□陳信余

（廣州市教育研究院，廣東廣州 510030）

物理核心素養(yǎng)下的“機(jī)械能守恒定律”教學(xué)

□陳信余

（廣州市教育研究院，廣東廣州 510030）

物理核心素養(yǎng)一詞概括了物理學(xué)科的教育價(jià)值，并將其作為教育目標(biāo)來(lái)引領(lǐng)課程、教材和教學(xué)的改革方向.機(jī)械能守恒定律的教學(xué)適合物理核心素養(yǎng)的要求.機(jī)械能守恒定律的教學(xué)不適合采用陳述性和程序性知識(shí)的表達(dá)方式來(lái)處理，而適合通過(guò)“同化”與“順應(yīng)”來(lái)處理.機(jī)械能守恒定律的教學(xué)價(jià)值：尋找轉(zhuǎn)化規(guī)律，建立守恒觀念，學(xué)習(xí)并掌握物理學(xué)研究問(wèn)題的一般思路——從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從特殊到一般.

物理核心素養(yǎng)；機(jī)械能守恒；同化；順應(yīng)

一、機(jī)械能守恒定律的教學(xué)適合物理核心素養(yǎng)的要求

物理核心素養(yǎng)，是學(xué)生在接受物理教育過(guò)程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品質(zhì)和關(guān)鍵能力；是學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)內(nèi)化的帶有物理學(xué)科特性的品質(zhì)；是學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的關(guān)鍵成分.物理核心素養(yǎng)主要由“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”和“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面的要素構(gòu)成.這四個(gè)方面是相互聯(lián)系、共同發(fā)展的.物理觀念的形成過(guò)程是學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)思維和科學(xué)探究的過(guò)程，同時(shí)伴隨著科學(xué)態(tài)度與社會(huì)責(zé)任的發(fā)展過(guò)程和對(duì)科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)不斷深化的過(guò)程.基礎(chǔ)教育階段的物理課程用物理核心素養(yǎng)一詞集中概括了物理學(xué)科的教育價(jià)值，并將其作為教育目標(biāo)來(lái)引領(lǐng)課程、教材和教學(xué)的改革方向.

機(jī)械能守恒定律是力學(xué)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(jī)械能守恒定律的條件（系統(tǒng)內(nèi)只有重力和彈力做功）苛刻，所以機(jī)械能精確守恒的情況比較少見(jiàn).另外，由于容易混淆重力勢(shì)能與重力做功，在應(yīng)用機(jī)械能守恒定律解題時(shí)，往往會(huì)使用動(dòng)能定理來(lái)代替，動(dòng)能定理的使用范圍要比機(jī)械能守恒定律寬泛得多.從解題的角度來(lái)看，機(jī)械能守恒定律在物理學(xué)中沒(méi)有什么優(yōu)勢(shì)，為什么物理教材上和教學(xué)中還要用大量的篇幅來(lái)討論這個(gè)問(wèn)題呢？從初中的定性介紹到高中的定量計(jì)算，再到大學(xué)對(duì)質(zhì)點(diǎn)組機(jī)械能守恒定律的學(xué)習(xí).

這是由于機(jī)械能守恒定律的教學(xué)適合物理核心素養(yǎng)的要求，在物理學(xué)中有重要的地位、作用和價(jià)值.結(jié)合自由落體運(yùn)動(dòng)，通過(guò)看得見(jiàn)的變化——高度與速度變化，提出探究問(wèn)題——高度是否轉(zhuǎn)化成了速度？利用已知知識(shí)，尋找轉(zhuǎn)化規(guī)律，得到看不見(jiàn)的守恒量.完成知識(shí)構(gòu)建的過(guò)程中，形成了能量和守恒的觀念、經(jīng)歷了探究過(guò)程、進(jìn)行了科學(xué)推理、培養(yǎng)了認(rèn)真負(fù)責(zé)的科學(xué)態(tài)度，從而達(dá)成了教學(xué)目標(biāo)、發(fā)揮了該教學(xué)內(nèi)容在培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)方面的作用與價(jià)值.

那么，如何教學(xué)機(jī)械能守恒定律才能突顯其地位，發(fā)揮其作用，實(shí)現(xiàn)其價(jià)值呢？下面以高中物理課堂教學(xué)為例，在分析與思考現(xiàn)行普遍以知識(shí)傳授機(jī)械能守恒定律的基礎(chǔ)上，提出要通過(guò)“同化”與“順應(yīng)”來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械能守恒定律的知識(shí)構(gòu)建，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)、凸顯其在物理學(xué)中的地位和作用，實(shí)現(xiàn)其教學(xué)價(jià)值和物理核心素養(yǎng)的要求.

二、對(duì)以知識(shí)傳授機(jī)械能守恒定律教學(xué)的分析與思考

（一）現(xiàn)行比較普遍的授課方式

由于對(duì)機(jī)械能守恒定律在物理學(xué)中地位、價(jià)值和作用的理解不同，教學(xué)的方式、方法也就不一樣.表1所示的是現(xiàn)行高中比較普遍的一種教學(xué)方式.

（二）分析與思考

1.情境引入

給出的這個(gè)情境與能量的結(jié)合有點(diǎn)牽強(qiáng)，學(xué)生不能就這個(gè)情境很好地回答“問(wèn)題一”.因?yàn)槟芰渴强床灰?jiàn)的，看到的只是擺球的運(yùn)動(dòng)形式、速度和高度在變化.

希望從機(jī)械能守恒的角度來(lái)回答“問(wèn)題二”，進(jìn)而引出機(jī)械能定恒定律，并為推導(dǎo)鋪墊.這個(gè)過(guò)渡很難、也不是必然的.

這個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)中所提供的情境不能很好地引出機(jī)械能守恒定律，只是給學(xué)生在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)的沖擊，在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)情緒和興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生注意力等方面有一定的價(jià)值，對(duì)尋找守恒量以及機(jī)械能守恒定律的理解沒(méi)有什么幫助.學(xué)生不能根據(jù)情境在心理上得到明確的暗示，因?yàn)閿[球來(lái)回?cái)[動(dòng)、快慢變化、升降交替這些表層現(xiàn)象會(huì)左右學(xué)生的思考，這樣教學(xué)不能很好地完成機(jī)械能守恒定律的知識(shí)構(gòu)建，反之，如果用已經(jīng)構(gòu)建了的機(jī)械能守恒定律來(lái)解釋該情境中觀察到的現(xiàn)象就順理成章了.

表1

2.理論推導(dǎo)

推導(dǎo)時(shí)選擇了豎直下落的物體為研究，學(xué)生無(wú)法將該情境與課堂教學(xué)引入的情境結(jié)合起來(lái)思考.一個(gè)豎直下落，做直線運(yùn)動(dòng)；一個(gè)來(lái)回?cái)[動(dòng)，做曲線運(yùn)動(dòng).可以看出，這個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)的引入不能很好地切入主題，引而不入，教學(xué)效果不理想.

另外，在推導(dǎo)時(shí)對(duì)動(dòng)能和重力勢(shì)能的表達(dá)使用了綜合（如Ek、Ep）方式，而不是用具體分式（如來(lái)表達(dá)，這樣處理會(huì)在認(rèn)知上增加學(xué)生的困難.

3.歸納總結(jié)和應(yīng)用舉例

歸納總結(jié)這個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)采用了陳述性知識(shí)的表述方法來(lái)處理，即關(guān)于事物及其關(guān)系的知識(shí)，或者說(shuō)是關(guān)于“是什么”的知識(shí)，包括對(duì)事實(shí)、規(guī)則和事件等信息的表達(dá)[1]190.也即：只有重力做功的情形下，動(dòng)能與重力勢(shì)能可以轉(zhuǎn)化，但總量保持不變.

應(yīng)用舉例這個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)采用了程序性知識(shí)的表述方式來(lái)處理，即是關(guān)于完成某項(xiàng)任務(wù)的行為或操作步驟的知識(shí)，或者說(shuō)是關(guān)于“如何做”的知識(shí).它包括一切為了進(jìn)行信息轉(zhuǎn)換活動(dòng)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(shì)能面，明確始末狀態(tài)并確定對(duì)應(yīng)的機(jī)械能；最后，利用機(jī)械能守恒定律列式求解.

由分析可知，以上的教學(xué)設(shè)計(jì)不能很好地讓學(xué)生經(jīng)歷機(jī)械能守恒定律的知識(shí)構(gòu)建、形成能和守恒的物理觀念，而僅僅當(dāng)作現(xiàn)成知識(shí)進(jìn)行傳授，所以學(xué)生認(rèn)識(shí)不到該定律在物理學(xué)中的地位、作用和價(jià)值，僅從解題方面這個(gè)角度，覺(jué)得它在物理學(xué)中沒(méi)有什么優(yōu)勢(shì).

三、通過(guò)“同化”與“順應(yīng)”來(lái)完成機(jī)械能守恒定律知識(shí)的構(gòu)建

“同化”與“順應(yīng)”是學(xué)生參與和經(jīng)歷知識(shí)構(gòu)建的兩個(gè)重要過(guò)程.皮亞杰(J.Piaget)認(rèn)為學(xué)生是在與周圍環(huán)境相互作用的過(guò)程中，逐步建構(gòu)起關(guān)于外部世界的知識(shí)，從而使自身認(rèn)知結(jié)構(gòu)得到發(fā)展.學(xué)生與環(huán)境的相互作用涉及兩個(gè)基本過(guò)程：“同化”與“順應(yīng)”[2].

“同化”是指把外部環(huán)境中的有關(guān)信息吸收進(jìn)來(lái)并結(jié)合到學(xué)生已有的認(rèn)知結(jié)構(gòu)中，即個(gè)體把外界刺激所提供的信息整合到自己原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)內(nèi)的過(guò)程，就像消化系統(tǒng)吸收營(yíng)養(yǎng)一樣.

“順應(yīng)”是指外部環(huán)境發(fā)生變化，而原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)無(wú)法同化新環(huán)境提供的信息時(shí)所引起的學(xué)生認(rèn)知結(jié)構(gòu)發(fā)生重組與改造的過(guò)程，即個(gè)體的認(rèn)知結(jié)構(gòu)因外部刺激的影響而發(fā)生改變的過(guò)程.

機(jī)械能守恒守律的教學(xué)適合通過(guò)“同化”與“順應(yīng)”來(lái)構(gòu)建.物體僅在重力作用下的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)能和動(dòng)能定理、重力和重力做功以及重力勢(shì)能，這些內(nèi)容和知識(shí)都是學(xué)生已學(xué)過(guò)的，屬于學(xué)生的原有知識(shí)，學(xué)生容易“同化”而完成知識(shí)構(gòu)建；而速度與高度之間的變化是否涉及能量的轉(zhuǎn)化？以怎樣的形式進(jìn)行轉(zhuǎn)化？按照怎樣的規(guī)律轉(zhuǎn)化？機(jī)械能是否守恒？這些內(nèi)容和知識(shí)不能與學(xué)生的原有知識(shí)直接發(fā)生作用，要通過(guò)“順應(yīng)”來(lái)完成構(gòu)建.

通過(guò)“同化”與“順應(yīng)”完成機(jī)械能守恒定律的構(gòu)建如表2.

（1）情境引入環(huán)節(jié)，創(chuàng)設(shè)了一個(gè)比較簡(jiǎn)單的情境，目的在于利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)并提出問(wèn)題.科學(xué)探究源于問(wèn)題，而問(wèn)題在很大程度上源于對(duì)身邊事物的觀察與思考.觀察是科學(xué)發(fā)現(xiàn)的重要途徑，觀察是取得原始材料、擴(kuò)大研究領(lǐng)域、構(gòu)建科學(xué)假說(shuō)、形成科學(xué)理論的基本方法.簡(jiǎn)單的情境利于學(xué)生觀察與思考并得到心理暗示.

（2）現(xiàn)象可以被學(xué)生觀察到，但問(wèn)題提出需要老師的幫助.提出問(wèn)題在思維層次上高于觀察現(xiàn)象.由于學(xué)生有了高低、快慢的概念，直接將觀察到的現(xiàn)象與原有知識(shí)發(fā)生作用進(jìn)行“同化”.而提出問(wèn)題則是對(duì)未知的一種假設(shè)和猜想，減小的高度是否轉(zhuǎn)化成了速度？這是學(xué)生認(rèn)知領(lǐng)域的一個(gè)新問(wèn)題，學(xué)生“同化”不了這個(gè)新問(wèn)題，必須用“順應(yīng)”來(lái)處理.這個(gè)為下一環(huán)節(jié)的推導(dǎo)做好了鋪墊.

表2

（3）推導(dǎo)環(huán)節(jié)中，動(dòng)能定理和重力做功與重力勢(shì)能變化關(guān)系、數(shù)學(xué)中的移項(xiàng)和恒等式變換是學(xué)生熟知的知識(shí).利用學(xué)生熟知的知識(shí)，一方面為學(xué)生認(rèn)知搭建臺(tái)階，另一方面利于學(xué)生“同化”.學(xué)生對(duì)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(xué)生的原有知識(shí)發(fā)生作用，“同化”不了，此時(shí)給出機(jī)械能的定義就是“順應(yīng)”，即要用新的知識(shí)來(lái)處理問(wèn)題.為了提出機(jī)械能守恒定律，以下兩個(gè)環(huán)節(jié)也是非常必要的，一是分析與觀察整個(gè)推導(dǎo)過(guò)程，是在不計(jì)阻力前提下推出來(lái)的，從而確定這種形式的條件.二是強(qiáng)調(diào)推導(dǎo)過(guò)程的狀態(tài)選取具有任意性，即說(shuō)明整個(gè)過(guò)程都是滿足的.這種認(rèn)證與說(shuō)明的方法，也是學(xué)生沒(méi)有接觸過(guò)的.通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)的“順應(yīng)”，學(xué)生不僅增長(zhǎng)了知識(shí)，還掌握了一種新的處理運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的方法——守恒的方法，同時(shí)還學(xué)會(huì)了邏輯推理和論證說(shuō)明的基本思路.

（4）由于經(jīng)歷以上知識(shí)的構(gòu)建，應(yīng)用舉例環(huán)節(jié)就是讓學(xué)生嘗試“同化”，定性或定量應(yīng)用機(jī)械能守恒定律.這個(gè)環(huán)節(jié)可采用程序性知識(shí)的表述方法來(lái)處理，即：選定研究過(guò)程、判斷是否滿足條件、選定零勢(shì)能面并確定始末狀態(tài)的機(jī)械能、利用機(jī)械能守恒定律列式求解.

由上分析可知，在這個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)中，“同化”之中穿插“順應(yīng)”，在“順應(yīng)”之中也涉及“同化”，在“同化”與“順應(yīng)”的交替之中完成了機(jī)械能守恒定律的知識(shí)構(gòu)建.在知識(shí)構(gòu)建過(guò)程中明白了學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒定律的意義和價(jià)值以及它在物理學(xué)中的地位.

四、機(jī)械能守恒定律的教學(xué)價(jià)值

如前所述，用機(jī)械能守恒定律解題，應(yīng)該不是教學(xué)該內(nèi)容的主要目的.學(xué)習(xí)機(jī)械能守恒定律，就是要學(xué)習(xí)并掌握物理學(xué)研究問(wèn)題的一般思路——從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從特殊到一般.尋求守恒量是物理學(xué)研究的一個(gè)方向，正如德國(guó)著名物理學(xué)家勞厄所說(shuō)：“物理學(xué)的任務(wù)是發(fā)現(xiàn)普遍的自然規(guī)律.該規(guī)律最簡(jiǎn)單的形式之一表現(xiàn)為某種物理量的不變性，所以對(duì)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(guò)“同化”與“順應(yīng)”來(lái)完成機(jī)械能守恒定律知識(shí)的構(gòu)建，就是希望通過(guò)看得見(jiàn)的變化——高度與速度變化，提出探究問(wèn)題——高度是否轉(zhuǎn)化成了速度？利用已知知識(shí)（“同化”過(guò)程），尋找轉(zhuǎn)化規(guī)律，得到看不見(jiàn)的守恒量（“順應(yīng)”過(guò)程）.在“同化”與“順應(yīng)”的交替過(guò)程中，完成了知識(shí)構(gòu)建，形成了機(jī)械能守恒的物理觀念，經(jīng)歷了科學(xué)探究過(guò)程，進(jìn)行了科學(xué)思維與推理，培養(yǎng)了認(rèn)真負(fù)責(zé)的科學(xué)態(tài)度，從而達(dá)成了教學(xué)目標(biāo)，發(fā)揮了該教學(xué)內(nèi)容在培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)方面的作用與價(jià)值.

［1］皮連生.學(xué)與教的心理學(xué)［M］.上海：華東師范大學(xué)出版社，2009.

［2］施良方.學(xué)習(xí)論［M］.北京：人民教育出版社，2001：172.