初中物理教科书中的能量概念比较研究，本文主要内容关键词为：书中论文,教科论文,能量论文,物理论文,初中论文，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。
教育部制订的《全日制义务教育物理课程标准（实验稿）》中将能量概念确立为物理学科中的核心概念之一，作为一级主题展开。但能量概念相对于其他的物理概念来说有其特殊性，例如，能量概念界定的多样化、本质的抽象性、内涵丰富性等。本文试通过比较国内外不同的初中物理教科书，讨论关于能量概念的教学方法及呈现方式，同时也希望给目前课程改革中的众多教科书编写者提供更多的参考。
我们分别选取中、英、德三个国家的一套初中物理教科书进行比较研究，分别是我国人民教育出版社出版的《义务教育课程标准实验教科书·物理》（以下简称《人教初中物理》），英国剑桥大学出版社出版的《核心物理》，以及特别以能量为主线设计的德国卡尔斯鲁厄初级中学物理课程所使用的教科书（以下简称《卡尔斯鲁厄物理》）。
一、各套教科书中能量概念的比较
（一）各套教科书中能量概念的整体介绍
综合考虑能量概念和中学物理教科书的特点，我们对上述三套初中物理教科书中能量概念的呈现方式选择以下四个方面进行比较：1.教科书中对能量概念的界定；2.介绍能量概念的切入角度；3.能量概念内容的选择和处理；4.呈现能量概念的结构特点。表1列出三套教科书在上述四个方面的简要比较说明，具体的比较分析将在后面分别详述。
（二）对能量概念的界定
能量是一个极其抽象的概念，从什么样的角度来界定能量，是教科书中如何呈现能量概念的基础。由表1可知，不同的物理教科书中对能量的界定差别较大。
表1 教科书中能量概念的整体比较
《人教初中物理》主要是以功来界定能量的。能量是一个抽象的概念，但是功的概念很具体，也容易度量，学生在学习时可以通过具体的做功来了解抽象的能量的变化。但另一方面，我们也必须看到，采用做功来定义能量会给学生造成一定的错误认知。例如，本书定义物体能对外做功就具有能量，而并没有提及能量转换器的概念。这样的处理容易使学生认为通过用电器得到的机械能、内能、光能等能量都属于用电器本身，而不是由电能转化而来的。如果这些错误认知在后续的学习中不能被很好地修正，则会妨碍学生对能量概念的整体建构。
《核心物理》的最大特点是，利用学生的生活经验，从实际生活出发来阐述能量概念，强调能量在实际生活中是一种很有用的东西。采用这种对生活经验进行描述的方法，使学生将所要介绍的能量概念与自身的前概念相结合，得到一条认识能量的途径。然而，用生活经验描述的阐释方法不能触及能量概念的本质，显得过于生活化，学生不能更好地从科学的角度看待能量概念。
《卡尔斯鲁厄物理》中，能量作为一种实物型物理量，能够储存在某一系统中，或从一个系统流入另一个系统，在储存或流动过程中，需要具体的能量携带者作为载体。这一处理方法通过将抽象的能量概念与具体的能量携带者结合在一起，让学生通过感知能量携带者的变化来认识能量的存在与变化。这种定义方式能很好地切入能量概念的本质，也能被学生接受，但它依赖于特定的整个物理课程体系，因此应用范围较小，较难推广使用。
各套教科书从不同角度界定能量。我国教科书强调能量与做功的密切关系，英国教科书强调能量在实际生活中的呈现和作用，德国教科书强调能量的实物型物理量的本质。尽管从不同角度出发，所有教科书均以具体的概念或方法来阐释抽象的物理概念。
（三）介绍能量概念的切入角度
能量的抽象本质决定了学生接受能量概念极困难，教材应该从恰当的角度切入介绍能量概念，让学生正确认识能量概念的同时，也更容易接受。
《人教初中物理》先介绍功的相关概念，并以此为基础引出能量概念。学生对能量的认识主要建立在对功的理解上，这有利于学生在后续课程中继续建构关于能量的较为严密的知识系统。值得注意的是，在正式介绍能量概念之前，该书中已经出现了能量这一说法，如在声现象中提到声波可以传递能量并在生活中有广泛的应用。但所提及的能量，都是基于学生对能量的生活经验，直接与生活紧密联系的实际应用。这与该套教科书注重联系实际，突出STS的理念一致。
《核心物理》首先介绍我们日常生活中对能量的需要和参与这些工作的电器。这样的介绍是从纯生活经验的角度切入的，所需的前概念均源于现实生活，学生不会对能量概念感到陌生。学生联系日常生活中使用的电器、能源就能学习能量的转化，并能由此进一步了解能量的其他内涵。这既能引起学生的兴趣，消除学生对困难的物理概念的恐惧，同时也体现了物理与技术、社会的密切联系，源于生活又走向生活，与英国的科学教育理念一致。
《卡尔斯鲁厄物理》列举生活中各种实例，说明生活中需要能量，接着引出能量携带者的概念，列举木头、煤、食物、电等生活中常见的能量携带者。一方面，从学生原有的生活经验出发提出能量概念，使学生容易接受；另一方面，能量与能量携带者一起介绍，用具体真实的能量携带者来反映抽象的能量的存在和变化，也能降低学生对能量概念理解的难度。
（四）能量概念的内容
本研究为了便于比较，综合所选教科书的特征，将教科书中能量的相关内容分为两大类共12个内容点，从详细程度和知识深度两方面来考察。详细程度大致分为三个等级，“很详细”“一般”以及“较简略”，分别记为3、2、1。知识深度也分为三个等级，“定量分析理解”“初步理解”和“初步了解”，也分别记为3、2、1。该数字仅作为等级标定，各数字之间不具有定量关系。由此得出对各套教科书呈现的能量概念内容的分析，见表2。
表2 教科书中能量概念内容
从所选内容上看，《人教初中物理》和《核心物理》都较强调能量概念的一般描述，如能源、能量的形式及转化，能量耗散和守恒等。同时《人教初中物理》也介绍机械能、内能、电磁能等最基本最普遍的能量，以使这一阶段的物理知识体系更完整。但《核心物理》完全不涉及机械能和内能，而添加了能量与生命这部分内容，强调物理知识在生活中的应用。《卡尔斯鲁厄物理》涉及了几乎所有领域中相关的能量概念，甚至包括化学，而关于能量概念的一般性描述，仅仅独特地呈现了“能流”这一内容。在该课程中，“能流”是能量概念最基本的内容，其他内容均可从“能流”出发进行建构。另外需要指出的是，尽管各套教科书中都呈现各领域中的能量概念，但《卡尔斯鲁厄物理》强调能量就是一种能量，它可以在不同领域间的不同能量携带者中流动；而其他教科书强调能量的不同存在形式，在不同领域中对应着不同的能量形式。
《人教初中物理》和《核心物理》对能源和能量的形式及转化都介绍得很详细。其中，关于能源的内容都较全面，包括各种能源的介绍、能源的分类、能源利用的发展、能源问题等，对能源的详细介绍充分体现了编写者对物理与社会的紧密联系的重视。而对能量的形式及转化的详细介绍，既贴近学生实际生活中能接触到的许多不同形式能量以及它们之间的转化，又能够使学生了解物理各领域的紧密联系，加深对物理学统一性的理解。另外，在三套教科书中《核心物理》对能量耗散的内容呈现得最详细，三个层次均呈现该内容，并且从用电器效率、能源利用率、能量转化率等多角度来讨论能量的耗散。这样处理，明显表现出英国教材对物理与社会生活紧密联系的强调。《卡尔斯鲁厄物理》呈现的能量概念的内容几乎都十分详细，这显然因为能量概念在其课程中本身就占据着核心地位。
研究比较的另一方面是各套教科书中呈现的能量概念的深度。《人教初中物理》和《核心物理》主要是较低层次的定性要求，目的在于让学生初步了解关于能量概念的一些基本规律。而《卡尔斯鲁厄物理》对能量概念的每一部分内容都有较高的定量要求，因为该课程体系中，在每个领域中都是以能流、驱动力和相应的流来做定量分析，如力学中
，因此教科书对能量概念的定量讨论相比而言就相当深入。
（五）能量概念呈现的结构特征
编写者对能量概念的理解、整个课程的结构组织、教材选取的关于能量概念的内容广度和深度等，都影响能量概念在教材中呈现的结构特征。
在简单学习了声能、电能等概念之后，《人教初中物理》将能量概念作为一个独立的板块“无处不在的能量”，设置在该课程的最后一部分，这样处理强调物理的核心概念和统一性。另外，学生在学习了物理学各领域的基本知识后，再从一个更高的角度来认识物质世界及其统一性，符合学生对物理学本质认识的发展。
《核心物理》也采用了相对独立的板块来介绍能量概念，但分别在基础概念、巩固部分和发展课目中设独立的单元。基础概念中，主要介绍与生活密切联系的能量和能源；巩固部分稍深入地研究各种能源转化为电能以及用电器中能量转化的途径；发展课目讨论更加广泛深入的能量问题，如能量耗散、能源转化率以及能量守恒等。采用这样的结构，一方面强调能量概念的核心地位，把能量概念作为一个整体较为全面地从各个角度来介绍；另一方面，分三个层次介绍能量概念，逐层深入，逐渐完善学生对能量概念的理解，符合学生的概念发展规律。
《卡尔斯鲁厄物理》首先对能量和能量携带者以及能流过程中的相关概念作整体介绍，然后分别在力、热、光、电等不同物理领域中，通过该领域的特征能量携带者来呈现能量概念的多方面内涵。能量概念在整个课程体系中充当了核心线索的角色。课程从能量、能量携带者及能流的角度来研究物理学的各个分支，将整个物理学以此建立起新结构。这样处理，不仅把能量概念作为一个不可分割整体，而且使整个物理学也成为一个相互联系、统一和谐的整体。
二、总结与建议
（一）研究总结
本文从四个方面对各套教科书呈现的能量概念作比较分析，得到每套教科书能量概念呈现上的特色如下。
《人教初中物理》从功的角度来定义并引入能量概念，着重介绍机械能以及能量概念的基本性质，结构上将能量作为核心概念专门呈现。在处理方式上，注意了物理知识的完整性，也体现了新课程标准的现代理念，展现能量概念与社会生活的联系。该教科书不足之处在于对能量的呈现方式可能会对学生能量概念的进一步发展造成障碍。
《核心物理》紧密联系日常生活，充分利用学生生活经验来介绍能量概念。内容上也强调现实中的能量概念，相对淡化物理结构，注重实用性而不注重知识的完整性和系统性。在结构处理上较好地体现了能量概念的核心地位，并注意了能量概念的层次结构。相对其他教科书来说，《核心物理》难度较低，知识较为零散，缺乏系统性，对学生进一步建构更完善的能量概念有着相对不利的影响。
《卡尔斯鲁厄物理》将能量概念作为课程的核心线索，以生活中的能量携带者为切入点引入能量，并以能流为核心内容来展开介绍能量。整体上看，体现了物理课程的统一性与现代性，能帮助学生从更本质的角度建构能量概念。但这样呈现能量概念也会明显地提高课程的整体难度，初中阶段学生能否接受如此深度的内容还有待研究。
（二）教科书编写建议
由上可见，三套教科书在处理方式上各有优缺点。综合各教科书的特点，提出如下对教科书的建议。
首先，向学生呈现能量概念时，应该选择合适的具体概念来阐释抽象的能量概念，同时应该考虑学生的前认知，选择合适的切入角度来介绍。作这样的处理时，实质上是给学生能量概念发展所必需的过渡语言，但同时编写者也必须注意这样的过渡语言与科学概念之间的关系。在整体课程中也应在适当的时候不断修正学生概念中与科学概念不符的部分，保证学生的概念向科学概念顺利发展。
其次，能量是一个内涵十分丰富的概念，在能量概念教学时，应该考虑学生的认知发展过程，选择能量概念中合适的内容以恰当的结构逐步分层次地展现给学生。编写者在选择能量概念的内容时，既要考虑学生认知能力与中学物理教学的层次，又需要体现相应课程的教学理念，并与物理课程整体相协调。在此过程中，重点在于如何促进学生在不同阶段正确地建立相对来说更科学的能量概念，并且为后续课程中更好地发展能量概念做好铺垫。