基于核心素養的“功”的教學設計

[摘? ?要]“功”蘊含著典型的物理思想和方法，通過合理的設計讓學生經歷物理概念和規律的建構過程，將有助于提高他們的物理核心素養。文章通過分析教材、學情，結合核心素養和新課程標準理念設計“功”的教學方案，并在文中相應部分注明“設計意圖”。該教學方案以生活實例為基礎，以思維為中心，注意引導學生參與各類活動。

[關鍵詞]功;核心素養;等效思想;設計意圖

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）32-0038-04

一、教材分析

本課題選自人教版物理必修2第七章《機械能守恒定律》第二節“功”。

1.功的地位與特點

功是聯系運動和力的橋梁，功和能是貫穿本章始末的兩個重要概念。本章是以“功是能量轉化的量度”為教學線索的，如重力勢能、彈性勢能、動能等具體的表達式都是通過這條線索引入的。后面探究守恒定律，涉及能量的轉化過程，而能量的轉化與做功是緊密聯系在一起的。因此，本章的主干知識都與功有密切的聯系，所以，對功的學習，就成為本章的重點。

2.功的內涵的教育價值

本節課蘊含著典型的物理思想和方法，功的概念和公式的學習過程，是物理概念和規律的經典建構過程。讓學生經歷這樣的過程，將有助于提高他們的物理核心素養。

二、學情分析

1.學生具備的基礎

學生在初中就對“功”有了初步的認識，學習了力與物體運動方向相同的情況下功的計算。但是，初中階段是用距離，不是用位移來分析的。在高中階段已經學習了位移、力的合成與分解、標量與矢量等相關知識。

通過第一節《追尋守恒量——能量》的學習，學生已經認識到，物體受到力的作用，通過一段位移，會產生某種能量的變化，很多情況不需要研究這種能量。即學生已經初步體驗到“功與能量轉化”的密切關系。

2.學習中可能存在的困難

（1）概念的抽象性。“功和能”是貫穿本章的主線，但它們都是高度抽象的概念。

（2）功是標量的理解。力是矢量，位移是矢量。而功的定義是：“作用于物體上的力和受力點沿力的方向的位移的乘積。”沒有矢量的叉乘與點乘的知識做鋪墊，僅從功的二要素和定義看，學生往往難以理解功的標量性。

三、教學目標

1.初步認識功與能量變化的關系。

2.理解功的概念，知道做功的兩個要素。通過功的概念的建立、計算公式的導出、功的求解等過程培養學生科學嚴謹的態度。

3.理論探究力與位移成一定夾角時功的公式，體會合力與分力等效的思想方法。掌握功的公式，知道其適用范圍，會用公式進行計算。

4.理解正功和負功的意義，理解功是標量，會根據公式計算多個力的總功。

5.體驗物理知識在生產生活中的廣泛應用，激發探究的興趣和學習的熱情。

6.通過生活實例，培養學生觀察生活、熱愛生活的良好品質。

四、教學重難點

1.根據課標定重點

《普通高中物理課程標準（2017年版）》對這部分的要求是：“理解功……”“分析物體移動的方向與所受力的方向不在一條直線上時，該力所做的功。”

因此，本節課的重點是，功的概念和功的計算公式。

2.根據學生定難點

從上述學情分析可知，功的標量性是學習難點。

根據教學經驗，如果直接問學生：功是矢量還是標量？由于功的二要素都是矢量，學生往往會認為“功是矢量”。受此影響，不少學生在后續處理多個力的問題時，總功與各力做功的關系往往停留在識記階段，并沒有真正的理解。

因此，本節課的難點是，功的標量性以及總功與各力做功關系的理解。

五、設計思想和教學策略

1.設計思想

美國教育家泰勒說：“教師的責任就在于運用各種方法、手段讓學生置身于一個可以活躍心靈以及充滿智慧與人類經驗的環境中。”本節課給學生提供較為豐富的資源，以生活實例為基礎，以思維為中心，設計相關問題，引導學生參與各類活動，逐步學習探究問題的方法。在教學過程中滲透運動觀、能量觀等物理觀念，注重培養學生的科學思維和實驗探究能力。

2.設計思路

借助多媒體資源，以《西游記》人物豬八戒扶唐僧上馬有功、沙和尚挑擔無功，引入新課。

功的定義，從功和能量的密切關系入手，利用簡潔性原則進行定義。分析改變能量的方式，得到功的二要素，從要素的組合得到功的概念，這種設計符合教材以“功是能量轉化的量度”為線索的展開方式。

本節課的設計圍繞五個活動展開：為什么要引入功？如何定義功？怎樣計算功？正負功的意義是什么？怎樣計算合力的功？通過實際情境設置探究問題，采用獨立探究，小組探究，師生共同探究的方式，逐步引導學生在討論、展示、反饋的課堂互動中，建構對功的認識。

重點突破：從上一節《追尋守恒量——能量》談到能量的轉化;從能量的轉化和功能關系，使學生明白引入功的必要性;基于生活中的基本動作和學生參與的互動實驗，探究“功”的來歷和做功的要素;通過力與位移平行、力與位移垂直兩種特殊情景，并利用等效思想，推導出力與位移成任一角度的一般表達式;從對功的一般表達式的深化研究得出功有正、負。

難點突破：引導學生分析矢量遵循的合成法則，并通過實例探究幾個力做功和它們的合力做功的關系，判斷功的標量性;通過“功是能量轉化的量度”進一步理解功的標量性，并為以后探究彈性勢能、動能的表達式埋下伏筆。

3.教學方式

探究—研討法，討論法。

六、教學過程

[創設情境，導入新課]

播放：《西游記》主題曲《敢問路在何方》和相關圖片（如圖1）。

師：沙和尚挑擔和豬八戒扶唐僧上馬，都在工作。但是，從物理學角度看，豬八戒做工，有功。而沙和尚做工，卻無功 ，為什么？

設計意圖：選取長盛不衰的經典故事導入新課，能激發學生的學習興趣，引起學生的探究欲望。

[新課教學]

（一）功

1.功的二要素

播放視頻：列車啟動（圖2）;起重機吊起貨物（圖3）;演示射箭（圖4）。

組織學生討論：

（1）這些過程，能量是如何轉化的？

（2）這些現象從力和運動方面分析，共同的特征是什么？你能看出來嗎？

引導總結：

這些現象的共同特征是：有力作用在物體上，物體發生了一段位移。

師：在工業發展的過程中，科學家通過研究逐漸認識到，如果物體在力的作用下，能量發生了變化，物體一定運動了一段位移。為了研究問題方便，這種現象，我們給他起個名稱，叫“功”。

（3）對物體做功的必要條件（要素）是什么？

引導：請大家思考，物體受到力的作用，發生了位移，一定有功嗎？

學生思考討論。

師：下面，請一位同學來做一個小實驗，把這個箱子提起來，并勻速走幾步。

（4）演示：學生提著箱子水平勻速運動一段距離。

箱子的能量發生變化了嗎？

這位同學對箱子的力的方向向哪里？

這個力對箱子做功嗎？

引導總結：做功的必要條件是：力和力方向上的位移。

設計意圖： ①讓學生體會，功的概念是源于社會發展的需要。②引導學生從能量轉化的角度得到功的二要素，理解引入功概念的必要性。③體現課標理念：“從生活走向物理。”

2.功的定義

關于功的定義，利用簡潔性原則，引導學生對功進行定義。

（1）定義

師：物理學總是追求一種簡潔的表示方法。如果你是科學家，請你思考，根據以上做功的實例，在沒有別的限制的情況下，功的最簡潔的定義應該是什么？

學生思考。

師：這位同學，請你來當科學家，談談你給功下的定義。

這位同學的定義是：“力和力方向上位移的乘積。”我們把這個定義與法國科學家科里奧利的定義，進行比較。請看教材57頁，第二段，最后兩行。

學生閱讀。

師：我們的定義與科學家的定義進行比較，結果如何？

生：一樣的！

（2）回顧課題引入

豬八戒扶唐僧上馬有功，沙和尚挑擔無功（如圖5）。為什么？

學生思考討論。

……

設計意圖：①引導學生給“功”下定義。②通過分析本節課引入的案例，體現“從物理走向社會” 的課標理念。③通過對比科學家的定義，讓學生體會成功的喜悅，從而增強學生研究物理的好奇心與求知欲。

3.功的公式

（1）分解力

根據從特殊到一般的推廣思想，并借助等效思想，引導學生探究求功的一般表達式：[W=Flcosα]。

師：這沙僧，累得一身汗，結果還沒有功！如果沙僧還是運送行李，他也想做功。怎么辦？請大家幫他想個辦法。

引導思考：周末的時候，很多學生拉著箱子，回家。

如果沙僧不是挑擔，也像大家那樣拉“箱子”（圖6），沙僧對箱子的拉力方向向哪里？

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

思考1：能不能設法把我們不能處理的，力與位移成任意角的功，轉化為能夠處理的問題？

思考2：根據合力與分力的概念，力F的作用效果，可以用哪兩個我們方便分析的力來等效代替？

① 與方向一致時，功的計算

如圖7，物體在水平恒力的作用下，水平運動一段位移l。

則，力做的功如何表示？

[W=Fl]

②與方向垂直時，功的計算

如圖8用豎直向上的力提著物體水平勻速前行一段位移。力對物體做了多少功？

力對物體不做功，或者說做功[W=0]。

③力F方向與運動方向成某一角度時，功的公式

學生理論探究。

探究后，利用投影儀展示學生的做法。

總結：利用分解力的方法，將力分解到平行于位移和垂直于位移的兩個方向上。將未知的復雜的問題等效轉化為兩個已知的簡單的問題，從而化繁為簡、化難為易。

等效思想，是研究自然科學的重要思想方法。

（2）深化拓展：分解位移

在學生根據分解力的方法得出求功的公式后，再引導學生，利用分解位移的方法思考求功的公式。

（3）文字表述

學生思考并總結得出結論。

設計意圖：①從特殊到一般，引導學生探究，求功的一般表達式。②滲透等效思想，學會將復雜的不能處理的問題轉化為簡單的能夠處理的問題。③引導學生用準確的語言將精煉的物理公式表述清楚。④培養學生多角度、靈活分析問題的科學推理能力。

4.功的單位：焦耳，符號J

（二）功的正負

師：有了功的公式，功的正負就水到渠成了。請大家討論做功正負的各種情況。

克服某力做功：力對物體做負功，這個力阻礙物體的運動。在物理學上常常說成，物體克服這個力做功。

設計意圖：①理解功的正負及與能量轉化的關系，引導學生從多個角度思考問題。②為理解功是標量做好鋪墊。

（三）功是標量

通過分析各個力做功的代數和與合力做功的關系，證明功是標量。

1.練習

在光滑水平面上，物體受到兩個沿水平方向、互相垂直的大小分別為F1=4 N和F2=3 N的恒力（如圖14），從靜止開始運動L=10 m，求：

（1）F1、F2分別做的功;

（2）合力做的功。

學生展示，求解過程。

師生共同分析評價……

師：根據上述分析過程，我們可以發現，各個力對物體做的功與合力對物體做的功，有什么關系？

猜想功是矢量還是標量。如何證明你的猜想？

學生分析有困難時，可適當點撥，并引導學生思考：區分矢量、標量的標準是什么？

設計意圖：①培養學生發現問題、合理猜測的能力。②利用合成法則引導學生分析功是標量，培養學生的證據意識。③練習功的公式。

2.一般驗證

師：這個結果，會不會是一個偶然？其他情況的合成，也遵循代數和關系嗎？要想使我們的猜想更可靠，怎么辦？

引導學生分析物體受多個力，成任意角的情況。

3.結論：功是標量

設計意圖：①引導學生根據合成法則理解功是標量，實現難點的突破。②通過理論探究，培養學生分析論證的能力。

（四）拓展延伸，變力做功

引導學生回憶勻變速直線運動位移公式的推導過程，并遷移到對變力做功情況的分析。

設計意圖：①彈性設計，根據時間靈活安排。②類比遷移，培養學生的等效思維能力。③留下懸念，為探究彈性勢能的表達式埋好伏筆。

[總結]

引導學生從物理觀念、科學思維、科學態度等方面，總結本節課的要點。

（1）你學習了哪些知識？

（2）運用了哪些物理思想方法？

（3）對你感觸最深的是什么？

（4）關于功，你還想知道什么？

[作業]

1.（必做）本節學案。

2.（選做）回顧歷史，從路程到位移。

早期的工業革命中，工程師用物體受的力與路程的乘積作為機械功的量度。請您查閱資料，了解科學家對功的認識過程。請思考：

在功的定義中，科學家為什么把其中的路程修訂為位移？

設計意圖：①學以致用，鞏固本節知識。②借助科學史，使學生了解功的概念的發展過程，理解其中蘊含的科學思維。

七、板書設計

（一）功

1.定義：力和在力的方向上發生的位移的乘積。

2.功的二要素（略）。

3.公式W = Fl cos α。

4.功的單位：焦耳，符號：J。

（二）功的正負

（三）功是標量，合成遵循代數和

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[1]? 人民教育出版社，課程教材研究所.普通高中課程標準實驗教科書：物理（必修2）教師教學用書[M].3版.北京：人民教育出版社，2010.

[2]? 金遜.科學探究能力目標之本質[J].新課程研究（基礎教育），2007（7）：3-6.

[3]? 金遜.利用熱點時事提高教學效果[J].物理教學探討，2004（7）：21-22.

（責任編輯 易志毅）