对初中物理“功”概念的教学思考

吴弟斌

(重庆市巫溪县城厢中学校,重庆 405800)

在人教版初中物理教材中“功”的概念出现在第十一章《功和机械能》的第一节,功是研究简单机械的关键概念,也是理解能量概念的基础。在教学中部分老师对该节的处理单纯为应付考试的要求,直接讲解做功的两个必要条件和不做功的三种情况,然后给出功的定义，并进行相关的练习;也有老师根据教育重演论,根据功的概念起源和历史演变为逻辑组织教学活动,使课堂形成一种曲高和寡的教师独角戏;还有老师利用功的概念中涉及的乘积定义法为教学逻辑主线,通过显现科学方法的方式组织教学,学生往往对用乘积定义法的必要性还是不明就里,更无法体会乘积定义法背后所体现的累积思想。上面这些情况的共同之处都是忽略了学生的认知水平和特点,只关注学习结果而忽略了学习过程。笔者试图从学生的认知视角，对“功”的概念教学问题进行探讨,使教学设计更加符合学生的认知逻辑。

1 功的研究对象

图1

在功的概念教学中,很多老师没有让学生明确功的研究对象,使得学生无法准确理解功的概念,这种情况在后续解决问题的过程中就会暴露出来。例如求人水平匀速推箱子所做的功,题设条件是水平地面对箱子的摩擦力和箱子所受重力,学生会直接用某个力,甚至有的同学将摩擦力和重力相加,这都是因为没有明确功的研究对象、对功的概念理解不到位引起的。功的研究对象是什么呢?其实教材中的表述很明确，人教版的描述是:“如果一个力作用在物体上,物体在这个力的方向上移动了一段距离,就说这个力对物体做功。”很显然,功研究的是某一个力作用于物体上所产生的累积效果,其研究对象就是力。沪粤版教材还专门就此问题进行了强调:“研究力做功的问题时,还要明确谁施力,谁受力,即谁对谁做功。”这就提醒我们在研究功的问题时首先要明确研究对象,这是准确理解功的前提,也是处理后续疑难问题的基础。比如,吊车吊着物体水平移动，学生对拉力不做功疑惑不解,觉得物体移动了一段距离拉力就应该做了功。如果老师在教学中让学生明确此时功的研究对象(即研究哪个力)，学生通过分析，明确研究对象是绳子对物体竖直向上的拉力,物体只有在竖直方向上移动了一段距离,拉力才会做功。而此时物体在竖直方向上移动的距离为零,拉力并没有做功。再看吊车和重物组成的整体,在发动机牵引力的作用下水平前进,吊车和重物在牵引力的方向上移动了距离,因此牵引力做了功。那么，应该以什么样的方式让学生明白功的研究对象呢?以水平匀速推动一本书为例(图1),对书进行受力分析,书受到重力G、支持力N、推力F、摩擦力f四个力的作用,书在水平方向移动了一段距离，哪个力做功了?学生自然会明白是推力F做了功(初中阶段不研究做负功的情况)。由此提醒学生：在同一个情境中,有的力做功,有的力不做功。所以,在判断做功的问题时首先要明确是研究的哪一个力、是什么方向的力,再来进行判断。

2 教学逻辑主线的确立

在确立教学的逻辑主线时,需要从以下3个方面进行分析:(1) 分析教材内容的知识结构和逻辑关联。包括本节内容在教材体系中的地位和作用，本节内容所包含的知识点和方法、本节知识的内涵、层级关联等所构成的知识结构,称之为学科知识逻辑线;(2) 基于课标对本节内容的要求,分析、确定学生在知识、方法、能力等不同层面的认知目标,以及目标达成的评价方式与评价指标等,称之为认知目标逻辑线;(3) 基于学生认知水平和特点,分析知识的呈现方式、加工过程和加工水平要求,确立认知演进的逻辑顺序与层级水平,称之为学生认知逻辑线。针对“功”概念历史演进的丰富内容和教育价值,还应分析第四条逻辑线,即物理学史逻辑线。在这4条互相交错和关联的逻辑线中,应以认知目标逻辑线和学生认知逻辑线为主,适当渗透学科知识逻辑线和物理学史逻辑线,即依据“两主两辅”的原则，确定教学的逻辑主线(图2)。

图2

从学科知识的角度分析,功是学生在学了力以及运动与力的关系之后，进一步研究力作用于物体所产生的成效,并为研究功率和机械效率做准备,也是理解能量概念的基础。从认知目标的角度分析,《义务教育物理课程标准(2011年版)》对“功”的要求是:“结合实例,认识功的概念,知道做功的过程就是能量转化和转移的过程。”[1]本节课的主要目标就是建构功的概念,即通过实例让学生明白功的含义,通过做功与不做功的实例分析，确定做功的两个必要条件,知道功的定义并能进行简单的计算。从物理学史的角度分析,功的概念起源于早期工业革命的需要,当时的工程师为了比较蒸汽机的效能，逐渐同意用机器举起的物体重量与高度之积来度量机器的输出,并称之为功。1831年科里奥利在《论刚体力学及机器作用的计算》一文中,明确地把作用力和受力点沿力的方向的位移的乘积叫作“运动的功”。[2]因此,从功的概念起源来看,功属于人为规定,在功的定义与计算上,属于乘积定义法,反映了累积的思想。[3]

从学生认知的角度分析,学生形成、理解和掌握概念是一个十分复杂的过程,一般分为三个阶段:首先要在一定的物理情境中获取必要的感性知识;然后要运用科学方法,通过思维过程理解新事物,再用数学方法表达概念;最后,在反复应用概念去解释现象或解答问题中,不断加深对概念的认识和理解。[4]另外,八年级学生对事物细节的观察力、辨别事物差异的准确率、理解事物的抽象程度等方面均在不断地发展,能够越来越熟练地得出结论、解释推理和检验假设,尤其是面对熟悉的情境与事实时。[5]但是,八年级学生的形式运算思维还处于初级发展阶段,容易产生片面性和表面性的认识,还特别依赖于感性的经验支撑和具体的方法指导,同时也受到动机和情绪的影响。结合功的教学内容,从学生的视角分析,学生需要以熟悉的、真实的情境引入课题,以激发其学习动机;在功的概念形成的切入点上,利用学生能理解的“成效观念”帮助学生建构概念,注重概念的形成过程,注重在运用概念解决真实情境性问题的过程中加深对概念的理解;对功的乘积定义法以及所体现的累积思想则采用隐性渗透的方式,同时适当渗透功能关系,为后续的学习埋下伏笔。因此,笔者以“怎样可以将实心球扔得更远”的真实情境为依托,以“研究力的成效”为建构功概念的思维主线,从而设计出与学生认知特点和认知规律更加适切的教学逻辑主线(图3)。

图3

3 做功的两个必要条件的呈现

在功的概念教学中,从初步感知、了解功到准确理解功的概念的过程中,对“做功的两个必要条件”的理解至关重要。如果学生对做功的两个必要条件没有准确理解,那么在判断做功或不做功时就会出错,在功的计算和运用相关知识解决问题中就会犯迷糊。教师应精心设计教学流程,引导学生逐渐理解功,并在实际应用中进一步巩固,在练习总结、反思与评价中逐渐内化。因此,做功的两个必要条件应该在何时、以怎样的方式呈现就显得尤为关键。有的教师在学生初步感知和了解功之后,随即给出做功的两个必要条件,然后以此为标准判断做功的和不做功的情况,并对不做功的3种情况(“劳而无功”“不劳无功”“垂直无功”)进行总结,这样的教学过程使得学生没有经历知识的形成过程,学生对做功的两个必要条件的理解只能浮于表面,部分学生甚至根据不做功的口诀进行判断和分析问题,学得很机械,因此无法灵活运用,这种教学方法显然是不可取的。

建构主义学习理论认为：学习是学习者根据自己的经验背景,对外部信息主动进行选择、加工和处理,对所接收到的信息进行解释,生成个人的意义或者说是自己的理解。教师应善于引发学生观念上的不平衡,高度重视对学生错误的诊断与纠正,关注每个学生在认识上的特殊性,努力培养学生的元认知能力。因此,做功的两个必要条件也应该是学生根据教师所提供的情境和支架式问题进行主动建构而成,笔者在教学实践中采用了如图4所示的教学过程。学生在初步感知功的基础上,先尝试描述做功需满足的条件,学生的答案可能并不完整,这也反映了学生认识上的浅表化和片面性的特点;然后教师出示力对物体做功的实例,学生依据力是否有成效判断做功的情况,通过进一步的分析讨论，使学生对做功应满足的条件进行修正,在认识上更加全面准确;接下来教师出示不做功的实例,通过学生的分析讨论进一步明确做功的这些条件是必不可少的,并归纳为做功的两个必要条件,学生对此的认识将更加深刻;最后结合实例分析,让学生进行描述解释,在教师的评价与学生的自我反思过程中将知识内化,引导学生对问题解决过程做出说明、反思，这是促进学生深层理解的有效方法。整个设计过程充分体现了学生的认知逻辑,不仅让学生学会了知识,还经历了知识的建构过程,学生的学习是主动的、思维是活跃的、理解是深刻的。学生只有活学,才能做到活用,这样的设计过程也充分体现了为学而教、学以致用的教学理念。

图4

4 功能关系的渗透

功和能的概念形成经历了漫长的历史过程,[6]最终紧密结合在一起,能是状态量,功是过程量,功是能量转化和转移的量度。功和能的关系是理解功、能概念的重要内容,课程标准对此也明确要求：“知道做功的过程就是能量转化和转移的过程”,各个版本的教材都是先认识功的概念,再以此为基础认识能量的概念。可见,功和能的关系需要逐渐渗透，最终让学生形成相应的能量观念。当然,这也是一个需要逐层进阶、逐步加深的过程,本节课主要是认识功的概念,对功和能的关系只需简单渗透,让学生对做功的过程与能量有关(现阶段学生也可理解为做功的过程需要消

耗能量)有所体会即可。在学完功的内容之后,为了缓解学生的疲倦,调节课堂气氛,可以找几个学生进行一段街舞表演,在动感的音乐和有节奏的舞蹈中放松学生的身心。表演结束后,询问学生:“累吗?能从物理学的角度解释为什么累吗?”学生自然会明白跳舞就是做功的过程,而这个过程要消耗能量。通过这种体验式学习,可以让学生学得更轻松,印象更深刻。

总之,为了促进学生的深度学习,需要教师深度备课，其中的一个重要方面就是深入研究学生的认知水平和认知逻辑,找到课程内容与学生认知相兼容的最佳路径,从而设计出最适切的教学过程。只有从学生视角思考教育教学问题,才能设计出适合学生的教学路径,这是有效教学的基本要求,也是促进学生的核心素养提升的保证。