12.4 能源与可持续发展 教学设计-2026-2027学年高二上学期物理人教版必修第三册

该高中物理教学设计聚焦“能源与可持续发展”，围绕能量转移与转化、守恒定律、方向性与耗散及能源分类展开。通过展示学生日常能源应用场景图片导入，提问引导梳理能量规律，搭建从生活到物理的学习支架。 此资料以生活化情境贯穿教学，热鸡蛋降温实验直观突破能量方向性难点，小组讨论区分“能量总量”与“可利用品质”培养科学思维，结合雾霾等环境素材渗透科学态度与责任。助力学生建立完整能源认知体系，提升教师课堂效率与素养落实效果。

《12.4 能源与可持续发展》教学设计 一、基本信息 1. 学科：高中物理 2. 教材版本：人教版高中物理必修第三册 3. 课时：1 课时（45 分钟） 4. 授课对象：高二年级学生 5. 课题：第 12 章第 4 节 能源与可持续发展 二、学科素养目标 （一）物理观念 1. 能区分能量转移与能量转化，熟记能量守恒定律内容，能用守恒规律分析生活中常见能量变化实例，建立 “能量总量不变” 的物质与能量观念。 2. 理解宏观热现象具有方向性、能量耗散的内涵，区分 “能量总量” 与 “可利用能量品质” 两个概念，破除 “能量多就无需节能” 的错误认知。 3. 掌握能源的多种分类标准，能准确区分一次 / 二次能源、可再生 / 不可再生能源、常规 / 新能源、清洁 / 污染能源，建立完整能源认知体系。 （二）科学思维 1. 通过鸡蛋冷水降温、风力发电、光伏发电等实例开展归纳推理，自主总结能量转化、转移规律，提升模型建构与逻辑推理能力。 2. 针对 “内能不能自发完全转化为机械能”“热量不能自发低温传高温” 开展思辨讨论，辩证分析能量转化的限制条件，培养批判性思维。 3. 结合化石能源开发利用的环境问题，逻辑推导能源消耗与生态破坏的内在联系，建立因果分析思维。 （三）科学探究 1. 依托生活场景、课件图片素材完成课堂实例辨析探究，小组合作完成能量转化判断题，自主梳理能量变化类型。 2. 通过正反假设探究（温水鸡蛋能否自发变热、汽车内能能否变回燃油化学能），自主归纳宏观热过程的不可逆性，体验假设 — 推理 — 总结的探究流程。 （四）科学态度与责任 1. 认识化石能源枯竭、温室效应、酸雨等现实问题，树立节约能源、绿色低碳的生活意识。 2. 了解风能、太阳能等清洁能源的开发价值，关注新能源技术发展，形成可持续发展的社会责任感。 3. 辩证看待人类能源利用发展史，客观认识能源开发推动社会进步、同时带来环境代价，建立人与自然和谐共生的科学价值观。 三、教学重难点 重点 1. 能量守恒定律内容与实际应用； 2. 能量转化、转移的方向性与能量耗散； 3. 能源分类标准与各类能源实例区分。 难点 1. 区分 “能量总量不变” 和 “可利用能量品质降低”，理解能量耗散的本质； 2. 宏观热现象不可逆的内在逻辑，解释生活中能量转化的限制条件。 四、教学准备 多媒体课件（风力发电、水电站、光伏板、化石能源污染实拍图）、煮熟鸡蛋、冷水盆、课堂随堂练习题单。 五、教学过程 环节 1：情境导入，唤醒认知（5 分钟） 教师活动 1. 课件展示一天生活能源应用图片：晨光光能、电饭煲热能、汽车动能、教室电能，依次提问引导学生观察。 2. 抛出三个核心思考问题：我们每天使用的能源从哪里来？这些能源会用完吗？大量使用能源会带来什么后果？ 师生互动 师：清晨阳光、煮饭用电、上学坐车，大家找找画面里有哪些能量形式？ 生（集体）：光能、电能、热能、化学能、动能。 师：这些能量是凭空出现的吗？用完之后彻底消失了吗？今天我们就从能量规律出发，研究能源与可持续发展。 生：不是凭空来的，电要发电、汽油来自石油；用完应该变成别的能量了。 教师板书课题：12.4 能源与可持续发展。 环节 2：新知探究一 能量转移与转化（10 分钟） 教师活动 1. 给出定义：能量形式不变为转移；能量形式改变为转化，展示风电、水电、光合作用能量转化示意图。 2. 出示 4 道实例辨析题，组织学生独立完成后小组互评。 （1）人跑步身体发热 （2）风吹帆船前进 （3）火炉旁冷水升温 （4）灯泡通电发光 师生互动 师：大家观察风力发电机，是什么能量变成电能？ 生 1：风能（机械能）转化为电能。 师：水电站水流下落发电呢？ 生 2：水的重力势能转化为电能。 师：光合作用树木吸收阳光，能量怎么变？ 生 3：光能转化为化学能储存在植物里。 学生独立完成四道辨析题，随机点名作答： 生 4：第一题是化学能转化内能；第二题机械能转移；第三题内能转移；第四题电能转光能。 教师订正总结：同一物体能量形式改变是转化，不同物体同种能量传递是转移。 环节 3：新知探究二 能量守恒定律（8 分钟） 教师活动 1. 板书完整定律内容，拆解两层含义：能量不能创生、不能消灭；只能转化或转移，总量恒定。 2. 讲解两种表达形式、守恒解题三步法。 师生互动 师：太阳能飞机依靠太阳能电池飞行，能量是凭空创造出来的吗？ 生（全体）：不是，太阳能转化为电能，再转化飞机机械能。 师：石子落地停止，机械能消失了吗？能量去哪里了？ 生 5：没有消失，机械能转化为地面、石子的内能，总能量不变。 师：做题时如何利用守恒关系列式？ 生 6：找到减少的能量和增加的能量，两者大小相等。 教师补充例题思路：先判断能量转化方向，再写增减能量表达式，列等式计算。 环节 4：新知探究三 能量转化 / 转移的方向性（10 分钟） 教师活动 1. 演示实验：热鸡蛋放入冷水，展示鸡蛋降温、水升温；提出反向假设：温水和鸡蛋能否自发鸡蛋升温、水变冷？ 2. 讲解两点方向性：热量自发高温→低温；机械能可完全变内能，内能不能自发完全变机械能。 3. 定义能量耗散：各类能量最终转化为难以回收的内能，可利用品质下降。 师生互动 师：大家观察刚煮好的鸡蛋泡冷水，谁的温度下降、谁升温？ 生：鸡蛋降温，水变热。 师：反过来，一盆温水放常温鸡蛋，鸡蛋会自己变烫、水变凉吗？ 生（讨论后统一）：不会，不可能自动发生。 师：这说明热传递有固定方向，所有热相关宏观过程不可逆。汽车刹车，动能全部变成热量散掉，这些热量能自动变回汽车前进的动能吗？ 生 7：不能，热量散失到空气里收不回来。 师：总能量没变，但能用的能量变少了，这个现象叫能量耗散。既然能量总量守恒，为什么我们还要节约能源？ 小组讨论 2 分钟，代表发言： 小组代表：总量不变，但很多能量变成无法利用的内能，可使用的能源品质降低，所以必须节能。 环节 5：新知探究四 能源分类、能源与社会发展（7 分钟） 教师活动 1. 出示四组分类表格，逐条讲解分类标准、特点、实例； 2. 梳理人类能源三阶段：柴薪时期→煤炭时期→石油时期；展示雾霾、冰川融化、枯死森林图片，讲解化石能源带来的环境问题：温室效应、酸雨、光化学烟雾。 师生互动 师：太阳能、风能直接取自大自然，属于一次还是二次能源？汽油、电能呢？ 生 8：太阳能风能是一次能源；汽油、电是二次，需要加工转换。 师：煤、石油用完短期内无法再生，属于？风能水能可以循环使用是？ 生 9：化石燃料不可再生，风、水可再生清洁能源。 师：长期大量烧煤石油带来哪些环境灾难？ 生 10：气温升高冰川融化、酸雨烧坏树木、城市雾霾空气污染。 师：所以人类需要大力开发太阳能、风能等新能源，走可持续发展道路。 环节 6：随堂练习 + 课堂小结（5 分钟） 1. 学生独立完成 3 道选择题，师生逐题核对答案，讲解易错点； 练习1. 据报道，2011年5月13日，世界上最大的太阳能飞机首次实现跨国飞行，它长达63.4m的机翼上覆盖着太阳能电池板．下列说法正确的是（　　） A．太阳能可以转化为电能 B．太阳能不可以转化为电能 C．太阳能的利用，说明能量可以消灭 D．太阳能的利用，说明能量可以创生 练习2.下列说法中正确的是（　　） A．能源开发和利用的过程是内能转化成机械能的过程 B．在能源的利用过程中，能量可利用的品质不会降低 C．石子从空中落下，最后停止在地面上，说明机械能消失了 D．能源的利用受方向性的制约，所以能源的利用是有条件的，也是有代价的 练习3.关于能量和能源，下列说法正确的是（　　） A．人类在不断地开发和利用新能源，所以能量可以被创造 B．在能源的利用过程中，由于能量在数量上并未减少，所以不需要节约能源 C．自然界中只要涉及热现象的宏观过程都具有方向性 D．能量耗散现象说明：在能量转化的过程中，虽然能的总量并不减少，但能量品质提升了 答案：1.A 2.D 3.C 2. 师生共同梳理课堂主线：能量转化与守恒→能量方向性与耗散→能源分类→可持续发展。 师生互动 师：第 1 题太阳能飞机正确选项是？ 生（齐）：A，太阳能转化电能，能量不能创造消灭。 师：第 2 题为什么选 D？ 生 11：能量利用有方向性，可利用品质降低，使用能源存在环境代价。 师：第 3 题核心考点是什么？ 生 12：一切宏观热过程都有方向性。 教师总结：能量总量永远守恒，但转化有方向、利用有代价，开发清洁能源、节约能源是实现可持续发展的关键。 六、板书设计 12.4 能源与可持续发展 一、能量变化 转移：同种能、物体间传递 转化：能量形式改变 二、能量守恒定律 能量不生不灭，转化 / 转移总量不变 ΔE 减 =ΔE 增 三、能量转化方向性 1. 宏观热过程不可逆 2. 能量耗散：内能难回收，能量品质降低→必须节能 四、能源分类 一次 / 二次；常规 / 新；可再生 / 不可再生；清洁 / 污染 五、能源发展与环境 柴薪→煤炭→石油；温室效应、酸雨、雾霾；发展新能源 七、教学反思 （一）课堂亮点 1. 生活化情境贯穿全程，导入采用学生每日接触的用电、出行场景，搭配风电、光伏、化石能源实拍图片，抽象能量规律具象化，学生参与发言积极性高；实物演示热鸡蛋降温实验直观突破 “热传递方向性” 难点，学生通过亲眼观察能自主推翻 “能量可逆” 的直觉误区。 2. 课堂互动分层设计：基础辨析题全员作答、思辨讨论题小组合作、拔高选择题独立完成，兼顾不同层次学生。针对 “为何守恒仍要节能” 设置 2 分钟小组讨论，学生主动区分 “能量总量” 和 “可利用品质”，自主攻克本节课核心难点，落实科学思维素养。 3. 深度融合学科素养，没有套用传统三维目标框架，全部围绕物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任设计活动。课程末尾结合雾霾、冰川融化生态素材，引导学生联系现实生活，主动建立低碳节能的社会责任，实现物理课堂德育渗透。 （二）存在不足 1. 小组讨论时间把控不足，在探究 “能量耗散与节能关系” 环节，部分小组发散讨论过久，导致后半段能源分类讲解节奏偏快，少数基础薄弱学生来不及记录表格分类实例。 2. 缺少学生自主探究小实验，仅依靠教师演示鸡蛋降温，未设计学生动手操作环节，科学探究素养落地不够充分；对于新能源（核能、潮汐能）仅简单举例，没有拓展简单工作原理，学生对新能源认知较浅层。 3. 师生互动提问覆盖面有限，课堂主动发言集中在前排活跃学生，后排内向学生缺少单独作答机会，未能充分掌握全体学生的知识漏洞。 （三）改进措施 1. 优化课堂时间分配，提前设定小组讨论计时，分配一名小组组长控制讨论范围；将能源分类表格提前打印在练习题单上，减少课堂手写记录时间，预留 2 分钟补充新能源拓展介绍。 2. 增设学生微型探究任务：课前准备一次性纸杯、温水、冰块，分组动手感受冷热传递，自主验证热传递单向性；补充 1 分钟短视频简单介绍光伏发电、风力发电内部原理，丰富新能源认知。 3. 采用随机点名、小组轮流作答相结合的提问方式，刻意引导后排学生回答基础辨析题，及时给予鼓励，提升全体学生课堂参与度；课后收集学生错题，整理易错点下节课课前复习。 八、作业布置 1. 书面作业：整理本节课四种能源分类表格，每种分类列举 3 个实例；完成课后配套习题。 2. 实践作业：统计家中一日用电、用气情况，写出 4 条可行的家庭节能措施。 ( 1 ) 学科网（北京）股份有限公司 $