关于功的一种新的教学思路——从概念起源和科学方法的角度学习，本文主要内容关键词为：起源论文,思路论文,角度论文,概念论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、“功”的教学现状分析 《义务教育物理课程标准（2011年版）》对功的教学内容要求如下：“结合实例，认识功的概念。知道做功的过程就是能量转化或转移的过程”。[1]为了实现课程标准之中的教学要求，在实际课堂教学之中，教师往往列举出诸多有力作用在物体上，物体在这个力的作用下发生距离移动的实例。从这些实例中，教师引导学生归纳得出：物体在力的作用下发生移动了，就说这个力有功效了。从而“引导”学生得出结论：“如果对物体施了力，并使物体沿力的方向移动了一段距离，我们就说这个力对物体做了机械功。机械功简称功”。[2]进而，教师再讲授做功的两个因素、不做功的三种情况和功的计算。 分析这样的教学现状，我们不难看到，虽然教师列举了很多实例让学生来感触和认识功，但功的概念比较抽象，学生们没有实际生活经验，加之物理中“功”的意义与日常生活中的“功”又有实质性的区别。所以对学生们来说，他们最后往往还是被动接受了功的概念。因为被动接受了功的概念，学生们对于做功的两个因素、不做功的三种情况更是在被动接受和记忆状态之中学习。在学习了功和能的关系之后，爱思考的学生们能意识到，做功的过程就是能量转化或转移的过程；但很多学生却会想当然地认为，只是为了说明能量转化或者转移，才引入了功的概念。 导致这样教学现状的原因在哪里呢？从课程标准的要求来看，学习功的概念似乎就是为了更好地理解能量转化或转移的过程。研究现行初中物理教材可以看到，教材之中往往是先介绍功再介绍能，对于功和能的联系，学生们缺乏整体认识和把握。 改变这样教学现状的突破点在哪里呢？我们认为教师要了解和研究功的概念起源，创设背景和条件让学生们从概念起源的角度来认识功。 二、关于功的概念起源和科学方法背景介绍 关于功的概念起源，赵凯华教授这样论述：“功的概念起源于早期工业革命的需要，当时的工程师们需要有一个比较蒸汽机效益的办法。在实践之中大家逐渐同意用机器举起的物体的重量与高度之积来量度机器的输出，并称之为功”。[3]向义和教授详细论述：“功的概念起源于早期工业革命中工程师们的需要。他们需要一个用来比较蒸汽机的效率的办法。在实践中大家逐渐同意用机器举起的物体的重量与行程之积来量度机器的输出，并称之为功。在19世纪初期用机械功测量活力已引入动力技术著作中。1820年后，力学论文开始强调功的概念。1829年，法国工程师彭塞利（J.Poneclet，1788～1867）在一本力学著作中引进“功”这一名词。之后，科里奥利在“论刚体力学及机器作用的计算”一文中，明确地把作用力和受力点沿力的方向的可能位移的乘积叫做“运动的功”。[4]关于功和能的关系，向义和教授也说：“功作为机械能的测量的概念具有重要的意义。功与以后建立的能量概念具有相同的量度，功作为能量变化的量度为研究能量转化过程奠定了一个定量分析的基础。”[4] 从功的概念起源来看，功属于人为规定法。关于人为规定法，张宪魁教授认为：“在经验事实或观察实验的基础上，人们根据需要确定概念的方法。这种确定要符合实际，要能自洽于某一理论体系，同时要尽量简单，在可能的条件下还要照顾人们的习惯”。[5]关于功的计算方法，属于科学方法之中的多因子乘积定义法。张宪魁教授认为：“多因子乘积定义法是应用两个或多个物理量的乘积来定义新的物理量的一种方法”。[5] 在查阅资料之中，我们逐渐意识到，不仅可以引导学生从概念起源的角度来学习功，更可以让学生在学习功的概念之中体会和感悟物理研究的科学方法。 三、我们的教学设计与实践 笔者力求通过下面的文字客观展现本节课的教学设计和实践过程，以及个别环节学生们现场的反映。在以下行文之中，我们以“展示”来展现本环节之中教师借助PPT或者语言展示、讲述的基本内容，以“问题”来展现本环节之中教师借助PPT或者语言展示的核心问题。在每一个问题后面，给学生留有思考时间，要求学生首先自己静心思考，在自我思考的基础上小组讨论达成一致，如果小组之间不能达成一致则全班同学一起讨论。 展示1：今天的课堂，我们从蒸汽机说起。在人类历史上，引起工业革命最关键的发明就是蒸汽机！早期的蒸汽机用于矿井抽水、提煤。慢慢地，人们采用蒸汽机作为推进动力研制出了蒸汽机船和机车。 展示2：图片展示人类早期蒸汽机的工作情景：纽卡门蒸汽机提水；瓦特双动式蒸汽机从矿井中提煤；富尔敦制造的第一艘汽船；史蒂芬孙父子制造的蒸汽机车。 展示3：教师引导学生归纳，从使用机械的目的来看，主要有两个： （1）竖直提升重物； （2）水平推动物体。 问题一：怎样比较蒸汽机工作时干活多少？ 教师要求学生结合所学过的物理知识，提出简单、可行的比较方法。学生们积极思考、讨论，有学生提出要比较蒸汽机产生力的大小；有学生质疑仅有力，似乎还欠缺什么；有学生补充，蒸汽机用同样的力提升同样的物体到不同高度，干活多少一样吗？ 有学生提出，蒸汽机竖直提升重物和水平推动物体属于不同方向，能直接比较干活多少吗？针对上述问题，有同学提出，可以把蒸汽机竖直提升重物和水平推动物体分开考虑，从而比较干活多少。 也有学生提出，在比较蒸汽机干活多少的时候，还要考虑消耗燃料多少和工作时间长短的影响。很多同学觉得这样的想法有道理。教师建议同学们，可以先只考虑蒸汽机干活多少的事情，暂时先不考虑蒸汽机消耗燃料和干活时间长短的问题。 展示4：竖直提升重物时的比较方法： （1）提升相同的物体，提升的高度越高，蒸汽机干活越多； （2）提升相同的高度，提升的物体越重，蒸汽机干活越多。 展示5：水平推动物体时的比较方法：作用在物体上的力越大，物体移动的距离越远，蒸汽机干活越多。 问题二：衡量蒸汽机干活多少的因素是什么？ 学生们讨论后达成一致：蒸汽机对物体施加力的大小和物体在这个力的作用下移动的距离远近。 问题三：能否使用一个简洁明了的词语来描述蒸汽机干活多少呢？ 在讨论之中，学生们意识到使用蒸汽机对物体施加力的大小和物体在这个力的作用下移动的距离远近，确实能描述描述蒸汽机干活多少。但那样的语言冗长、啰唆，完全可以借助一个大家都认可的词来描述这样一件事，这样一个词就是一个新的物理概念——功。 在这个教学环节，学生们初步感受到了功是人为规定法的一个物理概念。 展示6：阅读课本相关内容，画出重点、提出疑问，并且完成课本上的练习题。 问题四：早期的科学家为什么用F和s的乘积来计算功的大小？为什么不使用其他方法来计算功的大小？ 在讨论之中，学生们意识到：F和s是衡量蒸汽机干活多少的因素，它们之间的组合关系就决定了功的计算方法；无论从物理量的单位来看，还是从实际效果来看，F和s的乘积确实解决了当时人们面临的问题，而且还可以进行定量比较。 在这个教学环节，学生们感受到了功的计算是科学方法之中的多因子乘积定义法。 问题五：功的单位是什么？ 展示7：焦耳的物理含义：物体在1N的力作用下，在力的方向上移动1m时所做的功。 问题六：在生活中，你还在哪里见过焦耳这个单位？ 学生们提出到在食品、饮料之中也见过这个单位。在讨论中，学生们也认识到，在食品饮料之中出现的焦耳与能量多少有联系。 展示8：在科学史上，正是为了比较蒸汽机工作时干活多少，人们引入了一个新的物理概念——功，并且人为规定了功的计算方法。虽然这个概念和计算方法都是人为规定的，但这样的方法确实解决了当时的实际问题。 展示9：早期的科学家借助功这个概念，来定量比较蒸汽机工作时干活多少。在物理学发展史上，当人类研究能量的时候，惊喜发现功为研究能量转化过程奠定了一个定量分析的基础，人们可以借助做功多少的方法来研究能量转化的多少。 问题七：某机械工作时，第一次把重5000 N的物体匀速提高2m，第二次把重10000 N的物体匀速提高1m。求：此机械两次做的功？ 问题八：关于“功”，你还有什么想法？ 学生们提出，蒸汽机干活多少和工作时间长短有联系吗？如果两台蒸汽机消耗不同的燃料，但做功一样，那又该怎样比较呢？如果一个力向右推物体，但物体因为其他原因却朝左边动，这个力做功了吗？使用机械可以省力或者省距离，但会省功吗？F和s的方向要是不一致的话，还能计算功吗？ 对于学生提出的这些问题，教师表达了赞叹和对学生的表扬，同时明确告诉学生：当时的科学家们提出了功这个概念之后，也遇到了和大家类似的困惑。正是在解决人类困惑的过程中，人类的科学技术才得以进步！对于这些问题，有的在后继课程中会涉及，有的需要同学们在实践中解决。 四、教学反思 在进行如上所述的教学设计和实践时，我们一直纠结于问题一的语言措辞。如果直接按照赵凯华教授或者向义和教授书中所述的“效益”或者“效率”来设问，虽然可能会激发起学生的多角度思维，但我们又担心不能聚焦于本节课的课堂教学重点。故反复酝酿和研讨，我们想到了使用“干活多少”这个口头化的语言。从教学实际来看，这样的问法虽然能使学生思维聚焦于本节课的教学重点，但也使部分学生感觉语言模糊，不知道怎样回答这个问题。 在如上所述的教学设计和实践时，我们并没有专门讲解不做功的3种情况。但在教学之后的测验中，我们欣喜看到全班学生都能正确判断一个力是否做功。我们认为，如上所述的教学设计和实践，重视功这个物理概念的起源。当学生们明确这个概念的起源之后，他们在头脑中自然会形成判断一个力是否做功的逻辑依据，并且按照逻辑顺序自然掌握了计算一个力做功多少的方法。 在如上所述的教学设计和实践时，我们仅显性提出本节课所涉及的科学方法：人为规定法和多因子乘积定义法。但纵观功这个物理概念的建立过程，我们可以看到，所涉及的科学方法更多。怎样深入挖掘初中物理教学之中的科学方法，怎样在教学实践之中显性体现科学方法的巨大作用，还有待我们深入研究。