促進初中物理“機械效率”概念理解的實踐探索

王建 鄭丹丹

摘? ?要：在物理教學中創設物理情境，有助于加快初中生從形象邏輯思維向抽象邏輯思維的過渡，促進初中生對抽象概念的理解。文章以人教版初中物理“機械效率”一節為例，闡述了如何創設物理情境幫助學生理解抽象概念，以及如何利用并優化實驗操作等方法在實驗中抓住主要矛盾，突破教學重難點。

關鍵詞：概念理解;物理情境;機械效率

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）11-0069-3

1? ? 問題的提出

初中物理教材知識體系包括聲、熱、力、電、磁，本身較為龐大和復雜，系統性和綜合性強，而物理概念往往具有高度的概括性和抽象性，加之初中生的思維方式大多處于“形象、具體”的階段，因此學生經常出現“物理物理，云里霧里”的學習體驗也就不足為奇了。他們對某些物理情境和抽象概念理解不夠透徹，在完成物理實驗的過程中大多按部就班，形成了思維障礙，學習熱情隨之降低，很難達到預期的學習效果。

例如，初中物理滑輪組的機械效率是一個重要且具有較大難度的知識點，特別是在學習此節內容的最初階段。原本“功”這一概念對初學者來說就較為抽象，對于機械效率的理解更是需要準確區分有用功、額外功、總功，加之滑輪組機械效率的影響因素較為復雜，額外功來源較多，學生對于這個問題把握上的不確定性和理解的片面性，往往會導致其對概念的曲解，生搬硬套公式，不能正確區分有用功、額外功和總功并解決機械效率的問題。

因此，選擇怎樣的教學策略，既能契合初中生的思維特征，又能將抽象概念變得形象，將知識體系化繁為簡，提高學生學習物理的興趣，培養學生的思維能力？筆者在教學中反復思考著此問題。

2? ? 促進初中物理抽象概念理解的教學策略

2.1? ? 創設物理情境促進“功”和“機械效率”概念的理解

初中學生在學習“機械效率”一節內容前已基本建立力與運動的聯系，但能量觀還有很大不足，這使得讓學生從生活現象中提出有用功、額外功、總功的概念有很大難度。人教版教材中直接指出讓學生思考使用機械和不使用機械提升重物時做功是否相同。若教師以這樣的形式提出抽象概念，學生會覺得枯燥且理解不夠深刻，也加大了后續機械效率的學習難度。如何將“功”這一抽象概念展示出來，筆者在實際教學中創設了以下物理情境并引入新課。

首先，筆者有意提供了兩個質量相差較大的工具讓學生進行選擇（如圖1中重為50 N的瓦缸和2 N的塑料盒），并請兩名學生使用所提供的工具將相同質量的水提升相同高度。在此物理情境中，提問學生使用哪一個工具輕松一些。學生會根據所學知識和生活經驗回答是塑料盒，并說明原因是塑料盒更輕。實際上，“輕”這一字就展現出了“功”這一概念如何引出“力”的影響這一關鍵點。“力”是看不見摸不著的，具象的物體的“輕重”結合學生的經驗便可以展現“重力”這一物理概念。隨后，指出學生選擇同一工具是建立在“提升同一高度”這一條件下的，并通過圖1中情境的再現和提升高度的強調，這實際上是展現了學生將“功”這一抽象概念如何與生活情境相聯系的思維過程，同時也幫助了學生逐步建立能量觀。在此基礎上，學生可以容易地整理出對目的對象（水）做的功、對非目的對象（瓦缸、塑料盒）做的功以及人總共做的功，便可以順利得出有用功、額外功、總功的概念。通過創設這樣的物理情境，學生不僅實現了利用已有經驗到抽象物理概念解決問題的過渡，更體會了有用功、額外功、總功在同一情境中的提取過程，也展現出三者之間的定量關系：總功=有用功+額外功。

接著，筆者再創設了圖2所示的物理情境，展示了兩組滑輪以供學生選擇，使之運用滑輪組提升相同的兩個小桶至同一高度。學生能夠想到有用功占總功的比例越大越好，從而自然生成“機械效率”的概念。在此情境中，相同重力的水桶被提升相同高度、不同滑輪組被提升相同高度、兩滑輪組終端施加不同的拉力移動相同距離，實際上已將抽象的“功”呈現在學生的眼前，利用抽象知識的物理情境的確大大降低了學生的學習難度，巧妙地幫助教師突破教學重難點。

第一個物理情境的創設通過利用生活素材并結合學生已有經驗“選擇重量輕的工具提升物體省力”，得到重力與做功的聯系，接著對目的對象和非目的對象的區分能夠使學生進一步理解有用功、額外功以及總功的概念，這為物理情境二的創設做了鋪墊。在第二個物理情境中，通過學生實際的動手操作引導學生思考有用功與總功的占比問題，可以加深學生對機械效率這一概念的理解，幫助學生積極主動地去體會物理概念的意義。

2.2? ? 師生合作優化實驗操作促進“機械效率”概念的理解

2019年11月20日，教育部頒布《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》（以下簡稱為《意見》），《意見》中要求實驗教學要“注重實效，強化學生實踐操作、情境體驗、探索求知、親身感悟和創新創造，著力提升學生的觀察能力、動手實踐能力、創造性思維能力和團隊合作能力，培育學生的興趣愛好、創新精神、科學素養和意志品質。”[1]在物理概念教學過程中，以實驗為載體對情境進行創設，不僅能夠使學生積極參與課堂學習，而且還能進一步加深對概念的理解。

“滑輪組機械效率的測量”是本節課中教學的重難點，在各省市中考題中也占有重要地位。為了攻破這一教學難點，筆者通過引導學生改進實驗器材，化繁為簡，幫助學生順利開展實驗。首先，請兩名學生利用傳統測量方法完成實驗，其他學生觀察操作過程。在實驗過程中，傳統實驗的缺點完全呈現在學生眼前。在課堂實踐中，學生指出：需要測量的物理量多（重物重力G、上升高度h、拉力F、自由端移動距離s）且為動態過程、滑輪組結構不穩定、拉力的方向傾斜會影響彈簧測力計讀數的準確性、在兩刻度尺上需記錄的位置有四個、操作繁瑣等。接下來通過學生的討論和教師的引導提出了改進方法（圖3）：固定刻度尺的位置（用帶刻度的貼紙代替）、選用直徑為1：2的定滑輪和動滑輪組裝滑輪組（使重物和拉力均在豎直方向上）、通過調節棉線長度使自由端起點和重物起點的位置分別在左右刻度尺的零刻度線處（在物體運動過程中，繩自由端和重物位置對應的刻度即為其移動的距離s、h）。

這一實驗教學過程展現出實驗改進的整個思維過程，也體現了控制變量法思想的重要性。此外，通過改變刻度尺零刻度線的位置這一方法，由原本通過標記重物、繩自由端起點和終點的位置變為直接可測量的實驗數據，這樣大大簡化了實驗步驟。

在實驗過程中，如何整合實驗數據也是初中學生的一大難題。筆者在學生學案上設計好如表1和表2所示的實驗數據記錄表，這間接地體現了實驗中所獲得的可應用信息的可視化，便于學生進行數據的對比和觀察。表1中的數據經處理后可以看出機械效率并沒有隨著重物移動距離的改變而發生變化;表2中機械效率隨繞線材質、動滑輪的重力、所提升重物的重力的改變而改變，進而得出結論。在數據分析過程中也體現了處理數據時控制變量法的思想。因此，運用信息的可視化不僅降低了實驗難度，也培養了學生提取重要信息的能力。

通過師生的共同合作改進實驗器材，優化實驗操作，不僅可以幫助學生順利完成實驗，培養學生勇于創新的能力，而且能夠引導學生親身體驗物理概念的學習過程，掌握概念的內涵，加深學生對滑輪組機械效率的理解。

3? ? 總? 結

在抽象概念的教學實踐中，筆者發現，創設抽象概念的物理情境，不僅可以幫助學生自主構建概念，加深對概念的理解，還能使學生在解決問題時思維更加活躍;組織學生開展實驗，親身體驗實驗過程，不僅可以幫助學生自行完成實驗、甚至改進實驗，而且采取實驗數據的可視化還有助于學生分析實驗數據，找出實驗規律，在實驗教學中進一步促進學生對概念的理解。當然，在日漸強調培養學生核心素養的教學中，如何進一步加強抽象概念的教學，從而解決思維障礙，降低思維臺階，激發學習熱情，提高學習效果，我們還需要有更多的思考。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.關于加強和改進中小學實驗教學的意見[Z].教基[2019]16號文件.

（欄目編輯? ? 張正嚴）