識以及對能量守恒等概念和規律的認識[1].因此，物理能量觀念包含了能量本質觀、能量形式觀、能量轉化觀、能量耗散觀和能量守恒觀5部分，能量觀結構圖如圖1所示.

圖1 能量觀結構圖

2.2 “能量觀”教學范式

“能量觀”物理教學是一種在特定教學思想指導下的教學，是指教師在實施物理這門特殊科學的教學活動中，在闡述、講解、分析、歸納和應用物理知識的教學活動中，在指導學生分析、處理問題過程中，始終運用“能量”的觀點來引導啟發學生的思維，并用“能量”把物理問題聯系起來，高效簡潔地解決問題，并形成物理意識的教學活動[2].

如何運用“能量觀”啟發思維進行教學呢？我們需要將能量觀的5部分分為3個層次：第一層(內容)，能量的要素，包含研究對象在研究過程中具有的能量形式和能量本質，該層次是用能量觀分析問題的第一步，起奠基作用；第二層(策略)，能量形式變換的路徑，包含能量轉化和能量耗散，展現初態的能量通過什么方式去往何方；第三層(思想)，能量變換統一遵循的規律，即能量守恒，在能量觀中起統領作用.基于以上分析，本文提出了“能量觀”教學范式的金字塔模型，如圖2所示.

圖2 “能量觀”教學范式

3 “能量觀”在各個模塊中的具體體現

能量觀在高中物理力學、熱學、電磁學、光學、量子力學等模塊中都有重要體現，是學生認識物理世界的一條重要主線.新教材和課程標準對“能量觀”的體現不是完全契合，且不夠全面和具體.本文梳理了能量觀在各個模塊中的主要體現，可作為教學的參考，如表1所示.

表1 能量觀在各個模塊中的主要體現

4 “能量觀”教學范式的示例

4.1 第二宇宙速度的推導

我們知道，第二宇宙速度是使物體脫離地球引力束縛的最小發射速度.在新教材《物理·必修2》第64頁“科學漫步”專欄是關于“黑洞”的介紹，展示了第二宇宙速度的表達式，但并未進行推導，課程標準和近年的高考大綱中也沒有對該部分提出教學要求.從知識上來講，“第二宇宙速度”似乎超綱了，但從能力的角度看，從能量觀推導第二宇宙速度卻并未超綱.由于“功和能”在教材中被安排在第二宇宙速度之后，所以學生在新課中不具備推導第二宇宙速度的基礎，建議在復習課或能量觀專題課中以“如何發射脫離地球束縛的人造衛星”為問題情景進行推導，如例1,在牛頓力學體系中，求解“黑洞”半徑是以第二宇宙速度的推導為基礎的，因此，也可以開展以求“黑洞”半徑為問題情景、以能量觀為主線、以“第二宇宙速度”的推導為基礎的進階拓展學習.

解析：設地球質量為M，人造衛星的質量為m，人造衛星的最小發射速度為v.

第一層：人造衛星在發射時具有動能和引力勢能，在脫離地球束縛時(無窮遠處)機械能為零.

第二層：人造衛星在發射后，萬有引力做負功將動能轉化為引力勢能.

第三層：根據能量守恒定律可知，人造衛星在地球表面時的動能與勢能之和等于在無窮遠處動能與勢能的總和.即

又因為

所以

4.2 閉合電路歐姆定律的推導

閉合電路歐姆定律的教學屬于規律教學，邏輯推理是建立物理規律的主要方法之一.邏輯推理法是在已有定律的基礎上結合一些概念，運用數學知識推理論證而得出結論的方法.而能量守恒定律恰好是學習該部分內容時學生的已有認知，通過已有認知進行新知建構符合學生的認知規律，且是滲透能量觀和培養邏輯推理能力較為適切的載體.因此，可在新課教學中，創設物理情境，通過學生活動完成由能量守恒定律推導閉合電路歐姆定律，具體方案如例2所示.

【例2】在圖3所示的電路中，電源電動勢為E，電源內阻為r，外電路電阻為R，閉合電路的電流為I.請你根據能量守恒定律推導：電源電動勢在數值上與內、外電路電勢降落之和的關系.

圖3 例2題圖

解析：

第一層：能量形式包括電源內部其他形式的能、電源生成的電能、R產生的電熱、r產生的電熱.

第二層：能量轉化的方式為非靜電力做功將電源內其他形式的能轉化為電能，電流做功將電源的電能轉化為R產生的電熱和r產生的電熱.

第三層：根據能量守恒，非靜電力做功W產生的電能等于在外電路和內電路產生的總電熱，即

W=Q內+Q外

因為

W=Eq=EIt

Q內+Q外=I2rt+I2Rt

所以

EIt=I2rt+I2Rt

即

E=Ir+IR=U內+U外

電源電動勢在數值上等于內、外電路電勢降落之和.

4.3 光的反射與折射中能量的分配

4.3.1 定性分析

新教材《物理·選擇性必修1》第85頁的演示實驗“觀察全反射現象”，如圖4所示，讓光沿著半圓形玻璃磚的半徑射到它的平直的邊上，在這個邊與界面上發生反射和折射.逐漸增大入射角，觀察反射光線和折射光線的變化.

圖4 觀察全反射現象

我們觀察到，當光從光密介質射入光疏介質時，同時發生折射和反射.如果入射角逐漸增大，折射光線離法線會越來越遠，而且越來越弱，反射光卻越來越強.教師可通過分析光的強弱反映了光能量的大小，引導學生用能量觀分析光現象.

4.3.2 定量研究

對于具備條件的學校，可根據學情選擇是否做反射光與折射光能量分配的定量研究，作為課外拓展活動.例如，光線以不同入射角i從空氣入射到水中(n=1.33)，反射光與折射光的能量分配情況見表2和圖5[3].反射光能量與折射光能量的總和不變，等于入射光的能量，符合能量守恒定律.

表2 反射光與折射光的能量分配

圖5 光從空氣中入射到水面時的反射光和折射光的能量分配圖像

4.4 楞次定律的解釋

新教材《物理·擇性必修2》對楞次定律是這樣闡述的：感應電流具有這樣的方向，即感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化.這里的“阻礙”主要理解為對磁通量變化的阻礙.在其他版本的教材中，“阻礙”也可理解為阻礙相對運動，即從力的角度對楞次定律進行闡述.表面上看，這些阻礙只是作為判斷感應電流的磁場方向與原磁場方向關系的紐帶，而內里卻體現了電磁感應過程中能量的轉化與守恒思想，這一點往往容易被忽視.新教材對這一部分還進行了補充：感應電流沿著楞次定律所述的方向，是能量守恒定律的必然結果.

那么，如何由能量守恒定律判斷感應電流的方向呢？例如：將條形磁鐵的N極插入閉合線圈，如圖6所示.

圖6 電磁感應現象

由于電阻的存在，感應電流在閉合回路中流動將產生熱量.根據能量守恒定律，這部分熱量應是條形磁鐵的機械能轉化而來，由此判斷線圈和磁鐵之間一定相互排斥，斥力對條形磁鐵做的負功消耗了磁鐵的機械能.因此可將線圈等效看作N極在上、S極在下的條形磁鐵，再根據右手螺旋定則可判斷出感應電流的方向，與楞次定律所述的方向一致.設想，感應電流的方向如果與楞次定律規定的方向相反，條形磁鐵受到的吸引力做正功，機械能將增加，而線圈中不斷產生電能，該系統的總能量會越來越大，顯然違背了能量守恒定律.因此，要符合能量守恒定律，感應電流的方向就必須取楞次定律規定的方向.

在教學中，教師可引導學生從磁通量、運動和相互作用觀、能量觀3個視角全面、立體地理解楞次定律.

5 研究展望

本文依據“能量觀”的內涵提出了“能量觀”的教學范式，梳理了能量觀在高中物理各個模塊中的主要體現，通過示例進行了“能量觀”教學范式的探討.如何使學生自覺地通過“能量觀”看待物理世界，仍然有待更為系統化和深入化的研究.