基于核心素养的“功”的教学设计

[摘   要]“功”蕴含着典型的物理思想和方法，通过合理的设计让学生经历物理概念和规律的建构过程，将有助于提高他们的物理核心素养。文章通过分析教材、学情，结合核心素养和新课程标准理念设计“功”的教学方案，并在文中相应部分注明“设计意图”。该教学方案以生活实例为基础，以思维为中心，注意引导学生参与各类活动。

[关键词]功;核心素养;等效思想;设计意图

[中图分类号]    G633.7        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2019）32-0038-04

一、教材分析

本课题选自人教版物理必修2第七章《机械能守恒定律》第二节“功”。

1.功的地位与特点

功是联系运动和力的桥梁，功和能是貫穿本章始末的两个重要概念。本章是以“功是能量转化的量度”为教学线索的，如重力势能、弹性势能、动能等具体的表达式都是通过这条线索引入的。后面探究守恒定律，涉及能量的转化过程，而能量的转化与做功是紧密联系在一起的。因此，本章的主干知识都与功有密切的联系，所以，对功的学习，就成为本章的重点。

2.功的内涵的教育价值

本节课蕴含着典型的物理思想和方法，功的概念和公式的学习过程，是物理概念和规律的经典建构过程。让学生经历这样的过程，将有助于提高他们的物理核心素养。

二、学情分析

1.学生具备的基础

学生在初中就对“功”有了初步的认识，学习了力与物体运动方向相同的情况下功的计算。但是，初中阶段是用距离，不是用位移来分析的。在高中阶段已经学习了位移、力的合成与分解、标量与矢量等相关知识。

通过第一节《追寻守恒量——能量》的学习，学生已经认识到，物体受到力的作用，通过一段位移，会产生某种能量的变化，很多情况不需要研究这种能量。即学生已经初步体验到“功与能量转化”的密切关系。

2.学习中可能存在的困难

（1）概念的抽象性。“功和能”是贯穿本章的主线，但它们都是高度抽象的概念。

（2）功是标量的理解。力是矢量，位移是矢量。而功的定义是：“作用于物体上的力和受力点沿力的方向的位移的乘积。”没有矢量的叉乘与点乘的知识做铺垫，仅从功的二要素和定义看，学生往往难以理解功的标量性。

三、教学目标

1.初步认识功与能量变化的关系。

2.理解功的概念，知道做功的两个要素。通过功的概念的建立、计算公式的导出、功的求解等过程培养学生科学严谨的态度。

3.理论探究力与位移成一定夹角时功的公式，体会合力与分力等效的思想方法。掌握功的公式，知道其适用范围，会用公式进行计算。

4.理解正功和负功的意义，理解功是标量，会根据公式计算多个力的总功。

5.体验物理知识在生产生活中的广泛应用，激发探究的兴趣和学习的热情。

6.通过生活实例，培养学生观察生活、热爱生活的良好品质。

四、教学重难点

1.根据课标定重点

《普通高中物理课程标准（2017年版）》对这部分的要求是：“理解功……”“分析物体移动的方向与所受力的方向不在一条直线上时，该力所做的功。”

因此，本节课的重点是，功的概念和功的计算公式。

2.根据学生定难点

从上述学情分析可知，功的标量性是学习难点。

根据教学经验，如果直接问学生：功是矢量还是标量？由于功的二要素都是矢量，学生往往会认为“功是矢量”。受此影响，不少学生在后续处理多个力的问题时，总功与各力做功的关系往往停留在识记阶段，并没有真正的理解。

因此，本节课的难点是，功的标量性以及总功与各力做功关系的理解。

五、设计思想和教学策略

1.设计思想

美国教育家泰勒说：“教师的责任就在于运用各种方法、手段让学生置身于一个可以活跃心灵以及充满智慧与人类经验的环境中。”本节课给学生提供较为丰富的资源，以生活实例为基础，以思维为中心，设计相关问题，引导学生参与各类活动，逐步学习探究问题的方法。在教学过程中渗透运动观、能量观等物理观念，注重培养学生的科学思维和实验探究能力。

2.设计思路

借助多媒体资源，以《西游记》人物猪八戒扶唐僧上马有功、沙和尚挑担无功，引入新课。

功的定义，从功和能量的密切关系入手，利用简洁性原则进行定义。分析改变能量的方式，得到功的二要素，从要素的组合得到功的概念，这种设计符合教材以“功是能量转化的量度”为线索的展开方式。

本节课的设计围绕五个活动展开：为什么要引入功？如何定义功？怎样计算功？正负功的意义是什么？怎样计算合力的功？通过实际情境设置探究问题，采用独立探究，小组探究，师生共同探究的方式，逐步引导学生在讨论、展示、反馈的课堂互动中，建构对功的认识。

重点突破：从上一节《追寻守恒量——能量》谈到能量的转化;从能量的转化和功能关系，使学生明白引入功的必要性;基于生活中的基本动作和学生参与的互动实验，探究“功”的来历和做功的要素;通过力与位移平行、力与位移垂直两种特殊情景，并利用等效思想，推导出力与位移成任一角度的一般表达式;从对功的一般表达式的深化研究得出功有正、负。

难点突破：引导学生分析矢量遵循的合成法则，并通过实例探究几个力做功和它们的合力做功的关系，判断功的标量性;通过“功是能量转化的量度”进一步理解功的标量性，并为以后探究弹性势能、动能的表达式埋下伏笔。

3.教学方式

探究—研讨法，讨论法。

六、教学过程

[创设情境，导入新课]

播放：《西游记》主题曲《敢问路在何方》和相关图片（如图1）。

师：沙和尚挑担和猪八戒扶唐僧上马，都在工作。但是，从物理学角度看，猪八戒做工，有功。而沙和尚做工，却无功 ，为什么？

设计意图：选取长盛不衰的经典故事导入新课，能激发学生的学习兴趣，引起学生的探究欲望。

[新课教学]

（一）功

1.功的二要素

播放视频：列车启动（图2）;起重机吊起货物（图3）;演示射箭（图4）。

组织学生讨论：

（1）这些过程，能量是如何转化的？

（2）这些现象从力和运动方面分析，共同的特征是什么？你能看出来吗？

引导总结：

这些现象的共同特征是：有力作用在物体上，物体发生了一段位移。

师：在工业发展的过程中，科学家通过研究逐渐认识到，如果物体在力的作用下，能量发生了变化，物体一定运动了一段位移。为了研究问题方便，这种现象，我们给他起个名称，叫“功”。

（3）对物体做功的必要条件（要素）是什么？

引导：请大家思考，物体受到力的作用，发生了位移，一定有功吗？

学生思考讨论。

师：下面，请一位同学来做一个小实验，把这个箱子提起来，并匀速走几步。

（4）演示：学生提着箱子水平匀速运动一段距离。

箱子的能量发生变化了吗？

这位同学对箱子的力的方向向哪里？

这个力对箱子做功吗？

引导总结：做功的必要条件是：力和力方向上的位移。

设计意图： ①让学生体会，功的概念是源于社会发展的需要。②引导学生从能量转化的角度得到功的二要素，理解引入功概念的必要性。③体现课标理念：“从生活走向物理。”

2.功的定义

关于功的定义，利用简洁性原则，引导学生对功进行定义。

（1）定义

师：物理学总是追求一种简洁的表示方法。如果你是科学家，请你思考，根据以上做功的实例，在没有别的限制的情况下，功的最简洁的定义应该是什么？

学生思考。

师：这位同学，请你来当科学家，谈谈你给功下的定义。

这位同学的定义是：“力和力方向上位移的乘积。”我们把这个定义与法国科学家科里奥利的定义，进行比较。请看教材57页，第二段，最后两行。

学生阅读。

师：我们的定义与科学家的定义进行比较，结果如何？

生：一样的！

（2）回顾课题引入

猪八戒扶唐僧上马有功，沙和尚挑担无功（如图5）。为什么？

学生思考讨论。

……

设计意图：①引导学生给“功”下定义。②通过分析本节课引入的案例，体现“从物理走向社会” 的课標理念。③通过对比科学家的定义，让学生体会成功的喜悦，从而增强学生研究物理的好奇心与求知欲。

3.功的公式

（1）分解力

根据从特殊到一般的推广思想，并借助等效思想，引导学生探究求功的一般表达式：[W=Flcosα]。

师：这沙僧，累得一身汗，结果还没有功！如果沙僧还是运送行李，他也想做功。怎么办？请大家帮他想个办法。

引导思考：周末的时候，很多学生拉着箱子，回家。

如果沙僧不是挑担，也像大家那样拉“箱子”（图6），沙僧对箱子的拉力方向向哪里？

此时，拉力与位移既不垂直，也不平行。而是成某一角度[α]，此时，力的功又如何表示？

思考1：能不能设法把我们不能处理的，力与位移成任意角的功，转化为能够处理的问题？

思考2：根据合力与分力的概念，力F的作用效果，可以用哪两个我们方便分析的力来等效代替？

① 与方向一致时，功的计算

如图7，物体在水平恒力的作用下，水平运动一段位移l。

则，力做的功如何表示？

[W=Fl]

②与方向垂直时，功的计算

如图8用竖直向上的力提着物体水平匀速前行一段位移。力对物体做了多少功？

力对物体不做功，或者说做功[W=0]。

③力F方向与运动方向成某一角度时，功的公式

学生理论探究。

探究后，利用投影仪展示学生的做法。

总结：利用分解力的方法，将力分解到平行于位移和垂直于位移的两个方向上。将未知的复杂的问题等效转化为两个已知的简单的问题，从而化繁为简、化难为易。

等效思想，是研究自然科学的重要思想方法。

（2）深化拓展：分解位移

在学生根据分解力的方法得出求功的公式后，再引导学生，利用分解位移的方法思考求功的公式。

（3）文字表述

学生思考并总结得出结论。

设计意图：①从特殊到一般，引导学生探究，求功的一般表达式。②渗透等效思想，学会将复杂的不能处理的问题转化为简单的能够处理的问题。③引导学生用准确的语言将精炼的物理公式表述清楚。④培养学生多角度、灵活分析问题的科学推理能力。

4.功的单位：焦耳，符号J

（二）功的正负

师：有了功的公式，功的正负就水到渠成了。请大家讨论做功正负的各种情况。

克服某力做功：力对物体做负功，这个力阻碍物体的运动。在物理学上常常说成，物体克服这个力做功。

设计意图：①理解功的正负及与能量转化的关系，引导学生从多个角度思考问题。②为理解功是标量做好铺垫。

（三）功是标量

通过分析各个力做功的代数和与合力做功的关系，证明功是标量。

1.练习

在光滑水平面上，物体受到两个沿水平方向、互相垂直的大小分别为F1=4 N和F2=3 N的恒力（如图14），从静止开始运动L=10 m，求：

（1）F1、F2分别做的功;

（2）合力做的功。

学生展示，求解过程。

师生共同分析评价……

师：根据上述分析过程，我们可以发现，各个力对物体做的功与合力对物体做的功，有什么关系？

猜想功是矢量还是标量。如何证明你的猜想？

学生分析有困难时，可适当点拨，并引导学生思考：区分矢量、标量的标准是什么？

设计意图：①培养学生发现问题、合理猜测的能力。②利用合成法则引导学生分析功是标量，培养学生的证据意识。③练习功的公式。

2.一般验证

师：这个结果，会不会是一个偶然？其他情况的合成，也遵循代数和关系吗？要想使我们的猜想更可靠，怎么办？

引导学生分析物体受多个力，成任意角的情况。

3.结论：功是标量

设计意图：①引导学生根據合成法则理解功是标量，实现难点的突破。②通过理论探究，培养学生分析论证的能力。

（四）拓展延伸，变力做功

引导学生回忆匀变速直线运动位移公式的推导过程，并迁移到对变力做功情况的分析。

设计意图：①弹性设计，根据时间灵活安排。②类比迁移，培养学生的等效思维能力。③留下悬念，为探究弹性势能的表达式埋好伏笔。

[总结]

引导学生从物理观念、科学思维、科学态度等方面，总结本节课的要点。

（1）你学习了哪些知识？

（2）运用了哪些物理思想方法？

（3）对你感触最深的是什么？

（4）关于功，你还想知道什么？

[作业]

1.（必做）本节学案。

2.（选做）回顾历史，从路程到位移。

早期的工业革命中，工程师用物体受的力与路程的乘积作为机械功的量度。请您查阅资料，了解科学家对功的认识过程。请思考：

在功的定义中，科学家为什么把其中的路程修订为位移？

设计意图：①学以致用，巩固本节知识。②借助科学史，使学生了解功的概念的发展过程，理解其中蕴含的科学思维。

七、板书设计

（一）功

1.定义：力和在力的方向上发生的位移的乘积。

2.功的二要素（略）。

3.公式W = Fl cos α。

4.功的单位：焦耳，符号：J。

（二）功的正负

（三）功是标量，合成遵循代数和

[   参   考   文   献   ]

[1]  人民教育出版社，课程教材研究所.普通高中课程标准实验教科书：物理（必修2）教师教学用书[M].3版.北京：人民教育出版社，2010.

[2]  金逊.科学探究能力目标之本质[J].新课程研究（基础教育），2007（7）：3-6.

[3]  金逊.利用热点时事提高教学效果[J].物理教学探讨，2004（7）：21-22.

（责任编辑 易志毅）