初中“功绩与能力”的递进教学及其中学发展_机械能守恒论文

初中“功和能”的渐进教学及其二次开发，本文主要内容关键词为：初中论文，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。

诸多版本的初中物理教材都是综合考虑“知识的逻辑顺序”“学生的认知顺序”等进行编排的，这种编制理念赋予了教材更多弹性。教师在开展教学时，要深入研究教材，准确把握教学时机，将教材上仓储状态的知识转化为学生头脑中富有活力的知识，灵活对教材实施“调整”“融合”等手段，进而对教材进行有效开发。基于此教材观，本文对苏科版初中物理教材中的核心知识“功和能”进行渐进式的结构性剖析，并在此基础上尝试对教材进行二次开发。

一、“功和能”知识的教学目标及要求分析

1.基于物理课程标准的教学目标分析

教学目标是根据课程标准制定的。《义务教育物理课程标准（2011年版）》（以下简称《课标》）在科学内容主题的能量板块做出明示：知道做功的过程就是能量转化和转移过程[1]（以下简称“明示”）。具体解读之，即有功就有能量的转换，反之，除内能转移外的其他能量转化，都有物体在做功，功和能量迁移是共生的。

2.基于学生认知的教学要求分析

《课标》中的“内容标准”是对学习水平目标的具体化表述，但是“内容标准”表述比较宽泛，教师在按照宽泛的“内容标准”设置教学要求时，必须基于初中生的认知结构，例如前概念的影响（如生活中的“功”与物理中的“功”）。根据皮亚杰认知发展阶段理论及对我国教育现状的调查研究，初中生的物理认知思维基本处于前运算阶段和具体运算阶段。因此，对于“功”及更为抽象的“能”，《课标》对其教学要求的行为动词界定为“知道”，是“高”“中”“低”三级指标中的低级指标，即具体教学中适宜低要求、低速度、低容量，要按照由具体到抽象、由简单到复杂的循序渐进教学原则，“遵标循本”地精准把握教学“火候”。

3.教学内容的衔接深化

初中“功和能”知识是对“物体的运动、速度、路程、运动和力、简单机械”等知识的进一步深化与拓展，与之对应衔接的高中物理知识是“机械能及其守恒定律”，是贯穿高中物理的主线之一。在具体教学中，“功和能”内容显现出阶段性和层次性特点，且存在前后交叉和重叠的问题，例如在初中物理“动能和势能可以相互转化”的基础上，高中物理提出了机械能守恒定律；在初中物理定性分析“能”的概念和“能的转化”基础之上，高中物理定量总结了“功和能”的关系等，在构建学生的“功和能”认知结构体系上呈现螺旋式上升发展的特点。

二、“功和能”知识的渐进教学

1.教材内容的渐进式编排

从苏科版初中物理教材对“功和能”知识的编排看，跨度从九年级上册第十一章第三节开始，一直到九年级下册第十八章“能源与可持续发展”为止，如表1所示。

2.教材内容的功能化剖析

（1）节点1：由两个子课题“什么是功”“做功了吗”和活动“测量做功”构成。其特色是结合实例，认识功的概念。但是，做功与能量转换没有挂钩，全节没有涉及能量的转化或转移，体现了能量概念教学的渐进性策略。

（2）节点2：由“动能”“势能”两个知识点的描述和三个活动“探究动能”“模拟打桩”和“观察摆球”构成。学生通过实验知道三种机械能，了解机械能的转化。本节内容编排在“功”的教学之后，但教材中讲述机械能转化时，没有涉及物体的受力情况及力对研究对象做功的情况，而是从动能、势能大小的关联因素入手，通过分析动能、势能大小的变化来分析机械能的转化，有助于学生对三种机械能的概念及其大小的决定因素形成清晰的认识。

（3）节点3：由“做功是改变内能的另一种方式”“热机”和“汽油机的工作循环”三个知识点的描述，以及两个活动“做功改变物体内能”“观察点火爆炸现象”构成。初步涉及《课标》规定的“功和能”的教学目标，本节课的关键是成功演示“空气压缩引火”和“点火爆炸”两个实验，定性观察、分析做功和对应能量的转换（即机械能与内能相互转化），从能量转化角度了解做功是改变内能的一种方式。在此过程中，需要突出下列三方面：

①做功的两个必要条件，并分析力做功的同时，一种形式的能正转化为另一种形式的能。

②正逆两个方向做功，即外界对物体做功和物体对外界做功，突出机械能和内能之间转化的相互性。

③两个活动与汽油机两个冲程的对应关系。

至此，对做功和能的转化有了新的判断标准。在判断“做功了吗”时，不必拘泥于做功的两个必要条件，还可以看对应的能量有没有发生转化（不包括内能的转移）。我们对电流做功的认识即可借助该信息来分析判断。

（4）节点4：由“电能”“电功”两个知识点的描述和活动“比较两个灯泡的亮暗”构成。教材内容结合实例帮助学生理解电能和电功，并由定性分析向简单的定量计算转化。教学中需要注意以下三方面：

①对电流做功的理解。由于《课标》未列入“电流就是电荷定向移动”的有关内容，无法引导学生从做功的两个必要条件的角度理解电流做功，转而研究电流通过各种不同类型用电器的用电情况，引导学生感悟电流做功将电能转化为不同形式的能。

②由定性分析功能关系上升到定量计算。在“定性分析电流做功的过程就是电能转化为其他形式能”的基础上，根据W=UIt定量计算该过程中电流做功数值就是消耗的电能转化为其他形式能的数值。

③区别电功和电热，阐明电热是能量的转化，不是内能的转移。关于电能与其他形式能量之间的转化在后续第十六章“电磁转换”中第三节“磁场对电流的作用电动机”和第五节“电磁感应发电机”中会进一步讲解，不再赘述。

（5）节点5：“能量”是《课标》中“内容标准”的一级主题之一，本章在前面所学各种“能”的基础上，对“能源与可持续发展”的知识从一切运动形式的转换都伴随能量的转换和转移以及能量转化的普遍性、守恒性和方向性等方面做常识性介绍，突出体现了物理学科内部之间、物理学科与其他学科之间的综合性、交叉性、发展性，教学过程中应以“让学生形成对能源开发利用有可持续发展的意识”为终极目标，抓住主线，理清思路，避免教学过程中松散的“东一榔头西一棒子”的现象。

通过对上述五个节点的分析，有助于学生通览“功和能”在横向结构中的各基本知识要素及其相互间的关系结构，从而构建各知识点之间的层级结构。从中可见，苏科版物理在全面落实《课标》“明示”上实施由浅入深、由表及里、由此及彼的渐进式策略，符合学生的认知结构及认知发展规律，有利于促进科学探究活动的逐步展开，循序渐进地为不同层次学生的发展提供空间。

三、基于教材的“功和能”教学内容的二次开发

二次开发的总目标是进一步全面落实《课标》的教学目标。教师在研究教材文本内容时，应明确教学要求、知识结构呈现方式和意图，以及各部分知识之间的关系，并还原稚化思维，站在学习者的角度寻找可能存在的难点和问题，帮助学生根据“散装知识”构建“知识链”，完善其认知结构。基于此认识，在对“功和能”教材内容进行二次开发时，首先遵循“缺位什么开发补偿什么”的原则，如在节点1中需挖掘补充做功过程就是能量转化过程的案例，知道做功过程就是能量转换过程；而节点2要理解能量转化过程一般伴随做功过程。再有，在定性分析的基础上适当充实定量化的学习内容，上升到知道做功的数量就是能量转换的数量的高度。具体开发措施如下。

1.对“节点1”的开发

（1）取材于教材中对功的单位“焦耳”的形象阐述：1J的功有多大呢？从地上拿起一个50g的鸡蛋，并把它缓慢举过头顶，在此过程中你对鸡蛋做的功大约为1J。结合此例，引导学生定性描述举蛋做功过程就是体内化学能转化为鸡蛋重力势能的过程，定量演绎人举鸡蛋做功1J，就是消耗体内的化学能1J，鸡蛋的重力势能增加1J。通过定性分析到定量估算，引导学生感性认识功的单位。

（2）取材于教材练习：一个质量为80g的皮球，从高处自由落下了5m，重力对之做了多少功（g取10N/kg）？结合此例，落实到“皮球自由下落，重力对皮球做功的过程就是皮球的重力势能转化为皮球动能的过程，定量计算重力对皮球做功4J，皮球的重力势能减少4J，动能增加4J”的程度。

2.对“节点2”的开发

（1）取材于“探究动能大小与哪些因素有关的活动”（图1）。演示时，学生都观察到在水平面运动的小车跟静止的木块碰撞后，小车速度减小的同时木块由静而动。通过该例填补功能关系中的空缺：碰撞过程就是小车对木块做功的过程，做功的结果是小车的部分动能传递给木块，使木块获得动能，做功过程确是能量转移的过程。

（2）取材于“观察摆球动能和重力势能的转化”的活动（图2）。

引导学生定性分析摆球能量转化的过程并进行定量计算：

①摆球在A、B间来回摆动，幅度逐渐减小并最终停止。引导学生定性分析机械能在逐步减小及减小的原因是：阻力做功，机械能转化为内能。

②合理外推。若不计阻力，摆球自由摆动过程中的总机械能mgh保持不变。接着通过定量计算引导学生明确从A→O′、从O′→B过程中，重力做功（克服重力做功）mgh，重力势能减少（增加）mgh，动能增加（减少）mgh的定量关系。

（3）取材于教材中如图3所示信息。因为涉及弹簧的弹性势能，故只做定性描述。弹簧做功的过程就是弹簧弹性势能转化为小车动能的过程。反之，克服弹力做功实现能量逆向转化。

3.对“节点3”的开发

取材于“汽油机工作循环中的做功冲程”。开发出如下习题，引导学生通过解答热机中的能量问题，加强对功能关系的认识。

习题如图4所示，有一台四冲程汽油机，其飞轮转速为1080r/min，活塞直径为30cm，活塞行程为400mm，做功冲程中燃气的平均压强为5×

Pa，则该汽油机每秒做了多少功？燃油释放了多少热量？汽油机输出多少机械能？

4.对“节点4”的开发

取材于“电流通过电动机做功时，大部分电能转化为机械能，仅有少量的电能转化为内能。”开发出如下习题，引导学生通过解答电路中的问题，加强对功能关系的认识。

问电动机转动10min，电流做了多少功？这段时间电动机消耗了多少电能？电动机对外提供多少机械能？有多少内能被白白浪费了？

5.对“节点5”的开发

（1）取材于教材中的“能量的转化和守恒定律”。该定律是自然界最普遍、最重要的基本规律。如果不同形式的能量转换只是通过做功而发生的话，那么转化的能量就可以通过做功来量度，即做功多少就等于输出总量的多少，也等于输入总量的多少。同时，任何机械做功实质都是能量转换，所以所做的总功总大于对应转化为有用能量的有用功，将“能量转化和守恒定律”反向应用到第十一章的“机械功”，必然有“使用任何机械都不省功”的结论。

（2）取材于教材“能源与可持续发展”一章第五节中能量转化的效率公式：