如何克服學生思維障礙有效建立“功”的概念

彭軍凱

摘 要： “功”是八年級物理教學中極易出錯和難以掌握的一個重要概念，又是一個復合型的物理概念，既涉及距離，又涉及力.同時功的概念比較抽象，物理中的“功”與生活中的“功”有實質性區別，且學生沒有學習能的轉化相關知識，很難認識“功”.理解不了的學生只能死記概念，導致在后續的學習過程中不能靈活應用.本文試著設計新的實驗，讓學生經歷探究過程和科學思維過程，克服學生的思維障礙，自主建立功的概念.

關鍵詞： 功的概念;思維障礙;實驗設計

1 教材現狀分析

筆者查閱多版現行初中物理教材發現，大部分在簡單描述現象后便直接提出功的概念，缺乏思維過程，缺乏對功的物理意義的描述.因此，學生只是處于機械的識記狀態，并不能真正地接受功的概念.只有2012年蘇科版教材使用斜面從功的原理角度設計實驗建立功的概念.但是學生之前沒學習過斜面，且蘇科版中三次提升的不是同一重物，沒有突出 Fs 不變的思想，而且由于斜面本身因素 Fs 與 Gh 相差較大，學生在總結規律、建立概念的過程中仍有困難.

2 學生的思維障礙

直接提出功的概念，既不符合新課改理念，又給學生理解功的概念造成一定困擾，并且功是一個復合型的物理概念，既涉及距離，又涉及力.功的概念比較抽象，物理中的“功”與生活中的“功”有實質性區別，且學生沒有學習能的轉化相關知識，很難認識“功”，因此學生建立功的概念有一定的思維障礙.

對學生而言，建立功的概念主要障礙在于：（1）理解功的意義;（2）理解功的定義中“距離”必須是“力的方向上通過的距離”;（3）理解為什么把“力與物體在力的方向上通過的距離的乘積”定義為功.

3 如何克服學生思維障礙

要克服學生思維障礙，必須以學生的感性經驗為基礎，尋找學生的最近發展區，可以讓學生在自主探究的過程中自主建構知識.

學生的最近發展區是什么呢？ 以北師大版教材為例，學生雖然已經學習了運動和力、杠桿和滑輪等知識;有一定的實驗探究經驗，能組裝簡單滑輪組，知道使用簡單機械可省力而費距離，但對于力與距離的具體關系并不明確.如果能探明力與距離的具體關系，就能在此基礎上理解功的意義.

如何理解功的意義呢？

理解功的意義，首先在于理解“距離”必須是“力的方向上通過的距離”.因此可以設計實驗使物體在力的方向上移動一段距離，讓學生在多次實驗中感受這個過程，使之由感性經驗上升為理性認識.

理解功的意義，關鍵在于理解“為什么把力與物體在力的方向上通過的距離的乘積定義為功”.可以借用學生對“力與距離的具體關系”的困惑提出問題，進行探究.明確了力與距離的關系（即力與距離的乘積不變，是定值），就明確了力與物體在力的方向上通過的距離的乘積的意義，也就明確了功的意義.

那么如何讓力與物體在力的方向上通過的距離的乘積保持不變呢，只有在理想情況下，使用簡單機械將重為 G 的物體提升 h 時， Fs 將與 Gh 相等，從而保持不變.得到 Fs 是一個不變量，學生就易于理解“力與物體在力的方向上通過的距離的乘積”是一個有意義的物理量，從而建立功的概念.為了保證 Gh 不變，從而保證 Fs 不變，可采用簡單機械提升同一重物到同一高度.

4 如何設計實驗

4.1 選擇何種簡單機械

如選杠桿提升重物，則存在如下缺點：（1）力的作用點移動的軌跡是曲線，為學生理解“在力的方向上移動的距離”增加了難度;（2）在測量物體及力的作用點移動的距離時，操作比較困難;（3）提升重物的高度受到限制，需要用較長的杠桿.

如選斜面，則存在如下不足：（1）學生沒有學過斜面，增加了學習難度;（2）實驗應選用摩擦較小的四輪小車，但在測量小車沿斜面移動的距離 s 和小車被提升的高度 h 時，應將小車看作質點，但小車的重心不容易確定，所以測量小車沿斜面移動的距離和被提升的高度 h 均比較困難，導致 Fs 與 Gh 差別較大.

如果選擇滑輪的優勢：（1）拉力的方向與拉力作用點移動的距離在同一直線上，便于學生克服思維障礙;（2）物體上升的距離和拉力作用點移動的距離，都容易測量，只需一把米尺;（3）學生已學過滑輪的相關知識和技能.所以選擇滑輪提升重物比較合適.

4.2 實驗的優化設計

（1）為使滑輪組的組裝更容易，并且盡可能減小細繩與滑輪的摩擦，采用 n =2，3，4的簡單情況（向上拉）進行探究，如圖1所示.

（2）為保證 Gh 不變，從而保證 F s是不變量，采用滑輪提升同一重物到同一高度.

（3）由于無質量的動滑輪不存在，故把物體與兩個動滑輪當作一個整體，計其總重為 G ，以減小 Fs 與 Gh的 差別，如圖2所示.

（4）為減小彈簧測力計的讀數誤差，采用豎直向上緩慢拉彈簧測力計的方式，并采用盡可能重的物體（選用四個約200g的鉤碼）.

（5）為了便于測量上升的距離，在鉤碼和彈簧測力計上都安裝輕質細指針，如圖3所示.

4.3 實驗器材的選擇

根據以上設計，選用如下器材：一個定滑輪、兩個連在一起的動滑輪、10N彈簧測力計（帶輕質指針）、四個200g鉤碼（帶輕質指針）、木質米尺、細線、鐵架臺等.

5 如何進行實驗

（1）把木質米尺豎直固定在鐵架臺上，用調好的彈簧測力計測量四個鉤碼和兩個動滑輪的重量記為 G .

（2）安裝好動滑輪，用一個動滑輪豎直向上提升重物.彈簧測力計豎直向上緩緩拉動，直到把重物提升0.1m，記錄彈簧測力計緩慢移動過程中的示數為 F₁ ，彈簧測力計移動的距離為 s₁ .

（3） 保持重物不變，用一個動滑輪和一個定滑輪構成的滑輪組向上提升重物，彈簧測力計豎直向上緩緩拉動，直到把重物提升0.1m，記錄彈簧測力計緩慢移動過程中的示數為 _F2 ，彈簧測力計移動的距離為 s₂ .

（4） 保持重物不變，用兩個動滑輪和一個定滑輪構成的滑輪組向上提升重物，彈簧測力計豎直向上緩緩拉動，直到把重物提升0.1m，記錄彈簧測力計緩慢移動過程中的示數為 F₃ ，彈簧測力計移動的距離為 s₃ .

（5）將測量的數據記錄在表1中.

6 功的概念的建立

學生在多次實驗過程中體驗到拉力作用點移動的距離一直沿著拉力的方向，這就為學生理解“‘距離必須是‘力的方向上通過的距離”提供了認知基礎，有效克服第二個思維障礙;并且總結數據規律時發現 Fs 與 Gh 近似相等，是一個不變量，從而得出結論：力與物體在力的方向上通過的距離的乘積，是不變量;在物理學中，稱這一乘積為功.

通過實驗探究，學生很好地理解了功的物理意義，理解“力與物體在力的方向上通過的距離的乘積”的意義，從而克服學生建立功的概念的思維困難，有效建立功的概念.

進一步結合物理學史，描述功的意義和由來.“功的概念起源于早期工業革命的需要，當時的工程師們需要有一個比較蒸汽機效益的辦法.在實踐之中大家逐漸同意用機器舉起的物體的重量與高度之積來量度機器的輸出，并稱之為功”[1].科里奧利在“論剛體力學及機器作用的計算”一文中，明確地把作用力和受力點沿力的方向的可能位移的乘積叫做“運動的功”[2].

通過物理學史的學習，學生進一步升華對功的概念的認識，使功的概念建立更有說服力.

7 實驗價值

此實驗從學生已有知識技能出發，引導學生發現問題，經歷科學探究過程和科學思維過程，概括實驗事實，得出新見解，體會研究問題的方法——乘積定義法，促進學生對功的概念的理解，促進學生科學思維能力的發展，也讓學生體驗到學習的成就感，激發學生進一步學習功的積極性.并且整個實驗過程，既實現了自主課堂，并且體現出科學探究彰顯的創新意識和實踐能力，有利于培養學生的核心素養.

參考文獻：

[1]趙凱華，張維善.新概念高中物理讀本（第一冊）[M].北京：人民教育出版社，2006.

[2]向義和.物理學基本概念和基本定律溯源[M].北京：高等教育出版社，1994.