關(guān)艷麗

(首都師范大學(xué)物理系 北京 100048)

邢紅軍

(首都師范大學(xué)教師教育學(xué)院 北京 100048)

功率是初中物理學(xué)生學(xué)習(xí)“功”的概念之后的又一個(gè)新的概念.功作為一個(gè)過程量，在物體做功過程中伴隨著時(shí)間的變化，因此功的概念必然存在做功快慢的問題，于是功率的概念就應(yīng)運(yùn)而生.從這個(gè)意義上講，功率概念建立的出發(fā)點(diǎn)在于比較做功快慢的意義而不是單純比較做功的大小.由此，如何基于初中生的認(rèn)知發(fā)展水平建立功率的概念，并進(jìn)一步幫助學(xué)生理解功率的物理意義，就成為本節(jié)課教學(xué)的重中之重.

1 現(xiàn)行教材功率概念編寫研究

現(xiàn)行教材[1]功率概念的編寫通常設(shè)置如下物理情境：一個(gè)大人和一個(gè)小孩一起爬相同的樓梯，再結(jié)合比較做功快慢的兩種觀點(diǎn)，從而引入功率概念.第一種觀點(diǎn)認(rèn)為：不同的物體做相同的功，所用的時(shí)間可能不同，時(shí)間短的做功快，時(shí)間長的做功慢.第二種觀點(diǎn)認(rèn)為：不同的物體做功的時(shí)間相同，它們做功的多少可能不同,在相同的時(shí)間內(nèi)，做功多的物體做功快，反之做功比較慢.而后教材采用類比的方式指出，就像速度表示運(yùn)動(dòng)的快慢一樣，功率表示做功的快慢，從而直接給出功率的定義：功與做功所用時(shí)間之比叫做功率，它在數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)所做的功.最后，教材給出功率的表達(dá)式及其單位.至此完成對(duì)功率概念的建構(gòu).

筆者認(rèn)為，教材功率一節(jié)的編寫存在一些有待商榷的問題.

第一，教材直接提出了兩種比較做功快慢的方法：控制做功相同，比較所用時(shí)間長短；控制時(shí)間相同，比較做功多少.這種方法把多因素問題變成多個(gè)單因素問題，通過改變其中某一個(gè)因素，從而研究該因素對(duì)事物的影響.其優(yōu)點(diǎn)在于降低了問題的難度，缺點(diǎn)是定義建構(gòu)的意義不甚明朗.具體而言，雖然做功快慢與做功的多少及時(shí)間有關(guān)，并且可以通過只改變一個(gè)變量進(jìn)行比較得出結(jié)論，但是做功與時(shí)間比值關(guān)系的必要性并沒有從邏輯上順理成章地給出解釋.

第二，教材直接給出“一個(gè)大人和一個(gè)小孩一起爬相同的樓梯，做功是否相同，做功快慢是否相同的問題”，進(jìn)而帶領(lǐng)學(xué)生直接比較分析，意欲引導(dǎo)學(xué)生自主選擇以上兩種觀點(diǎn)從而得出比較的結(jié)論.然而，這種方法并不是特別理想的方法.這是因?yàn)椋踔袑W(xué)生的物理思維基本上還處于具體運(yùn)算階段和前運(yùn)算階段[2].處于這個(gè)階段的初中生需要借助具體事物的支持，才能進(jìn)行抽象思維運(yùn)算.因而，筆者認(rèn)為，在比較方法與思維運(yùn)算之間，缺乏具體事物的支持.

第三，教材缺乏對(duì)功率物理意義的深入剖析.教材提出：就像用速度表示運(yùn)動(dòng)的快慢一樣，在物理學(xué)中，用功率表示做功的快慢.功與做功所用時(shí)間之比叫做功率.這樣就忽視了比值定義法的本質(zhì)——為什么要用兩個(gè)物理量的比值定義一個(gè)新的物理量[3].由于對(duì)功率的物理意義闡述不清，從而導(dǎo)致學(xué)生不能深刻理解功率的物理意義，并容易與機(jī)械效率的概念相混淆.

2 功率的高端備課

通過對(duì)現(xiàn)行教材功率概念編寫的研究，我們按照比值定義法的邏輯，展開對(duì)初中物理“功率”概念的高端備課，并提出以下教學(xué)設(shè)計(jì)思路.

2.1 直接比較做功的多少

新課引入設(shè)定情境如下：

情境1：臺(tái)北的101大樓擁有曾列入世界吉尼斯紀(jì)錄的快速電梯，其上行最高速率可達(dá)每分鐘1 010 m，相當(dāng)于時(shí)速60 km，假設(shè)Norbert Lechner乘電梯從1樓到91樓高390 m的室外觀景臺(tái)，用時(shí)大概40 s.

情境2：臺(tái)北101國際登高賽(Taipei 101 Run Up)是一場每年固定以臺(tái)北101大樓作為比賽場地的登高賽.所有參賽者必須征服1至91樓共2 046個(gè)臺(tái)階、390 m的高難度挑戰(zhàn).圖1為2014年臺(tái)北101國際登高賽時(shí)參賽者Norbert Lechner(中)以13 min56 s的成績登頂，隨即累得跪倒在地的圖片.

圖1 2014年臺(tái)北101國際登高賽照片

根據(jù)以上具體事例，假設(shè)Norbert Lechner的質(zhì)量為75 kg，教師引導(dǎo)學(xué)生計(jì)算兩種情境下電梯和人做的功.

根據(jù)式W=Fs計(jì)算可知，電梯對(duì)Norbert Lechner做的功和Norbert Lechner自己攀登到91樓所做的功相同，都為292 500 J，但是做功的意義卻完全不一樣.乘電梯到達(dá)91樓的Norbert Lechner可以悠閑地觀景，而參加登高比賽的Norbert Lechner到達(dá)91樓時(shí)卻累得跪倒在地.

顯然，在做功相同的情況下，卻產(chǎn)生了兩種完全不同的結(jié)果.因此，只比較做功的多少并沒有意義，還要考慮做功所用的時(shí)間才有意義.

2.2 選取相同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)比較做功

重新審視情境，可以發(fā)現(xiàn)相關(guān)因素還有時(shí)間不同，于是教師引導(dǎo)學(xué)生選取相同的時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)繼續(xù)比較電梯和人做的功.

2.3 進(jìn)一步詮釋比值的物理意義

回顧高端備課的過程不難發(fā)現(xiàn)，在功率概念的建立過程中，對(duì)做功結(jié)果的討論是順利得出功率概念的關(guān)鍵.正是由于參賽者Norbert Lechner以兩種方式到達(dá)觀景臺(tái)的結(jié)果大相徑庭，才使得學(xué)生發(fā)現(xiàn)，僅通過比較做功的多少并不足以衡量做功的意義，于是功率概念建立的必要性才凸顯出來.也就是說，電梯的功率大，在相同的時(shí)間內(nèi)做功多，可以快速完成使Norbert Lechner到達(dá)91層所做的功.而Norbert Lechner本人的功率小，所以要做相同的功就需要耗費(fèi)更多的時(shí)間，由于做功消耗了他的能量，所以就產(chǎn)生了累倒在地的結(jié)果.相同的做功卻造成不同結(jié)果的原因，歸根結(jié)底就在于功率的不同，從而說明了功率概念建立的必要性.

3 高端備課的啟示

3.1 注重物理概念意義詮釋

物理意義指一個(gè)物理量的全部內(nèi)涵與外延及其反變關(guān)系[5].物理意義一方面指用通俗易懂的語言描述物理量，另一方面指引入該物理量的作用.前者意指物理量本身或者多組物理量重組后對(duì)其物理量本質(zhì)的理解，后者意指建立此物理量的原因.如果說前者可以幫助學(xué)生理解物理概念的含義，那么后者則可以更好地幫助學(xué)生牢記物理量并且避免與其他物理量混淆.例如，在功率概念的教學(xué)中，從比較功的本身出發(fā)，發(fā)現(xiàn)僅通過比較做功多少并不足以彰顯做功的價(jià)值與意義，由此引入功率的概念就十分必要.這也就充分說明，功率概念物理意義的闡述是引入功率概念的關(guān)鍵.通過對(duì)功率概念引入原因的理解，學(xué)生就可以避免將功率概念與功的概念混淆.此外，注重物理概念意義的教學(xué)，也為物理概念教學(xué)提供了新的思路，并給出了物理概念教學(xué)邏輯闡述的范例.

3.2 運(yùn)用科學(xué)方法顯化教學(xué)

科學(xué)方法顯化教學(xué)指在教學(xué)過程中不僅使學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)方法，還要向?qū)W生明示科學(xué)方法.通過告訴學(xué)生探究過程中所使用的科學(xué)方法，使學(xué)生掌握科學(xué)方法的本質(zhì)，獲得探求物理知識(shí)的工具，便于在今后的學(xué)習(xí)過程中運(yùn)用科學(xué)方法得出物理知識(shí).比如，在功率的教學(xué)設(shè)計(jì)中，按照比值定義法的步驟選擇比較對(duì)象，在比較過程中發(fā)現(xiàn)問題，從而將做功所用的時(shí)間作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，并最終得出功率的定義式.顯然，學(xué)生只有顯化科學(xué)方法進(jìn)行探索和嘗試，才能形成有序的知識(shí)結(jié)構(gòu).

3.3 體現(xiàn)物理教學(xué)設(shè)計(jì)創(chuàng)新

以往運(yùn)用比值定義法定義物理概念時(shí)，兩個(gè)比較對(duì)象的設(shè)定往往是不一樣的.如在密度概念的教學(xué)中，首先比較兩個(gè)不同質(zhì)量的物體，發(fā)現(xiàn)直接比較得出的結(jié)果有悖于學(xué)生的日常經(jīng)驗(yàn)，于是將兩個(gè)質(zhì)量不同的物體的體積變成相同后繼續(xù)比較它們的質(zhì)量，從而得出密度的表達(dá)式，壓強(qiáng)和速度概念的得出亦如此.而在功率概念的教學(xué)中，選取的比較對(duì)象卻是做功相同的不同情境，并以做功意義的不同作為引發(fā)認(rèn)知沖突的著眼點(diǎn)，于是將時(shí)間作為比較的標(biāo)準(zhǔn)，從而順理成章地得出功率的定義式.顯然，正是由比較對(duì)象的“不同”到比較對(duì)象“相同”的轉(zhuǎn)變，才能在遵循比值定義法內(nèi)涵的前提下，實(shí)現(xiàn)教學(xué)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新.這樣的教學(xué)設(shè)計(jì)，突破了以往比值定義法教學(xué)的邏輯思路，為比值定義法的教學(xué)開辟了新的途徑，從而體現(xiàn)了物理教學(xué)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新.

參 考 文 獻(xiàn)

1 人民教育出版社課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.物理(八年級(jí)下冊(cè)).北京：人民教育出版社，2012.65～66

2 喬際平,邢紅軍.物理教育心理學(xué).南寧：廣西教育出版社，2002.27～115

3 邢紅軍.初中物理科學(xué)方法教育.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社，2015.8

4 侏羅·齊澤維茨著.科學(xué)發(fā)現(xiàn)者 物理原理與問題(中冊(cè)).錢振華，譯.杭州：浙江教育出版社，2008.277

5 陽玉崗.關(guān)于物理意義的教學(xué).樂山師范學(xué)院學(xué)報(bào)，1994(2)：46～48