官漢聰

摘 ? 要：物理觀念、物理思維的形成與發(fā)展是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)物理概念，特別是一些核心概念的認(rèn)知過(guò)程，存在“臺(tái)階”現(xiàn)象。本文以“功”的進(jìn)階教學(xué)為例，對(duì)功的定義、功的正負(fù)、功的矢標(biāo)性等方面的教學(xué)進(jìn)行了探索，通過(guò)對(duì)難點(diǎn)的進(jìn)階處理，幫助學(xué)生跨越“臺(tái)階”，提升科學(xué)思維能力。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng);物理思維;進(jìn)階

引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）指出，物理學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”四個(gè)方面。而“科學(xué)思維”主要包括模型建構(gòu)、科學(xué)推理、科學(xué)論證、質(zhì)疑創(chuàng)新等要素[ 1 ]。

在日常教學(xué)中，我們結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)，往往將其中的科學(xué)思維又稱為物理思維，它是將物理觀察和物理實(shí)驗(yàn)所得到的感性認(rèn)識(shí)上升為理性認(rèn)識(shí)，并從已有的理性認(rèn)識(shí)獲得新的理性認(rèn)識(shí)的過(guò)程。在《課程標(biāo)準(zhǔn)》中，對(duì)物理核心素養(yǎng)劃分為5個(gè)逐漸遞進(jìn)的水平，體現(xiàn)了物理思維能力形成的特點(diǎn)。物理學(xué)的概念、規(guī)律、理論體系體現(xiàn)了科學(xué)思維的嚴(yán)密性、精確性和邏輯性。學(xué)生通過(guò)物理學(xué)習(xí)，不但能形成嚴(yán)密的邏輯思維習(xí)慣，掌握物理思維的特點(diǎn)和科學(xué)的思維方法，而且能改善思維的品質(zhì)，思維能力可以得到極大提高[ 2 ]。

但對(duì)學(xué)生而言，物理思維的形成需要一個(gè)遞進(jìn)、進(jìn)階培養(yǎng)的過(guò)程。物理思維能力的形成要建立在具體的物理知識(shí)基礎(chǔ)之上，而并非簡(jiǎn)單的積累，它是在對(duì)具體知識(shí)的本質(zhì)屬性概括提升的基礎(chǔ)上，發(fā)展出超越具體知識(shí)，能拓展到應(yīng)用物理知識(shí)解決其它知識(shí)組塊問(wèn)題的帶有方法論性質(zhì)的思維方法[ 3 ]。

下面，以“功”為例，圍繞物理學(xué)科核心素養(yǎng)，談?wù)勗诮虒W(xué)中如何進(jìn)階培養(yǎng)學(xué)生物理思維。

學(xué)習(xí)本節(jié)內(nèi)容之前，從知識(shí)層面，學(xué)生在初中的學(xué)習(xí)中對(duì)功有了模糊概念，知道了標(biāo)量與矢量的概念;從技能角度，學(xué)生已經(jīng)會(huì)求解物體運(yùn)動(dòng)的方向與力同向時(shí)力所做的功;從思維角度，會(huì)用等效法處理力、位移的合成與分解;從體驗(yàn)角度，借助生活事例，對(duì)“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”有了模糊的印象。學(xué)習(xí)本節(jié)知識(shí)時(shí)，學(xué)生將面臨對(duì)公式W=Fscos？琢的正確理解與運(yùn)用、正、負(fù)功及功的矢標(biāo)性等方面的學(xué)習(xí)障礙。

1 ?對(duì)功的概念溯源，落實(shí)科學(xué)態(tài)度與責(zé)任目標(biāo)

1.1 ?借助物理學(xué)史，再現(xiàn)功的定義過(guò)程

人類早期在對(duì)蒸汽機(jī)工作的研究過(guò)程中，通過(guò)控制變量法，發(fā)現(xiàn)蒸汽機(jī)對(duì)物體施加力的大小與物體在這個(gè)力的作用下移動(dòng)的距離的乘積能夠方便地定量比較蒸汽機(jī)工作能力，從而將這兩個(gè)因素的乘積定義為功，得到W=Fs這一表達(dá)式。

1.2 ?“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”觀點(diǎn)的建立

由起重機(jī)緩緩提升貨物、列車在機(jī)車的牽引下加速、握力器在手的壓力下發(fā)生形變具有能量等實(shí)例，引導(dǎo)學(xué)生得出有做功過(guò)程就有能量的轉(zhuǎn)化;人用力推車但未推動(dòng)汽車、光滑水平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的繩系小球、光滑水平面上做勻速直線運(yùn)動(dòng)的物塊等實(shí)例說(shuō)明不做功就沒(méi)有能量轉(zhuǎn)化?？梢?jiàn)，做功是能量轉(zhuǎn)化的途徑，能量轉(zhuǎn)化的多少可以用做功的多少來(lái)量度，使學(xué)生對(duì)“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”這一物理觀念得到加強(qiáng)。

2 ?科學(xué)定義功，體驗(yàn)科學(xué)思維與探究過(guò)程

2.1 ?特殊到一般，完善功的定義

對(duì)于力是否有做功，學(xué)生在初中已有“垂直無(wú)功”的觀念，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的方向與力的方向不在一直線上時(shí)，在初中學(xué)過(guò)的功的公式W=Fs基礎(chǔ)上，將力F分解為平行于位移s的分力Fcos？琢和垂直于位移s的分力Fsin？琢，物體在垂直于位移的分力上沒(méi)有發(fā)生位移，所以該分力做功為零，從而得出W=Fscos？琢。若把位移s分解為平行于力scos？琢的位移和垂直于力F的分位移ssin？琢，同樣可以得到W=Fscos？琢。無(wú)論是分解力F還是分解位移s，都是在力與位移共線這一特殊情形下向一般情形的拓展。

2.2 ?感性到理性，理解F為恒力

功的定義式中力F應(yīng)為恒力，這是教學(xué)中突破難度較大的知識(shí)點(diǎn)。利用學(xué)生感性思維強(qiáng)的特點(diǎn)，可以將圖1中驢拉磨的生活實(shí)例簡(jiǎn)化為圖2的物理模型：一物體在大小保持不變、方向始終沿圓周切線方向的力F作用下，沿半徑為R的圓周繞行一周，討論力F做了多少功？

部分學(xué)生雖然會(huì)得出“因?yàn)槔@行一周位移為零，所以力F做功為零”的錯(cuò)誤結(jié)論，但感性的生活體驗(yàn)告訴他們，此過(guò)程力F是有做功的。

引導(dǎo)學(xué)生回顧之前功的定義過(guò)程，可以發(fā)現(xiàn)上述結(jié)論錯(cuò)誤的原因是沒(méi)有認(rèn)識(shí)到此處的力F為變力，由此得到功的定義式中力F應(yīng)為恒力的正確認(rèn)識(shí)。

可以對(duì)此問(wèn)題進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生思考：如何求此問(wèn)題中力F做的功呢？通過(guò)引入微元思想，得出力F做功應(yīng)為F·2πR。

2.3 ?邏輯推理，明晰位移s的相對(duì)性

學(xué)生在之前的學(xué)習(xí)中已經(jīng)知道位移與參考系的選取有關(guān)。但功的定義式中的位移應(yīng)該選什么為參考系并未明確。

如圖3，光滑斜面位于光滑的水平地面上，小物塊從斜面頂端靜止滑下，小物塊沿斜面下滑的過(guò)程中，判斷斜面對(duì)小物塊的作用力有無(wú)做功？

學(xué)生認(rèn)知的沖突表現(xiàn)在：一種觀點(diǎn)認(rèn)為支持力N與斜面垂直，故不做功;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為有做功，因?yàn)樾泵嬉策\(yùn)動(dòng)起來(lái)，是斜面與物塊間的作用力做功的結(jié)果。

此時(shí)，可以引導(dǎo)學(xué)生利用“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”這一觀點(diǎn)，對(duì)兩種觀點(diǎn)進(jìn)行辨析。如果N對(duì)物塊不做功，其反作用力顯然對(duì)斜面做了功（導(dǎo)致斜面能量增加），從“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”出發(fā)，會(huì)得到“系統(tǒng)能量增加”的錯(cuò)誤結(jié)論。由此得出，位移s應(yīng)為如圖4所示對(duì)地位移的正確結(jié)論。

3 ?辨析功的屬性，形成正確的物理觀念

功的正、負(fù)、總功、合外力做功及功的矢標(biāo)性是本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)，為此設(shè)計(jì)如下實(shí)例進(jìn)行討論，難點(diǎn)逐個(gè)突破。

例1.如圖5，小車在一端固定的橡皮筋的作用下沿著水平面從A點(diǎn)經(jīng)B運(yùn)動(dòng)到C，討論此過(guò)程中橡皮筋的拉力對(duì)小車做的功。

利用功的定義式，可以判斷A到B過(guò)程，橡皮筋的拉力對(duì)小車做正功，B到C過(guò)程，橡皮筋的拉力對(duì)小車做負(fù)功;由此發(fā)現(xiàn)功有正、負(fù)，我們是否可以得出功是矢量的結(jié)論？學(xué)生討論后，一種觀點(diǎn)根據(jù)F、s均為矢量，所以功也是矢量，功的正負(fù)表示方向;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為不能確定功是矢量，因?yàn)橛械奈锢砹坑姓?fù)但不一定為矢量，如溫度，所以功可能是標(biāo)量。

如何突破這一難點(diǎn)？此時(shí)可以引導(dǎo)學(xué)生從之前學(xué)習(xí)的矢量與標(biāo)量的異同點(diǎn)，即矢量運(yùn)算遵循平行四邊形定則，而標(biāo)量只是代數(shù)相加這一結(jié)論出發(fā)，論證功是否為矢量。

例2.如圖6，分別用力F1、F2按圖中所標(biāo)角度，拉著小船沿圖中虛線行駛了80m，分別求出此過(guò)程F1、F2及合外力做的功。

W1=F1cos60°s=4000J

W2=F2cos30°s=12000J

W合=F合s=（ F1cos60°+F2cos30°）s=16000J

上述計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，W1+W2= W合≠■，可見(jiàn)功的運(yùn)算不遵循平行四邊形定則，因此功是標(biāo)量，正負(fù)不表示方向。從中還可以發(fā)現(xiàn)W總= W合=W1+W2，即合外力做功等于總功。

通過(guò)上述2個(gè)例題，學(xué)生經(jīng)歷思辨過(guò)程認(rèn)識(shí)到功是標(biāo)量，其正負(fù)不表示大小，總功等于合外力做功，形成了正確的物理觀念。

4 ?結(jié)束語(yǔ)

物理觀念、物理思維的形成與發(fā)展是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程，教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對(duì)物理概念，特別是一些核心概念的認(rèn)知過(guò)程，存在“臺(tái)階”現(xiàn)象。如何突破這些教學(xué)難點(diǎn)，體現(xiàn)教師的教學(xué)智慧，科學(xué)設(shè)計(jì)教學(xué)，通過(guò)對(duì)難點(diǎn)的進(jìn)階處理，有助于學(xué)生跨越“臺(tái)階”，提升其科學(xué)思維能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-5.

[2]王煥霞.物理思維能力表現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)研究[J].物理教師，2017（3）：2.

[3]韓艷華. SOLO視野下高中生物理思維發(fā)展能力的研究[J].中學(xué)物理，2018（2）：17.