壓強概念的辨析與教學設計

鄭淵方

（福建師范大學物理與能源學院，福建 福州 350007）

當前，國家物理課程標準要求教師重視知識形成的過程與方法，但各種教科書和教學參考書對知識所形成的過程和方法的介紹、說明和解釋還存在諸如系統性、連貫性不夠甚至空缺等問題，造成教師備課的困難.初中“壓強”概念就是這些問題的集中表現.由于教材未給出壓強概念的得出過程和方法的明確信息，教師在上課中有的按比值定義法展開，有的按控制變量法展開，有的即講控制變量法，又講比值法.各學者對這一問題的研究后得出的結論也各不相同.有研究認為，對“壓力的作用效果跟什么因素有關”這一探究實驗的設計可以采用控制變量法；當描述“壓力的作用效果”需要引入新概念時，就需要按照比值定義法的要求建立壓強概念.［1］最近有學者指出，壓強概念得出需要的核心科學方法是比值定義法而非控制變量法，其原因在于比較的核心思想無法繞開.［2］據筆者分析，壓強概念的得出過程應該是控制變量法，現分析并按此方法對壓強概念重新備課.

1 壓強概念教材分析

雖然初中對這些物理量之間的關系局限于定性研究，不能通過實驗得到定量的關系，但應該經過適當的說明后再得出這種關系，從而得到壓強的表達式.若要研究定量的關系，則壓力的作用效果必須是壓縮的長度與原長的比值，而不是壓縮的長度.有些教師表示說這個實驗沒辦法定量研究，因為壓縮的量與壓力和受力面積不成比例.由上述分析可知，實驗不能成功的原因是形變程度界定錯誤，當然這還有待于后續的進一步實驗驗證.

2 固體壓強概念得出的思維過程和研究方法

思維是人腦對客觀事物的本質屬性和事物之間內在聯系的規律性所作出的概括與間接的反映.［5］這句話可以分解成兩部分，前半句是“人腦對客觀事物的本質屬性所作出的概括與間接的反映”，這就是概念的形成.物理概念因此被人界定為，是客觀事物的物理共同特征和本質屬性在人腦中概括和抽象的反映.后半句是“人腦對客觀事物之間內在聯系的規律性所作出的概括與間接的反映”，這就是規律的獲得.思維的過程有分析、綜合、比較、分類、抽象、概括、具體化、系統化等等.概念與規律、判斷、推理、想象等是思維的形式.我們所謂的邏輯思維就是應用概念與規律進行判斷與推理的過程.

總而言之，壓強的概念形成的方法是控制變量法，其思維過程主要有分析、比較和綜合.

3 壓強概念的教學設計

3.1 充分利用學生原有相關知識和生活經驗充當“先行組織者”，同化新知識

有意義學習必須基于學生的已有經驗，教學中讓學生充分思考并暢快表達自己的看法特別重要.教師可采用頭腦風暴的方式激勵學生，學生的已有知識、經驗、看法都可以充當學習新知識的“先行組織者”，作為新的思維內容的固著點.

首先讓學生表述前面學過力的作用效果，引出今天要進一步研究壓力使物體發生形變這一作用效果.并要求學生舉例討論說明壓力的這種作用效果與壓力的關系.學生可能的討論內容有：

（1）壓力越大，壓力的作用效果越明顯，例如，我用壓彈簧、海綿，壓力越大，壓下去的部分形變程度越大……

（2）壓力越大，壓力的作用效果越明顯，但也存在反例，如你用手壓桌子，看不見效果，同樣的力壓彈簧就能看見效果……

（3）壓力越大，壓力的作用效果越明顯，但也存在反例，如你站在海綿上比躺在海綿上作用效果更明顯，但這時你對海綿的壓力好像都等于重力啊……

3.2 教師總結引導，進一步擴展深化學生的思維，明確研究的主題

教師的作用就是及時對學生們的思維進行組織，幫助學生有條理地思維、深化思維，并在總結學生觀點的基礎上，根據教學目標，合情合理地將學生拉回到下一步要研究的問題上.

教師在學生舉例的基礎上，可以再準備一些學生還不熟悉或未想到的實際例子，以使學生具備足夠的感性經驗.最后總結這些實例提出猜想，壓力的作用效果不僅與壓力大小有關，還可能與受力面積、材料的軟硬程度有關.教師提出下一步研究的問題：如果同一種受力的材料，如何研究壓力的作用效果與壓力的大小、受力面積的關系.

3.3 討論確定研究的量的表示方法與問題的研究的方法

教師要讓學生明白科學研究不是想當然，而是必須具體化、可操作化.科學研究也有不同的層次，定量研究是科學研究所追求的，但初步的簡單的定性研究也對問題的解決也是有幫助的.

教師可引導學生共同討論下列問題：

（1）選擇什么材料作為受力物體？

（2）壓力的作用效果用什么量來表示？

（3）壓力由什么提供，如果我們只定性的考察一下，壓力需不需要測量，受力面積需不需要測量？

限于初中學生的知識水平，這里還是不做定量實驗.所以，學生說壓力的作用效果看所選的受力材料的下陷程度就可以肯定學生的想法.

討論后學生還會想到：如果要研究受力面積是否會影響壓力的作用效果，則要在壓力相同的情況下，看受力面積不同時壓力的作用效果如何.研究壓力的影響也要這樣.對于學生的這些表述教師要及時將思維的重點突出，讓學生清楚看到他們用了控制變量的方法.

對于如何研究，學生有各種想法.教師總結學生的想法并告訴學生，這時我們可以記錄數據，得出更精確實驗結果和結論，但我們還可以降低難度做更簡單的不記錄具體數據的叫做定性的研究.就像剛才學生所講的，人站著和躺著一樣，我們可以選擇具有不同表面積的物體，如長方體的磚頭；研究壓力的大小與壓力作用效果的關系時也要保持作用面積相同，磚頭疊起來就可以達到這個目的.

3.4 實驗并得出結論

課堂上的實驗種類和次數都是有限的，但教師不應吝嗇語言的作用，將課堂上的實驗合理地推理到其他的類似的實驗，最后歸納、推理得出科學的結論，結論的適用范圍也與之相一致.

這個實驗比較簡單，現象也很明顯，關鍵是結論的得出.教師首先引導學生總結本實驗的結果.實驗結果表明，對于我們所選擇的材料，當受力面積相同時，壓力越大，壓力的作用效果越明顯；當壓力相同時，受力面積越小，壓力的作用效果越明顯.

3.5 公式意義的討論和應用

物理規律用數學公式表示出來顯得那么的簡潔和完美，但如果教學僅到此為止，則顯得生硬，學生容易“消化不良”.教師最后還應引導學生將公式與活生生的現實結合起來，讓公式“活”起來，具有實際意義.

（1）如果知道了壓力的大小和受力面積，我可以計算出對某個物體的作用效果的大小，通過這個大小我可以準確比較……

（2）當力一定時，我們可以通過增大受力面積而減小壓強，也就是減小對受力物體的損壞，可以保護如路面、地面，應該在建筑上有很多應用……甚至對人的作用，例如書包的帶子要做寬一些……

增加面積起到的作用是什么？（教師在學生的討論中適當提出問題等）學生分析，增大面積就好比是將力分散了，所以作用效果小.而面積小，就是將力集中在小的面積上，作用效果就大.生活中有很多這樣的例子，如用尖的東西刺，容易刺入，啄木鳥嘴很尖，容易啄破樹皮……駱駝的腳掌很大，便于在沙漠中行走……

教學中要多讓學生討論、表達，因為學生之間的討論最可能處在他們的“最近發展區”內，討論更接近他們思維水平和思維內容的實際情況，學生之間的話語也更容易相互理解.討論可以促進積極主動思考，增加課堂氣氛；也可以培養學生傾聽、表達的能力和敢于表達的勇氣.

4 備課總結

備課是一項系統工程，首先必須在知識結構中理解某個知識點，這個知識結構指的是整個學科的知識結構，而不局限于中學的知識內容.其次，要分析知識形成的思維過程和研究方法，要廣泛涉獵物理學史、科學史等，盡量了解當時的研究過程.第三，要以學生為主體，注重學生的已有經驗、學生的思維和學習情感，注重學生能力的培養和習慣的養成.第四，要注重知識的實際意義，實際上就是要體現從“生活走向物理，從物理走向社會”的課程理念.第五，要預估教學過程中學生的表現，對如何進行學習過程的評價進行備課，能對學生的表現進行及時、正確的反饋.

2 邢紅軍，胡楊洋，石堯，王慧.壓強概念教學的高端備課［J］.中學物理教學參考，2013（10）.

3 趙凱華，羅蔚茵.新概念物理教程 力［M］.北京：高等教育出版社，1995：216.

4 漆安慎，杜嬋英.力學［M］.北京：高等教育出版社，1997：355－366.

5 黃希庭.心理學導論［M］.北京：人民教育出版社，1991：428.