以“功”为例谈指向物理观念建构的概念教学

摘   要：本文以功的教学为例，分析几种教学设计的优缺点，给出基于逻辑重演的概念教学设计，让学生体验思维创新，使教学经历从完成三维目标到培养核心素养的转变。

关键词：物理观念;概念教学;功

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）3-0012-3

物理学科核心素养是学生通过学科的学习应具有的关键能力和必备品格。其包括相互联系的四部分：物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。其中，物理观念在核心素养四部分中占据了基础地位。建构物理观念的过程也是学生科学思维的过程，是科学探究、科学态度与责任发展的前提。教学实践中，科学地进行物理核心概念的教学是建构物理观念的重要基礎。只有科学地建立起物理概念，才能科学地探究和理解物理规律，头脑中才能提炼和升华出物理观念。

在物理概念教学中，功与能量是难点，在学生学习了功的概念后进行提问：到底何为功？一大部分学生机械地回答了公式W=Fs。这种基于数学关系的记忆表达显然不是核心素养视域下的物理观念。究其原因，一定是教学实践中概念教学的设计偏离了核心素养的要求。在概念教学过程中，学生建构何种物理观念，关键在于教师的教学设计。

学者古德莱德把课程分为五类：理想课程、正式课程、领会课程、实行课程与经验课程。从专家机构提出的理想课程，到学生实际体验到的经验课程，关键在于教师把领会到的课程设计为实行的课程。

初中物理与高中物理都有关于功概念的教学，高中阶段教材在引入功时，一般都从功能关系入手，也即认为学生在已有能量的前概念后，从“功是能量转化的量度”的角度介绍定义这个物理量的必要性，一般学生较易于接受。但在初中阶段，课程设置上先有功再有能，能量的概念建立在功的概念基础之上，在功的概念教学中，无能量概念而介绍功，给学生造成了认知的困难。

下面展示几种功的概念教学的设计处理方式并进行分析。

设计1：各教材引入功的概念的比较

①直接定义方式

通过推物体水平运动或者提拉物体竖直上升的情境，给出定义：功等于力和物体在力的方向上通过的距离的乘积。北师大版、粤沪版、教科版、人教版、上教版、苏科版等教材基本均采用直接定义的方式给出功的概念。情境举例如图1所示。

②数据分析方式

沪科版教材在引入机械功的概念时，以滑轮提重物的情境（如图2所示），引导学生分析出手施加的力与绳子自由端运动的距离的乘积约等于物重与物体上升距离的乘积，即Fs=Gh，定义出这个有意义的乘积等量即为功。

对比各版本教材的引入设计，可以发现，第一种方式直接定义出功的概念，虽简单明了但不符合认知规律，学生对为什么这样定义功会存有疑问。第二种方式通过数据分析探究出Fs=Gh这个“乘积等量”，锻炼了学生分析数据发现问题的能力，但是这个“乘积等量”的意义究竟如何，教材的一句话“其他机械也是如此，可见这个乘积是一个有意义的物理量”[1]显然不能说服学生。

设计2：根据教学重演论设计引入功的概念

教学重演论认为，学生学习科学概念的过程就是人类科学研究过程的重演[2]。工业革命时期，工程师为了衡量蒸汽机的效能，建立了功的概念。据此，可以设计蒸汽机竖直提升重物或者水平拉动物体的情境，让学生比较蒸汽机干活的多少，建立功的概念。一台蒸汽机先后提升同一500 N重物1 m和2 m，比较两次干活的多少;蒸汽机先后提升500 N和200 N一大一小两个重物1 m高度，比较两次干活的多少;蒸汽机第一次提升500 N大重物1 m，第二次提升200 N小重物2 m，比较两次干活的多少。经历三次比较，学生意识到若要衡量蒸汽机干活的多少，力和距离是两个都要考虑的因素，且力和距离的增多都会使得蒸汽机干活更多。又由于不同物理量相加无意义，所以干活的多少可以用力和距离的乘积这种最简单的方式定义出来，将功从形式上理解为力在距离上的一种积累。在教学实践中，不少教师变换蒸汽机这种与学生经验偏离较远的情境，将情境生活化，学生更易于接受并引发学生积极的思考。如建立情境：搬运一大一小两堆砖，大堆搬运距离近，小堆搬运距离远，哪堆支付费用多？这种情境的逻辑与物理学史中工程师衡量蒸汽机效能的逻辑相同，可认为是逻辑上的重演论。相对于教学重演论来说，这种简化的生活化的情境刨除了蒸汽机提拉重物情境的传动等无关因素的影响，更容易突出思维本质。

设计3：体验式逻辑重演设计引入功的概念

设计2的教学重演设计相对于设计1的教材设计，更符合人类的认知规律，有助于建构物理观念，而生活化的逻辑重演设计则拉近了情境与学生的距离。但是这些设计都是非体验的，必须借助言语的直观或者模象的直观来创设情境。笔者在教学实践中，设计了基于重演论的学生可参与并直接体验的实验环节，利用实物直观，在逻辑上重演了科学家建立功的概念的过程，深化了学生物理观念的建构。

将纸巾团成纸团，用一长一短两段纸管作为发射装置，如图3所示。

通过上述分析可见，在物理核心概念的教学中，基于体验式逻辑重演的教学设计符合人类认知发展的规律。物理本质、逻辑关系和数学思维在学生头脑中重演，生活化的情境和可执行的过程，让绝大多数普通人体验了科学家等科学界中的“关键少数”的思维创新，使学生既落实了基本知识与基本技能，又在解决可执行的任务过程中锻炼了发现问题和分析解决问题的能力，有了可体验的情感、态度与价值观的升华。更重要的是，创新的设计使学生在有限的时间、空间里获得了人类认知史上的间接经验与直接经验的集合体，使教学经历了从完成三维目标到培养核心素养的转变[3]，凸显了自然主义和实用主义色彩。

参考文献：

[1]廖伯琴.义务教育教科书·物理（八年级）[M].上海：上海科学技术出版社，2012：195.

[2]张红霞.教育重演论与中国教育改革[J].教育研究，1998（2）：60-63.

[3]郭玉英.从三维课程目标到物理核心素养[J].物理教学，2017（11）：1-8.

（栏目编辑    赵保钢）

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