對(duì)初中物理“功”概念的教學(xué)思考

吳弟斌

(重慶市巫溪縣城廂中學(xué)校,重慶 405800)

在人教版初中物理教材中“功”的概念出現(xiàn)在第十一章《功和機(jī)械能》的第一節(jié),功是研究簡(jiǎn)單機(jī)械的關(guān)鍵概念,也是理解能量概念的基礎(chǔ)。在教學(xué)中部分老師對(duì)該節(jié)的處理單純?yōu)閼?yīng)付考試的要求,直接講解做功的兩個(gè)必要條件和不做功的三種情況,然后給出功的定義，并進(jìn)行相關(guān)的練習(xí);也有老師根據(jù)教育重演論,根據(jù)功的概念起源和歷史演變?yōu)檫壿嫿M織教學(xué)活動(dòng),使課堂形成一種曲高和寡的教師獨(dú)角戲;還有老師利用功的概念中涉及的乘積定義法為教學(xué)邏輯主線,通過顯現(xiàn)科學(xué)方法的方式組織教學(xué),學(xué)生往往對(duì)用乘積定義法的必要性還是不明就里,更無法體會(huì)乘積定義法背后所體現(xiàn)的累積思想。上面這些情況的共同之處都是忽略了學(xué)生的認(rèn)知水平和特點(diǎn),只關(guān)注學(xué)習(xí)結(jié)果而忽略了學(xué)習(xí)過程。筆者試圖從學(xué)生的認(rèn)知視角，對(duì)“功”的概念教學(xué)問題進(jìn)行探討,使教學(xué)設(shè)計(jì)更加符合學(xué)生的認(rèn)知邏輯。

1 功的研究對(duì)象

圖1

在功的概念教學(xué)中,很多老師沒有讓學(xué)生明確功的研究對(duì)象,使得學(xué)生無法準(zhǔn)確理解功的概念,這種情況在后續(xù)解決問題的過程中就會(huì)暴露出來。例如求人水平勻速推箱子所做的功,題設(shè)條件是水平地面對(duì)箱子的摩擦力和箱子所受重力,學(xué)生會(huì)直接用某個(gè)力,甚至有的同學(xué)將摩擦力和重力相加,這都是因?yàn)闆]有明確功的研究對(duì)象、對(duì)功的概念理解不到位引起的。功的研究對(duì)象是什么呢?其實(shí)教材中的表述很明確，人教版的描述是:“如果一個(gè)力作用在物體上,物體在這個(gè)力的方向上移動(dòng)了一段距離,就說這個(gè)力對(duì)物體做功。”很顯然,功研究的是某一個(gè)力作用于物體上所產(chǎn)生的累積效果,其研究對(duì)象就是力。滬粵版教材還專門就此問題進(jìn)行了強(qiáng)調(diào):“研究力做功的問題時(shí),還要明確誰施力,誰受力,即誰對(duì)誰做功。”這就提醒我們?cè)谘芯抗Φ膯栴}時(shí)首先要明確研究對(duì)象,這是準(zhǔn)確理解功的前提,也是處理后續(xù)疑難問題的基礎(chǔ)。比如,吊車吊著物體水平移動(dòng)，學(xué)生對(duì)拉力不做功疑惑不解,覺得物體移動(dòng)了一段距離拉力就應(yīng)該做了功。如果老師在教學(xué)中讓學(xué)生明確此時(shí)功的研究對(duì)象(即研究哪個(gè)力)，學(xué)生通過分析，明確研究對(duì)象是繩子對(duì)物體豎直向上的拉力,物體只有在豎直方向上移動(dòng)了一段距離,拉力才會(huì)做功。而此時(shí)物體在豎直方向上移動(dòng)的距離為零,拉力并沒有做功。再看吊車和重物組成的整體,在發(fā)動(dòng)機(jī)牽引力的作用下水平前進(jìn),吊車和重物在牽引力的方向上移動(dòng)了距離,因此牽引力做了功。那么，應(yīng)該以什么樣的方式讓學(xué)生明白功的研究對(duì)象呢?以水平勻速推動(dòng)一本書為例(圖1),對(duì)書進(jìn)行受力分析,書受到重力G、支持力N、推力F、摩擦力f四個(gè)力的作用,書在水平方向移動(dòng)了一段距離，哪個(gè)力做功了?學(xué)生自然會(huì)明白是推力F做了功(初中階段不研究做負(fù)功的情況)。由此提醒學(xué)生：在同一個(gè)情境中,有的力做功,有的力不做功。所以,在判斷做功的問題時(shí)首先要明確是研究的哪一個(gè)力、是什么方向的力,再來進(jìn)行判斷。

2 教學(xué)邏輯主線的確立

在確立教學(xué)的邏輯主線時(shí),需要從以下3個(gè)方面進(jìn)行分析:(1) 分析教材內(nèi)容的知識(shí)結(jié)構(gòu)和邏輯關(guān)聯(lián)。包括本節(jié)內(nèi)容在教材體系中的地位和作用，本節(jié)內(nèi)容所包含的知識(shí)點(diǎn)和方法、本節(jié)知識(shí)的內(nèi)涵、層級(jí)關(guān)聯(lián)等所構(gòu)成的知識(shí)結(jié)構(gòu),稱之為學(xué)科知識(shí)邏輯線;(2) 基于課標(biāo)對(duì)本節(jié)內(nèi)容的要求,分析、確定學(xué)生在知識(shí)、方法、能力等不同層面的認(rèn)知目標(biāo),以及目標(biāo)達(dá)成的評(píng)價(jià)方式與評(píng)價(jià)指標(biāo)等,稱之為認(rèn)知目標(biāo)邏輯線;(3) 基于學(xué)生認(rèn)知水平和特點(diǎn),分析知識(shí)的呈現(xiàn)方式、加工過程和加工水平要求,確立認(rèn)知演進(jìn)的邏輯順序與層級(jí)水平,稱之為學(xué)生認(rèn)知邏輯線。針對(duì)“功”概念歷史演進(jìn)的豐富內(nèi)容和教育價(jià)值,還應(yīng)分析第四條邏輯線,即物理學(xué)史邏輯線。在這4條互相交錯(cuò)和關(guān)聯(lián)的邏輯線中,應(yīng)以認(rèn)知目標(biāo)邏輯線和學(xué)生認(rèn)知邏輯線為主,適當(dāng)滲透學(xué)科知識(shí)邏輯線和物理學(xué)史邏輯線,即依據(jù)“兩主兩輔”的原則，確定教學(xué)的邏輯主線(圖2)。

圖2

從學(xué)科知識(shí)的角度分析,功是學(xué)生在學(xué)了力以及運(yùn)動(dòng)與力的關(guān)系之后，進(jìn)一步研究力作用于物體所產(chǎn)生的成效,并為研究功率和機(jī)械效率做準(zhǔn)備,也是理解能量概念的基礎(chǔ)。從認(rèn)知目標(biāo)的角度分析,《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》對(duì)“功”的要求是:“結(jié)合實(shí)例,認(rèn)識(shí)功的概念,知道做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程。”[1]本節(jié)課的主要目標(biāo)就是建構(gòu)功的概念,即通過實(shí)例讓學(xué)生明白功的含義,通過做功與不做功的實(shí)例分析，確定做功的兩個(gè)必要條件,知道功的定義并能進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算。從物理學(xué)史的角度分析,功的概念起源于早期工業(yè)革命的需要,當(dāng)時(shí)的工程師為了比較蒸汽機(jī)的效能，逐漸同意用機(jī)器舉起的物體重量與高度之積來度量機(jī)器的輸出,并稱之為功。1831年科里奧利在《論剛體力學(xué)及機(jī)器作用的計(jì)算》一文中,明確地把作用力和受力點(diǎn)沿力的方向的位移的乘積叫作“運(yùn)動(dòng)的功”。[2]因此,從功的概念起源來看,功屬于人為規(guī)定,在功的定義與計(jì)算上,屬于乘積定義法,反映了累積的思想。[3]

從學(xué)生認(rèn)知的角度分析,學(xué)生形成、理解和掌握概念是一個(gè)十分復(fù)雜的過程,一般分為三個(gè)階段:首先要在一定的物理情境中獲取必要的感性知識(shí);然后要運(yùn)用科學(xué)方法,通過思維過程理解新事物,再用數(shù)學(xué)方法表達(dá)概念;最后,在反復(fù)應(yīng)用概念去解釋現(xiàn)象或解答問題中,不斷加深對(duì)概念的認(rèn)識(shí)和理解。[4]另外,八年級(jí)學(xué)生對(duì)事物細(xì)節(jié)的觀察力、辨別事物差異的準(zhǔn)確率、理解事物的抽象程度等方面均在不斷地發(fā)展,能夠越來越熟練地得出結(jié)論、解釋推理和檢驗(yàn)假設(shè),尤其是面對(duì)熟悉的情境與事實(shí)時(shí)。[5]但是,八年級(jí)學(xué)生的形式運(yùn)算思維還處于初級(jí)發(fā)展階段,容易產(chǎn)生片面性和表面性的認(rèn)識(shí),還特別依賴于感性的經(jīng)驗(yàn)支撐和具體的方法指導(dǎo),同時(shí)也受到動(dòng)機(jī)和情緒的影響。結(jié)合功的教學(xué)內(nèi)容,從學(xué)生的視角分析,學(xué)生需要以熟悉的、真實(shí)的情境引入課題,以激發(fā)其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī);在功的概念形成的切入點(diǎn)上,利用學(xué)生能理解的“成效觀念”幫助學(xué)生建構(gòu)概念,注重概念的形成過程,注重在運(yùn)用概念解決真實(shí)情境性問題的過程中加深對(duì)概念的理解;對(duì)功的乘積定義法以及所體現(xiàn)的累積思想則采用隱性滲透的方式,同時(shí)適當(dāng)滲透功能關(guān)系,為后續(xù)的學(xué)習(xí)埋下伏筆。因此,筆者以“怎樣可以將實(shí)心球扔得更遠(yuǎn)”的真實(shí)情境為依托,以“研究力的成效”為建構(gòu)功概念的思維主線,從而設(shè)計(jì)出與學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)和認(rèn)知規(guī)律更加適切的教學(xué)邏輯主線(圖3)。

圖3

3 做功的兩個(gè)必要條件的呈現(xiàn)

在功的概念教學(xué)中,從初步感知、了解功到準(zhǔn)確理解功的概念的過程中,對(duì)“做功的兩個(gè)必要條件”的理解至關(guān)重要。如果學(xué)生對(duì)做功的兩個(gè)必要條件沒有準(zhǔn)確理解,那么在判斷做功或不做功時(shí)就會(huì)出錯(cuò),在功的計(jì)算和運(yùn)用相關(guān)知識(shí)解決問題中就會(huì)犯迷糊。教師應(yīng)精心設(shè)計(jì)教學(xué)流程,引導(dǎo)學(xué)生逐漸理解功,并在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)一步鞏固,在練習(xí)總結(jié)、反思與評(píng)價(jià)中逐漸內(nèi)化。因此,做功的兩個(gè)必要條件應(yīng)該在何時(shí)、以怎樣的方式呈現(xiàn)就顯得尤為關(guān)鍵。有的教師在學(xué)生初步感知和了解功之后,隨即給出做功的兩個(gè)必要條件,然后以此為標(biāo)準(zhǔn)判斷做功的和不做功的情況,并對(duì)不做功的3種情況(“勞而無功”“不勞無功”“垂直無功”)進(jìn)行總結(jié),這樣的教學(xué)過程使得學(xué)生沒有經(jīng)歷知識(shí)的形成過程,學(xué)生對(duì)做功的兩個(gè)必要條件的理解只能浮于表面,部分學(xué)生甚至根據(jù)不做功的口訣進(jìn)行判斷和分析問題,學(xué)得很機(jī)械,因此無法靈活運(yùn)用,這種教學(xué)方法顯然是不可取的。

建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為：學(xué)習(xí)是學(xué)習(xí)者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)背景,對(duì)外部信息主動(dòng)進(jìn)行選擇、加工和處理,對(duì)所接收到的信息進(jìn)行解釋,生成個(gè)人的意義或者說是自己的理解。教師應(yīng)善于引發(fā)學(xué)生觀念上的不平衡,高度重視對(duì)學(xué)生錯(cuò)誤的診斷與糾正,關(guān)注每個(gè)學(xué)生在認(rèn)識(shí)上的特殊性,努力培養(yǎng)學(xué)生的元認(rèn)知能力。因此,做功的兩個(gè)必要條件也應(yīng)該是學(xué)生根據(jù)教師所提供的情境和支架式問題進(jìn)行主動(dòng)建構(gòu)而成,筆者在教學(xué)實(shí)踐中采用了如圖4所示的教學(xué)過程。學(xué)生在初步感知功的基礎(chǔ)上,先嘗試描述做功需滿足的條件,學(xué)生的答案可能并不完整,這也反映了學(xué)生認(rèn)識(shí)上的淺表化和片面性的特點(diǎn);然后教師出示力對(duì)物體做功的實(shí)例,學(xué)生依據(jù)力是否有成效判斷做功的情況,通過進(jìn)一步的分析討論，使學(xué)生對(duì)做功應(yīng)滿足的條件進(jìn)行修正,在認(rèn)識(shí)上更加全面準(zhǔn)確;接下來教師出示不做功的實(shí)例,通過學(xué)生的分析討論進(jìn)一步明確做功的這些條件是必不可少的,并歸納為做功的兩個(gè)必要條件,學(xué)生對(duì)此的認(rèn)識(shí)將更加深刻;最后結(jié)合實(shí)例分析,讓學(xué)生進(jìn)行描述解釋,在教師的評(píng)價(jià)與學(xué)生的自我反思過程中將知識(shí)內(nèi)化,引導(dǎo)學(xué)生對(duì)問題解決過程做出說明、反思，這是促進(jìn)學(xué)生深層理解的有效方法。整個(gè)設(shè)計(jì)過程充分體現(xiàn)了學(xué)生的認(rèn)知邏輯,不僅讓學(xué)生學(xué)會(huì)了知識(shí),還經(jīng)歷了知識(shí)的建構(gòu)過程,學(xué)生的學(xué)習(xí)是主動(dòng)的、思維是活躍的、理解是深刻的。學(xué)生只有活學(xué),才能做到活用,這樣的設(shè)計(jì)過程也充分體現(xiàn)了為學(xué)而教、學(xué)以致用的教學(xué)理念。

圖4

4 功能關(guān)系的滲透

功和能的概念形成經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歷史過程,[6]最終緊密結(jié)合在一起,能是狀態(tài)量,功是過程量,功是能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的量度。功和能的關(guān)系是理解功、能概念的重要內(nèi)容,課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此也明確要求：“知道做功的過程就是能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過程”,各個(gè)版本的教材都是先認(rèn)識(shí)功的概念,再以此為基礎(chǔ)認(rèn)識(shí)能量的概念。可見,功和能的關(guān)系需要逐漸滲透，最終讓學(xué)生形成相應(yīng)的能量觀念。當(dāng)然,這也是一個(gè)需要逐層進(jìn)階、逐步加深的過程,本節(jié)課主要是認(rèn)識(shí)功的概念,對(duì)功和能的關(guān)系只需簡(jiǎn)單滲透,讓學(xué)生對(duì)做功的過程與能量有關(guān)(現(xiàn)階段學(xué)生也可理解為做功的過程需要消

耗能量)有所體會(huì)即可。在學(xué)完功的內(nèi)容之后,為了緩解學(xué)生的疲倦,調(diào)節(jié)課堂氣氛,可以找?guī)讉€(gè)學(xué)生進(jìn)行一段街舞表演,在動(dòng)感的音樂和有節(jié)奏的舞蹈中放松學(xué)生的身心。表演結(jié)束后,詢問學(xué)生:“累嗎?能從物理學(xué)的角度解釋為什么累嗎?”學(xué)生自然會(huì)明白跳舞就是做功的過程,而這個(gè)過程要消耗能量。通過這種體驗(yàn)式學(xué)習(xí),可以讓學(xué)生學(xué)得更輕松,印象更深刻。

總之,為了促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí),需要教師深度備課，其中的一個(gè)重要方面就是深入研究學(xué)生的認(rèn)知水平和認(rèn)知邏輯,找到課程內(nèi)容與學(xué)生認(rèn)知相兼容的最佳路徑,從而設(shè)計(jì)出最適切的教學(xué)過程。只有從學(xué)生視角思考教育教學(xué)問題,才能設(shè)計(jì)出適合學(xué)生的教學(xué)路徑,這是有效教學(xué)的基本要求,也是促進(jìn)學(xué)生的核心素養(yǎng)提升的保證。