从动力学观点到能量观点的“阶跃”——“追寻守恒量——能量”的教学反思，本文主要内容关键词为：能量论文,观点论文,力学论文,阶跃论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理教育的总目标是提升学生的科学素养，其核心是学生能理解科学的本质及基本观点，应用科学知识参与社会生活和公共决策等。引导学生认识物理观念、物理思想的演进是提升科学素养的途径之一，因为“物理学发展的历史，本质上就是物理学基本观念演变的历史”[1]。长期以来，物理教科书并未将科学思想史的宏观脉络以及蕴含的科学方法详实地展现出来，对“动力学观点到能量观点的‘阶跃’、古代物理到现代物理的‘过渡’、培根传统与数理传统的‘碰撞’等科学思想史上的宏观问题则鲜有提及”[2]。“追寻守恒量——能量”这节课的教学，是我们对从动力学观点向能量观点“阶跃”的一次尝试，这节课以物理学思想史为主线，培养学生寻找守恒量的意识，感悟守恒思想的重要性。 一、教科书编写意图分析 在以往的教科书中，一般是定义功的概念后才说“一个物体能对外做功，就说它具有能”。接着举例说明，做功伴随着能量的转化，得出“功是能量转化的量度”。这样处理，容易使人感到定义功是为了定义能。先有功的概念，才会有能的概念。实际上在物理学中能量并不是由功定义的，能量概念是在人类追寻“运动中的守恒量是什么”的过程中发展起来的。能量概念之所以重要是因为它是一个守恒量，而守恒关系一直是自然界中客观存在的一种十分重要的关系，也是重要的研究方向。基于这种思考，教科书将“追寻守恒量”放在机械能守恒定律的第一节，从伽利略斜面实验所隐藏的守恒思想出发概括出能量的概念，再定义势能、动能、势能与动能的相互转化，以及转化过程中的守恒关系。即从追寻守恒量出发，引出了能量概念。同时把守恒思想贯穿于能量学习的全过程中。 二、教学片断评析 1.创设情境，引入新课 师 “真理一旦被发现后，都是易于理解的，重要的是去发现它们”。物理学的任务就是研究物质运动的基本规律。物理规律在形式上有两种：一种是因果关系，如牛顿第二定律；还有一种是守恒关系，我们此前并没有专门细致研究过守恒规律，但生活中，有很多体现守恒关系的事例。 [情境1]《庄子·齐物论》中讲了一个朝三暮四的故事。狙公赋芧，曰：“朝三而暮四。”众狙皆怒。曰：“然则朝四而暮三。”众狙皆悦。这个故事说明了什么问题？ 生 朝三暮四和朝四暮三，果子的数量是一样的。但早上吃四个，猴子心情好；晚上反正要睡觉，三个就三个吧。 师 这是你的真实想法吗？（学生笑……表达自己的看法。） 师 这里隐藏着一个什么思想？ 生 守恒的思想。 评析 “朝三暮四”故事的使用，配之以图片或视频，学生在轻松并充满趣味性的情境中，体会数量关系中的守恒思想。在一些教学案例中，教师采用《费恩曼物理学讲义》中讲守恒思想时“找积木”的故事，实际上是将简单的问题复杂化。而费恩曼讲那个故事有他自己的用意，不假思索地“拿来主义”有所不妥。 2.认识守恒量 [情境2]量筒中装有100 mL水，将一部分水倒入烧杯，如何知道烧杯中水的体积？ 生 看量筒剩余水的体积。 师 这样做的依据是什么呢？ 生 因为水的总体积不变。 [演示1]将烧杯中的水倒入另一个量筒，测出水的体积，验证学生的说法。 师 如果我倒水的速度快一些，或者慢一些，会不会影响结果呢？ 生1 不会。水的总体积不变，与倒水的快慢无关。 生2 一个量筒中的水的体积减小，另一个量筒中的水的体积必然增加，但水的总体积保持不变。这个过程可以写成一个表达式，就是
=V。 师 这个过程中有变化，变化中还有不变量，我们把变化中的不变量就叫守恒量。 师 通过刚才的例子，实际上找到了一种寻找守恒量的方法。如果我们非要把这种守恒关系写成一个等式的话，可以用f（a）+f（b）=C来表示。 评析 教学中选用“倒水”这个学生从幼年就建立起来的朴素的守恒观念，有人认为过于简单。实际上，一方面是对学生头脑中的前科学概念的重视，在学生原有知识的基础上，找到同化新知识的增长点，实现知识的有效建构。另一方面，用简单的定量关系，引导学生体会守恒的含义，以及研究守恒的方法，提供了先行组织者，符合学生的认知规律。 3.探究运动中的守恒量 师 生活中还有没有其他的守恒关系？ 生 质量守恒、电荷守恒…… 师 正是因为变化之中有“不变性”，才使得人们相信自然界是有秩序的，有规律的。运动中的守恒量是什么呢？这曾经是一个非常重要而且引起强烈争论的问题。之所以要研究运动中的守恒量，是因为很多哲学家都坚信“运动不灭”，如著名的哲学家、科学家笛卡儿曾经说过：“物质有一个一定的量的运动，这个量从来不增加也不减少。”这个量是什么呢？ [演示2]如图1，取一单摆，在单摆运动平面的后面放一张标记了水平线的纸，将摆球由静止释放，摆球的运动有什么特点？
生1 （描述现象）小球由静止向下摆动，越来越快，到最低点后向上摆动，速度减小。如此往复。 生2 小球摆动到左边的最高点B和释放点A好像在同一水平线上。 师 来看一个慢镜头，仔细观察小球高度变化与速度大小之间的关系。 [视频]播放单摆运动的频闪视频。 师 从视频中能得到什么启示？ 生 小球在运动中，高度降低、速度增大，速度减小、高度增加。摆动过程中的最高点与原来的高度相同。 师 嗯，正是在对摆球的研究过程中，伽利略得到了启示，设计了一个理想斜面实验。 [演示3]（学生演示并讲解）重温伽利略理想斜面实验，如图2。
师 两实验的共同特点是什么？ 生 高度降低、速度增大；高度增加、速度减小；如果没有阻力，回到相同的高度。 师 这个过程中，有没有一个量是守恒的呢？想一下，我们是怎样研究守恒的。 生1 （h+v）守恒。 师 对不对呢？ 生2 单位不同，不能直接相加。 师 如果换成f（h）+f（v）=C，大家觉得如何？ 生 可以，与高度有关的物理量和与速度有关的物理量之和保持不变。 师 这样就可以相加了，后来的物理学家把这个事实说成“某个量是守恒的”，并把这个量叫做能量。 评析 通过对单摆运动的观察及伽利略理想斜面实验的重现，学生在描述实验现象的过程中，发现小球的高度与速度之间“此消彼长”的特点，和“倒水”事例形异质同，运用研究守恒的方法提出能的概念。这个环节是本节课的核心环节，从其他老师的教学视频可以看到，对这个过程的处理，还是有很多问题的：一是让学生小组自己摆弄单摆，发现高度相同，归纳出能量守恒，看似为探究式教学，实则并未深刻体现研究守恒的方法；二是对斜面实验的运动过程分析不够，而直接付诸于数学推理，利用牛顿第二定律证明机械能守恒，这种做法有越俎代庖之嫌，且定量的计算远没有对实例的定性分析更能体现物理图景。 4.势能和动能 师 我们很容易从两个实验提出能量的概念，实际的科学发展却没有这么一帆风顺。能量的概念太抽象，以至于牛顿物理学未能把“能量”的概念留给我们，笛卡儿学派和莱布尼兹学派经历了长达大半个世纪的争论，最终才区分了动量和动能这两个概念。正因为能量这个概念抽象，一般我们是从能量的具体形式研究能量的。如在伽利略的实验中，高度降低，速度增大；速度减小，高度上升；说明小球有两种不同形式的能量。 [定义]（1）相互作用的物体凭借其位置而具有的能量叫做势能。 （2）物体由于运动而具有的能量叫做动能。 （3）把势能和动能统称为机械能。 师 请大家从能量的观点，分析一下伽利略的理想斜面实验。 生 小球到达斜面A的最高点，具有重力势能，从斜面A下滑，重力势能减小，转化为动能；滚上斜面B的过程，动能减小，转化为重力势能。到达斜面B与A的最高点相同高度的位置，动能减小为零，总的机械能守恒。 师 如果不用能量的观点，用力的观点怎样解释？ 生 小球下落，速度增大，由于惯性，滚上第二个斜面。 师 用力的观点，能否解释小球到达相同的高度这一个事实？ 生 可以，用牛顿第二定律计算分析。（分析过程从略） 师 如果将斜面改成曲面呢？ 生 那就不行了，计算太复杂。 评析 限于学生知识基础和后续学习的需要，本课只在机械能范围内认识动能和势能及其相互转化，并未涉及其他形式的能量及普遍的能量转化与守恒定律。分别从能的角度和力的角度分析伽利略理想斜面实验，发现利用能的观点，更能简洁地解释理想斜面实验中小球滚上相同的高度这一事实，体现守恒思想的优越性。在一些教学案例中，教师草草对理想斜面实验分析后又讲解了能量及其守恒定律的具体内容和实例，以及能量守恒定律会导致新发现等，如中微子的发现。这些内容不应该出现在本节课的教学中，“用教科书教”和对教科书的“二次开发”等理念的实施，应建立在预设的教学目标的基础上。否则，对课堂教学的评价就会游离于目标之外而变成自我喜好的空谈。 三、思考与讨论 这节课是我们对从动力学观点向能量观点“阶跃”的一次尝试，值得反思的地方很多。 第一，守恒思想的确立。对于学生而言，守恒观念的建立并不困难。皮亚杰的研究表明，儿童在具体运算阶段已经“获得了长度、体积、重量和面积等的守恒，能凭借具体事物或从具体事物中获得的表象进行逻辑思维和群集运算”[3]。这说明，守恒的思想并不需要仅从物理课中寻找，而是学生已经拥有的观念。教学中应依靠学生原有的观念进行升华，得出守恒的特点和研究守恒的方法。 第二，实际上，就教科书本身和教学方案而言，并未能彻底实现从动力学观点向能量观点“阶跃”。这是因为，机械能守恒定律是能量守恒定律在机械运动中的一个特殊情况，伽利略研究摆的运动和斜面问题，只是能量守恒思想的一个萌芽。而17世纪，笛卡儿才明确地提出运动不灭的思想。牛顿支持笛卡儿的观点，且用mv表示“运动的量”。以后莱布尼茨引入活力的概念，首先提出活力守恒原理，他认为用
量度活力在力学过程中是守恒的，宇宙间的“活力”的总和是守恒的。对这个问题，笛卡儿学派和莱布尼兹学派之间发生了一场长达半个多世纪的争论。直到19世纪，才从理论上定义出功为力对距离的积分，澄清了功和“活力”概念之间的数学关系，为能量的度量提供了依据。 第三，物理学历史中能量概念的建立以及能量守恒定律的最终确立，并非是一个简单过程。在这一历史演变的过程中，诸多科学家在不同领域积累了大量的研究成果，如卡诺等人对蒸汽机效率的研究，迈尔、亥姆霍兹对生理学现象的研究，焦耳、法拉第对电磁现象的研究等。他们研究方法与思路（如迈尔侧重哲学的思辨与经验事实的概括，焦耳强调实验的验证与测定，亥姆霍兹结合了哲学与数学的表达与论证）各不相同，却殊途同归。正如范岱年先生所言：“（能量转化与守恒定律）是多方面经验事实（19世纪30年代的机械、电磁、热、化学、生命运动的相互联系与转化的图景）的累积与归纳，是对一系列传统观念的突破（如区分动量与动能的概念、否定燃素说与热质说、反对电流的接触说等）与能量概念的形成和明确过程”[4]。因此，什么时候、用什么方法进行“能量守恒定律”的教学是一个值得研究的问题。这个问题的解决，将有助于学生对物理观念、物理思想的演变，科学的本质，科学发现的一般过程与方法，科学与哲学、技术以及社会的关系等有一个清晰的认识。显然，教师对科学本质的理解，对物理学思想史的演变过程的了解，即教师的科学本质教学知识对实现上述目标有着举足轻重的作用。 编辑手记：“经验+反思=成长”是大家耳熟能详的公式，如何写好教学反思？本文或许能够提供一个范例。文章不仅介绍了作者对“追寻守恒量——能量”这节课所持的教学理念、具体的教学过程和设计意图，还对其他课例及其优缺点进行了基于教学理论的评析，并对教材与课程进行了深度思考。从重演论出发，以物理思想史为主线，追寻人类思维的脉络，在规律教学中渗透科学本质教育，是“追寻守恒量”一课设计的精髓所在。从动力学观点到能量观点，是一次“阶跃”，“什么时候，用什么方法进行能量守恒定律的教学”问题的提出，则不再仅是对教学的反思，更是对教材、对课程的反思。由教学反思到课程反思，又何尝不是一次“阶跃”呢？
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从动力学到能量观的“台阶”--“追求守恒量-能量”的教学反思_动力学论文
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