也談“功”的概念的引入與建立

楊來芳

如果仔細(xì)研究就會發(fā)現(xiàn)，功在初中物理教學(xué)中是一個較為特殊的概念，一個重要原因就在于它的引入與建立不太容易尋找到理由.縱觀初中物理，從之前的測量概念的引入是因?yàn)樯钪行枰容^，質(zhì)量概念的建立是因?yàn)槲矬w所含物質(zhì)的多少并不相同，密度概念的建立是因?yàn)椴煌镔|(zhì)單位體積內(nèi)的質(zhì)量并不相等，電流概念的建立是因?yàn)椴煌娐分须娏鞯膹?qiáng)度有所不同……而為什么要引入并建立功的概念，很多時(shí)候?qū)ふ也坏揭粋€確切的理由.畢竟，教材上“力與物體在力的方向上運(yùn)動距離的乘積叫做功”這樣的定義，并不能解決為什么要引入功的概念.因此，學(xué)生的學(xué)習(xí)常常處于一種知其然不知其所以然的狀態(tài)，而初中學(xué)生一旦處于這種狀態(tài)，其在建立相關(guān)物理概念的時(shí)候就會出現(xiàn)認(rèn)知上的真空，從而容易讓學(xué)習(xí)進(jìn)入死記硬背的狀態(tài).對此問題，筆者進(jìn)行了深入分析.

1功概念的來龍去脈

翻閱物理學(xué)史與相關(guān)研究文章可以發(fā)現(xiàn)，歷史上功的概念的建立與其它物理概念并沒有太大的區(qū)別，都是基于生活的需要——工業(yè)革命的早期，人們?yōu)榱撕饬空羝麢C(jī)的效率，迫切需要建立某個物理量.基于生活實(shí)踐，人們逐步認(rèn)同用機(jī)器舉起的物體的重量與所舉高度的乘積來衡量機(jī)械的輸出，并命名為“功”.

這種需要在今天看來，與學(xué)生的生活幾乎不存在任何的關(guān)系，因此在不同版本的教材中，并沒有將這樣的歷史需要作為功的概念的建立背景.而也正因?yàn)榻滩倪@樣的處理，或者說因?yàn)榻滩牟]有尋找到另一個具有替代意義的例子，就使得功的概念的引入與建立顯得非常的與眾不同，而學(xué)生也因此感覺難以接受.

再往后分析教材，可以發(fā)現(xiàn)功這一概念在功與能的知識中具有基礎(chǔ)性的作用，無論是分析能量的轉(zhuǎn)化，還是到電學(xué)當(dāng)中研究電流做功及功率等，均與功有關(guān).因此，功可謂是能量部分知識的基礎(chǔ)，如果學(xué)生對功的概念引入與建立存在理解上的真空，那么學(xué)生在后面的知識建構(gòu)過程中，必然會出現(xiàn)認(rèn)知角度的障礙.

以上從功概念建立的歷史角度與學(xué)生建構(gòu)與功相關(guān)知識的角度分析，分別對功的概念建立的重要性作出了闡述.意在提醒同行，功這一概念的引入建立一定要重視.

2學(xué)生認(rèn)識功的困難

為什么說教材上建立功的方法并不是最恰當(dāng)?shù)哪兀坎环料葋矸治瞿嘲姹窘滩牡奶幚矸椒?該教材通過呈現(xiàn)三種做功的情況：水平面上一個水平方向的力推動物體移動了一段距離；豎直方向上一個力拉著一個物體沿豎直方向通過了一段距離；斜面上一平行于斜面的力推動物體移動了一段距離.然后綜合這三種情況的共同點(diǎn)，即用力作用于物體上，且物體在力的方向上通過了一段距離.最后引入功的概念，并建立功的定義.

這樣的概念建立方法對于學(xué)生來說有什么樣的困難呢？對此，筆者專門進(jìn)行了問卷調(diào)查，問卷設(shè)了三個問題：（1）學(xué)完本節(jié)后，你知道功是什么樣的物理量嗎？（2）你知道為什么要引入功這個物理量嗎？（3）你覺得功在生活以及在物理學(xué)習(xí)中會起到什么樣的作用？調(diào)查結(jié)果表明，有高達(dá)87%的學(xué)生作出了否定的回答，即使另外的13%的學(xué)生，實(shí)際上也是云里霧里.

顯然，學(xué)生通過這種方式建立起來的功的概念，不足以讓學(xué)生明白為什么要引入功這個概念.

還有一點(diǎn)不能忽視，那就是即使學(xué)生通過順應(yīng)的方式接受了功的概念，他們在判斷是否做功的時(shí)候也還容易出錯.即使老師幫學(xué)生分析出不做功的三種情況，學(xué)生還是無法理解為什么這三種情況下就不做功.

3功概念的引入與建立

基于以上的分析，筆者認(rèn)為初中物理教學(xué)中，必須引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到建立功這一概念的意義.那么，具體如何實(shí)施呢？筆者在參照他人研究成果的基礎(chǔ)上，提出如下思路.

3.1借助于物理學(xué)史，引導(dǎo)學(xué)生思考“功”的概念的引入

首先，通過圖片或視頻創(chuàng)設(shè)工業(yè)革命時(shí)代的情境，讓學(xué)生認(rèn)識到蒸汽機(jī)在那個時(shí)代所發(fā)揮的作用.然后向?qū)W生呈現(xiàn)不同能力的蒸汽機(jī)，讓學(xué)生認(rèn)識到不同蒸汽機(jī)的本領(lǐng)是不一樣的.（這個過程不要少于5分鐘，而原因就在于只有有了足夠的時(shí)間保證，學(xué)生才會充分思考情境中形成的問題.）在呈現(xiàn)了相關(guān)的物理學(xué)方面的歷史之后，可以提供學(xué)生身邊的一些做功多少不同的例子，如背著輕重不同的書包分別爬上同樣層高的樓梯，或者背著同一個書包分別跑上二樓與三樓，讓學(xué)生去比較做功的多少.這個時(shí)候盡管學(xué)生沒有功的物理概念，但根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，他們同樣可以作出相應(yīng)的判斷.這個判斷，就是功的概念建立的認(rèn)知基礎(chǔ).

3.2引導(dǎo)學(xué)生分析問題并提出自己的猜想

問題可以設(shè)計(jì)成：如何描述不同蒸汽機(jī)干活的本領(lǐng)呢？（這里，“本領(lǐng)”是一個關(guān)鍵詞，其一方面符合學(xué)生的基本經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生不至于在本領(lǐng)這一概念上花費(fèi)太多的時(shí)間，另一方面當(dāng)本領(lǐng)“移植”到機(jī)器身上時(shí)，學(xué)生會思考如何去有效地衡量機(jī)器的本領(lǐng).）實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生可能出現(xiàn)的猜想通常有：看蒸汽機(jī)的大小；看蒸汽機(jī)干活的多少；看蒸汽機(jī)一次干多少活；看蒸汽機(jī)一次能將干活的對象加工到什么程度等.實(shí)踐表明，在這一過程中，只要教師的引導(dǎo)得當(dāng)，學(xué)生的思維就會不斷地向質(zhì)量與距離兩個因素靠近.當(dāng)然，在這個過程中，學(xué)生的思維會受到多方面的干擾，因此學(xué)生提出的猜想可能比較多，這個時(shí)候教師要做好分析與歸納工作，以讓學(xué)生的思維集中到力與距離兩個要素上來.

3.3教師進(jìn)行引導(dǎo)

讓學(xué)生的思維向力與力的方向上運(yùn)動的距離靠近.在學(xué)生初步意識到蒸汽機(jī)的本領(lǐng)與質(zhì)量和距離有關(guān)時(shí)，教師可以將蒸汽機(jī)干活的實(shí)際圖景抽象成簡圖，然后從力的角度進(jìn)行分析，讓學(xué)生認(rèn)識到蒸汽機(jī)干活的過程，實(shí)際上就是蒸汽機(jī)對物體施加力，并使物體運(yùn)動的過程.在這個過程中，力與物體運(yùn)動的方向往往是一致的.因此功的概念就呼之而出了.當(dāng)然，這里也不能忽視對學(xué)生所熟悉的事例的分析，比如說上面提到的背書

包上樓的例子，結(jié)合這個例子去分析受力與力的方向上通過的距離，也可以很好地建立關(guān)于功的概念的認(rèn)識.

3.4分析不做功的情形

在實(shí)際分析中，必然會出現(xiàn)機(jī)器托著物體水平運(yùn)動的情形，在這個過程中為什么不做功，是一個難點(diǎn).筆者的思路是：從能量變化的角度去幫學(xué)生建立功是能量轉(zhuǎn)化的量度的認(rèn)識，并發(fā)現(xiàn)該情形中物體的能量并不發(fā)生變化，因而在表征能量變化的時(shí)候，功必須為0，即不做功.當(dāng)然，這里就需要較科學(xué)地處理功與能量的關(guān)系，本來功是作為能量轉(zhuǎn)化的量度在物理上建立的，但是在初中物理教學(xué)中，功的出現(xiàn)往往是優(yōu)于能量概念的，即之前雖然提到過能量的概念，但只是提及而不是重點(diǎn)分析；而此處的功卻是重點(diǎn)學(xué)習(xí).同時(shí)，能量轉(zhuǎn)化在這里還要分析清楚，即力與物體運(yùn)動方向即距離方向處于垂直關(guān)系時(shí)，同樣有能量的轉(zhuǎn)化，只不過這里是生物能的消耗，與沒有做功的過程并不矛盾.

通過以上四步的梳理與分析，學(xué)生可以清晰地認(rèn)識到功的概念的引入的必要性，可以認(rèn)識建立功時(shí)所用定義的合理性.從而化解了學(xué)生認(rèn)識上的真空，從而為前后知識的銜接奠定重要的基礎(chǔ).并且，學(xué)生經(jīng)由這樣的學(xué)習(xí)過程，他們的邏輯是清晰的，過程是合理的，因而也就成為有效教學(xué)的一種實(shí)際體現(xiàn).