初中生物理能量观念的认知测评与教学建议

王长江 盛洋

摘 要：能量观念是物理学科核心素养的重要内容.本研究以马扎诺的教育目标分类学为理论基础，对初中生的能量观念的认知水平进行理论分析，以785名初中毕业生为实验样本，以自编的初中物理能量观念问卷为研究工具，对初中生能量观念的认知水平进行测评，研究发现：初中生物理能量观念的认知水平整体上处于理解与分析的中间水平;对5种能量子观念的认知都低于分析水平，其中能量转化观得分最低，处于理解以下的认知水平.最后，提出教师应该引导学生建构完整的物理能量知识图景、以能量观念统领能量知识教学的两条教学建议.

关键词：初中物理;能量观念;认知水平;教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）02-0009-04

作者简介：王长江（1972- ）男，宁夏石嘴山人，博士，副教授，研究方向：教师教育、科学教育、物理教学研究;

盛洋（1995-），女，安徽铜陵人，硕士，研究方向：中学物理教学研究.

1 研究背景

能量是《义务教育物理课程标准（2011年版）》的三个一级主题之一，能量观念是物理学中关于能量概念、规律等能量知识的提炼、升华，是对能量世界的一种根本认识，是中学物理学科核心素养的重要内容.

英国教育专家温·哈伦教授曾提出了十个关于科学知识的大概念和四个关于科学本身的大概念，其中关于能量的大概念表述是：在宇宙中能量的总量是不变的，但是，在某种事件发生的过程中，能量会从一种储存形式转化成另一种储存形式[1].美国在2013年颁布的《新一代科学教育的标准》中物理学科包含四个核心概念，物质及其相互作用、运动和稳定性：力和相互作用、能量和波及其在信息技术中的应用[2].能量也是以一个单独的核心概念被提出来，其支撑概念主要包含能量的定义、能量的守恒、能量的转移、能量与力之间的关系以及化学过程中的能量与日常生活.在国内，梁旭认为，观念既然具有总体性和综合性，也必然具有阶段性和结构性，因此他提出了“子观念”的概念，并将能量观念划分成六个子观念，分别是能量普适观、能量多样观、能量转化观、能量量度观、能量守恒观和节能环保观[3].伍苗苗也将能量观念进一步细分，将能量观念划分成五个基本观念，分别是能量本质观、能量形式观、能量转化观、能量耗散观和能量守恒观[4]，并对每个基本观念都进行了解读.

我们注意到，在国内能量观念的相关研究中，更多的是对能量观念内涵以及教学的探讨，侧重的是以教师为主的研究，对于从学生的学习视角，“学生能量观念的认知水平”等相关研究尚未受到重视.基于此，我们开展初中物理能量观念的认知测评研究.一方面本研究将为高中物理能量教学提供学生的认知水平起点，为提升高中物理能量观念教学提供证据支持.另一方面，本研究将为初中物理能量观念教学提供学生的认知水平终点，反映初中生物理能量观念的认知水平，为中学教师改进初中物理能量观念教学提供证据支持.

2 初中物理能量观念的认知水平分析

开展初中能量观念的认知测评研究，首先要对初中物理能量观念的认知水平进行理论分析.

能量观念的建构是一个发展的过程，不同学生对能量观念的认知水平存在差异.马扎诺的“新教育目标分类学”中，将认知水平划分为提取、理解、分析、知识应用[5].依据马扎诺的认知发展理论，我们将学生能量观念的认知发展划分为四个水平：第一，提取水平，学生能够回想起能量的基本概念和规律，在被提及这些知识时能够回忆起相关的定义、公式以及基本信息等;第二，理解水平，学生能够用简单的、概括的形式组织、提炼出能量相关知识的主要特征，并且能够描述和识别出能量知识重要与不重要的方面;第三，分析水平，学生能够比较不同能量知识之间的异同，能够将属性相同的能量知识进行归纳与总结，还能够辨别知识的真伪，以及能够重新组织这些知识产生新的见解并应用于新的环境中;第四，知识应用水平，学生能够将知识应用于具体的任务中，能够选择最佳的选项，能够解决任务中存在的障碍或限制条件，最后能够实现目标.

在相关研究的基础上，我们将能量观念划分成五个基本观念（如图1所示），其抽象定义如下.

能量普适观：能量普遍存在于生活生产中.

能量多樣观：能量可以通过多种的形式来储存，其表现形式是多样的.

能量转化观：各种不同形式的能量之间可以转化，不同物体所具有的能量也可以进行转移.

能量守恒观：能量既不会凭空产生也不会凭空消失，只能从一种形式转化成另一种形式，或者从一个物体转移到另一个物体，在转化与转移的过程中，能量的总量保持不变.

能量耗散观：虽然总的能量是保持不变的，但并不能被全部利用，会有部分能量耗散掉.

每种能量子观念都从提取、理解、分析、知识应用等不同的认知水平进行说明（见表1）.

3 初中物理能量观念的认知测评

问卷题目内容是以提取出的初中能量观念相关知识为基础.问卷采用二段式测验.采用的是主客观题相结合：第一问是以选择题的形式呈现（回答准确记4分，错误记0分），第二问要求学生解释在第一问中作出的选择（按照评分标准，达到提取、理解、分析、知识应用分别记1分、2分、3分、4分）.问卷经过两次专家效度的检验，并经过试测后再次修改，最后形成由10道题组成的正式的测试问卷.

3.1 初中物理总体能量观念的测评分析

利用SPSS22.0统计软件处理数据，对总体样本的集中趋势以及离散程度进行描述，以了解学生能量观念的认知水平.

由表2可知，被试总体能量观的平均分是2.1364，表明初中生能量观念的认知水平处于中等，处于从理解向分析水平过渡的阶段，还不能依据已知知识建构和证明能量观念;不能应用能量观念知识解决具体问题.

从被试总体的回答情况来看，学生解决能量问题时思维更多停留在问题本身，没有发展到“分析”水平.在陈述理由的过程中，很多学生更多还停留在单一的、零散的知识使用状态，还不能够站在能量总体的视角去看待问题.现阶段初中生能量观念水平较低的原因主要有：其一，物理观念（包括能量观念）是核心素养框架下高中物理课程目标的重要内容.核心素养框架下的初中物理课程标准还没有颁布，初中物理教师对培养学生的物理观念目的性不明确，没有在教学中有意识、有计划地培养学生的能量观念.其二，能量知识是有层级结构的.关于能量的一些事实性知识处于低端，能量观念处于顶端.限于初中生思维发展的阶段性，他们对能量知识的认识、理解具象性较多，还没有学会分析、运用知识，因此这也可能造成学生对能量观念的认知水平较低.

3.2 能量子观念的认知测评分析

5个能量子观念的认知水平的平均分层次不齐，但是都低于3.00分，表明被试初中生整体的认知低于分析水平.

3.2.1 能量普适观的认知水平分析

对能量普适观的有两个题目，被试平均分是2.7583，表明学生处于理解水平向分析水平过渡的阶段，部分学生已经达到分析水平，能根据能量的普适性分析自然现象.在学生给出的选择理由中大部分都是“任何物体都具有能量”，还有部分给出的是“任何物体都具有内能”，内能本身就是能量，也就是任何物体都具有能量.

在教科书中对能量的描述是：只要物体能够对外做功，这个物体就具有能量.但并没有说明任何物体都能对外做功，更没有说明任何物体都具有能量这样的结论.被试学生对于下面选项“冰山没有内能，火山有内能”“一节单独的干电池没有能量，将干电池与用电器连接成闭合回路之后干电池才有能量”“秸秆在不燃烧的时候没有能量，在燃烧时有能量”无从判别.部分学生能够概括出能量具有普适性，但在具体问题情境中面对实际的问题时，却不能够灵活应用.

3.2.2 能量多样观的认知水平分析

从测试结果来看，整体初中生的能量多样观处于理解水平向分析水平过渡的阶段.能量是以不同的形式存储于各个物体中，单一物体中也可以同时存储不同形式的能量.不少学生认为空气没有重力势能，导致选项“流动的空气不仅有动能，也有重力势能”判断错误，充分表明：初中主要学习机械能、内能和电能，对其他形式的能量也有所介绍，但不深入.学生对不同形式能量的认识要比对能量普适性的理解难，首先学生要判断一个系统是否存在能量，然后还要识别能量的形式，比理解能量普适性还要多一个过程.而且能量的形式多种多样，有些形式的能量还存在相似性，容易造成学生识别错误.

3.2.3 能量转化观的认知水平分析

对能量普适观的也有两个题目，能量转化观的得分是五个子观念中得分最低的，平均分只有1.7618，说明学生对能量转化观的认知水平是最低的，平均水平处于提取向理解过渡的阶段.

考查能量转化观的题项1的情境是：如图所示是蹦极运动的简化示意图.弹性绳一端固定在O点，另一端系住运动员;运动员从O点自由下落，到a点时弹性绳自然伸直，b点是运动员速度达到最大的点，c点是运动员到达的最低点（忽略空气阻力）.从得分的频率直方图来看，出现三次不连续的集中趋势，第一次是在0分的位置，说明这部分学生对能量之间的转化没有呈现出任何信息或者是没有任何有关系的信息，他们对能量之间的转化是模糊的.第二次出现的集中范围在0.5分到1.5分，结合问卷中具体的得分点会发现，这部分学生能够提取简单情境中的能量信息，但是一旦涉及多种形式的能量之间的转化时，学生就不知道要从何处开始着手.

3.2.4 能量守恒观的认知水平分析

整体的能量守恒观的水平也只达到理解的水平.可能的原因是“能量的守恒观”是中学物理中不断进阶的物理观念.在现实生活中学生错误地认为，能量在转化过程中不断损耗，需要不断地提供能量才能保持原来的状态.受此错误前概念的影响，加上初次接触能量观念，导致学生无法深入理解能量守恒观.尽管部分学生意识到总的能量守恒，但是在具体情境分析时，由于有很多的干扰信息对学生的分析造成一定的困难.

3.2.5 能量耗散观的认知水平分析

能量耗散与能量守恒之间存在密切的联系，学生对能量守恒理解不够深入、认知水平较低，也会导致其对能量耗散的理解无法深入、认知水平不高.多数学生知道能量的转化过程中存在能量的损耗，但也仅仅停留在“提取”層次，至于能量以什么方式损耗、损耗了多少等都需要学生进一步分析，这些问题造成学生学习的困难.另外，在不同的情境中不同形式的能量是以不同的状态存在的，在这个情境中可能是以损耗的能量存在，但在下一个情境中就并非是损耗的能量.这就需要对具体的情境具体分析.

4 初中物理能量观念的教学建议

从测评结果来看，初中生在完成学业后，对能量观念的认知达到理解与分析的中间水平，距离“知识应用”的水平还有很大的差距.针对这一现状，我们认为应该建构完整的物理能量知识图景，以能量观念统领能量知识的教学.

4.1 促进深度理解，建构完整的物理能量知识图景

在以往教学中，教师注重的是学生对能量的事实性知识、概念、规律等的认识及理解，教师会以物理教科书为本，按照教科书上对能量知识的安排逐个攻破，学生形成的仍旧是关于零散的、碎片化的能量知识，是对能量世界的片面认识[6].在教学中有必要将能量的知识层级结构，从事实性知识、概念、规律向上提炼、升华，达到能量观念，帮助学生建构更为完整的能量知识图景.在课时教学、单元教学中，应该帮助学生理清能量事实、概念、规律以及概念之间的联系，寻找到一条清晰的逻辑链条.下面以初中物理“内能的利用”一章为例来说明（如图2所示）.

在未学习本章内容前，学生通过日常的生活已经知道：燃料的使用能够给人类的生活带来便利;各种交通工具为人们出行带来了便捷.通过本章的学习，知道燃料是通过将自身的化学能转化为内能后，再转化成其他的能量;对热机、热值和热机效率的认识加深;涉及的能量规律主要是能量的转化和转移规律以及能量守恒定律.在传统教学中，学生对于能量认知最高阶止步于能量规律（如图2虚线框内左边部分所示）.如果想要对能量知识有更完整的认识，还需要引导学生在此基础上进阶到能量观念.对于内能，应该引导学生认识到：内能是物体内部全部分子做热运动时的分子动能和分子势能的总和;内能只是能量存在形式的一种;能量还是普遍存在于物体中.燃料在使用的过程中，总的能量数量是保持恒定的，但在可利用的品质上是逐渐减少的.

4.2 更新教学理念，以能量观念统领能量知识教学

从传统的能量教学来看，教师也常常设计基本问题，但由于止步于能量概念或能量规律教学，这可能是现阶段初中生的能量观念整体水平较低的一个主要因素.我们建议，为了提高学生能量观念的认知水平，要更新教师的教学理念，以能量观念统领能量知识的教学，以基本问题驱动教学进程，帮助学生将能量知识进行提炼和升华，形成更加完整的认识.同样以初中物理“内能的利用”一章为例来说明（图2的虚框右边部分）.

在设计教学方案时，我们建议应从顶层的能量观念教学预设向底层的具体知识教学预设推进.首先，将能量观念认识转化为能量观念问题，明确在这一章中培养学生什么样的能量观念：能量普适观对应“能量存在有条件限制吗？”;能量多样观对应“能量如何存储于物体中？”;能量转化观、能量守恒观以及能量耗散观对应“能量转化过程中有什么特点？”.其次，将能量观念问题分解为能量规律问题：燃料释放的能量都去哪了？能量消失了吗？再次，将能量规律问题具体化为能量概念问题：“什么是内能？”等.以燃料的使用提出热机，对热机工作原理的分析过程以及能量去向的分析中渗透能量转化、能量守恒以及能量耗散的概念.最后，将能量概念问题具体化为能量事实问题：燃料为什么能给生活带来便利？热机有什么作用？以基本问题驱动的教学设计，将帮助提升学生对能量观念的认知水平，帮助学生建构完整的能量知识图景.

参考文献：

[1]温·哈伦，韦钰译.以大概念理念进行科学教育[J].中国科技教育，2020（01）：80.

[2]韩思思，罗莹.科学教育研究新进展：美国新一代科学教育测评[J].课程·教材·教法，2019，39（06）：131-137+30.

[3]梁旭.物理观念的结构与形成过程探究[J].中学物理教学参考，2018，47（09）： 22-26.

[4]伍苗苗，张军朋.高中物理能量观念的内涵、构成与认知层次[J].中学物理教学参考，2017，46（09）： 1-4.

[5]黎加厚.新教育目标分类学概论[M].上海：上海教育出版社，2010.

[6]谭庆仁.善待学生经验认知，构建正确物理观念——以能量观念的正确构建为例[J].物理教师，2018，39（12）： 34-36.

（收稿日期：2020-10-09）