官漢聰

摘 ? 要：物理觀念、物理思維的形成與發(fā)展是一個循序漸進(jìn)的過程，教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對物理概念，特別是一些核心概念的認(rèn)知過程，存在“臺階”現(xiàn)象。本文以“功”的進(jìn)階教學(xué)為例，對功的定義、功的正負(fù)、功的矢標(biāo)性等方面的教學(xué)進(jìn)行了探索，通過對難點(diǎn)的進(jìn)階處理，幫助學(xué)生跨越“臺階”，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)識上升為理性認(rèn)識，并從已有的理性認(rèn)識獲得新的理性認(rèn)識的過程。在《課程標(biāo)準(zhǔn)》中，對物理核心素養(yǎng)劃分為5個逐漸遞進(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 ]。

但對學(xué)生而言，物理思維的形成需要一個遞進(jìn)、進(jìn)階培養(yǎng)的過程。物理思維能力的形成要建立在具體的物理知識基礎(chǔ)之上，而并非簡單的積累，它是在對具體知識的本質(zhì)屬性概括提升的基礎(chǔ)上，發(fā)展出超越具體知識，能拓展到應(yīng)用物理知識解決其它知識組塊問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，從知識層面，學(xué)生在初中的學(xué)習(xí)中對功有了模糊概念，知道了標(biāo)量與矢量的概念;從技能角度，學(xué)生已經(jīng)會求解物體運(yùn)動的方向與力同向時力所做的功;從思維角度，會用等效法處理力、位移的合成與分解;從體驗(yàn)角度，借助生活事例，對“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”有了模糊的印象。學(xué)習(xí)本節(jié)知識時，學(xué)生將面臨對公式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)功的定義過程

人類早期在對蒸汽機(jī)工作的研究過程中，通過控制變量法，發(fā)現(xiàn)蒸汽機(jī)對物體施加力的大小與物體在這個力的作用下移動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)生得出有做功過程就有能量的轉(zhuǎn)化;人用力推車但未推動汽車、光滑水平面上做勻速圓周運(yùn)動的繩系小球、光滑水平面上做勻速直線運(yùn)動的物塊等實(shí)例說明不做功就沒有能量轉(zhuǎn)化?？梢?，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量度，使學(xué)生對“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)思維與探究過程

2.1 ?特殊到一般，完善功的定義

對于力是否有做功，學(xué)生在初中已有“垂直無功”的觀念，當(dāng)物體運(yùn)動的方向與力的方向不在一直線上時，在初中學(xué)過的功的公式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)生雖然會得出“因?yàn)槔@行一周位移為零，所以力F做功為零”的錯誤結(jié)論，但感性的生活體驗(yàn)告訴他們，此過程力F是有做功的。

引導(dǎo)學(xué)生回顧之前功的定義過程，可以發(fā)現(xiàn)上述結(jié)論錯誤的原因是沒有認(rèn)識到此處的力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。

可以對此問題進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生思考：如何求此問題中力F做的功呢？通過引入微元思想，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程中，判斷斜面對小物塊的作用力有無做功？

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)動起來，是斜面與物塊間的作用力做功的結(jié)果。

此時，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)，對兩種觀點(diǎn)進(jìn)行辨析。如果N對物塊不做功，其反作用力顯然對斜面做了功（導(dǎo)致斜面能量增加），從“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”出發(fā)，會得到“系統(tǒng)能量增加”的錯誤結(jié)論。由此得出，位移s應(yīng)為如圖4所示對地位移的正確結(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)動到C，討論此過程中橡皮筋的拉力對小車做的功。

利用功的定義式，可以判斷A到B過程，橡皮筋的拉力對小車做正功，B到C過程，橡皮筋的拉力對小車做負(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。

通過上述2個例題，學(xué)生經(jīng)歷思辨過程認(rèn)識到功是標(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

物理觀念、物理思維的形成與發(fā)展是一個循序漸進(jìn)的過程，教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生對物理概念，特別是一些核心概念的認(rèn)知過程，存在“臺階”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)，通過對難點(diǎn)的進(jìn)階處理，有助于學(xué)生跨越“臺階”，提升其科學(xué)思維能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部.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.