高中物理“功率”教學(xué)案例研究

楊威虎　馬亞鵬

摘 要：高中物理“功率”教學(xué)實(shí)踐中存在目標(biāo)不清、與初中教學(xué)方式簡(jiǎn)單重復(fù)等問(wèn)題。本文基于學(xué)習(xí)結(jié)果分類(lèi)與目標(biāo)導(dǎo)向教學(xué)理論的視角，重新審視并撰寫(xiě)了“功率”教學(xué)案例，并討論了教學(xué)設(shè)計(jì)的理論框架、概念引入方式和初高中深度銜接等問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：功率；教學(xué)案例研究；學(xué)習(xí)結(jié)果；目標(biāo)導(dǎo)向教學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2017）11-0077-4

基于核心素養(yǎng)的物理教學(xué)將學(xué)生的發(fā)展尤其是思維能力的發(fā)展放在了首位，學(xué)習(xí)心理學(xué)研究表明，學(xué)生的學(xué)習(xí)與發(fā)展要建立在原有知識(shí)和認(rèn)知結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，且學(xué)習(xí)結(jié)果的類(lèi)型不同，學(xué)習(xí)的過(guò)程不同，有效學(xué)習(xí)的內(nèi)外部條件亦不同。因而，物理有效教學(xué)需要依據(jù)不同的學(xué)習(xí)結(jié)果和特定學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，創(chuàng)設(shè)適宜的學(xué)習(xí)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)與發(fā)展，學(xué)習(xí)結(jié)果分類(lèi)與目標(biāo)導(dǎo)向教學(xué)理論可資借鑒。

本文基于該理論，對(duì)高中物理“功率”教學(xué)案例進(jìn)行分析，以期為物理教師進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)施教學(xué)提供參考。

1 教學(xué)目標(biāo)

1.1 課程標(biāo)準(zhǔn)要求

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)）》在“內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)”中對(duì)“功率”這節(jié)課的要求：“理解功率，關(guān)心生活和生產(chǎn)中常見(jiàn)機(jī)械功率的大小及其意義?！盵1]

1.2 課時(shí)教學(xué)目標(biāo)

【知識(shí)與技能】

（1）通過(guò)比較做功的快慢，理解功率的概念，能運(yùn)用功率的定義式P=進(jìn)行有關(guān)計(jì)算。

（2）通過(guò)實(shí)例，理解額定功率和實(shí)際功率的概念。

（3）通過(guò)分析，了解平均功率和瞬時(shí)功率的涵義。

（4）從功率的定義式入手，結(jié)合有關(guān)知識(shí)，推導(dǎo)在力與位移方向相同時(shí)功率與力、速度的關(guān)系式P=Fv，并能用于分析、計(jì)算和解釋現(xiàn)象。

【過(guò)程與方法】

（1）通過(guò)功率概念的建立，學(xué)習(xí)、鞏固比值定義法。

（2）探究功率與力、速度的關(guān)系，并在實(shí)際應(yīng)用中體會(huì)控制變量的思想方法。

【情感、態(tài)度與價(jià)值觀(guān)】

通過(guò)對(duì)各種機(jī)械功率的探究，認(rèn)識(shí)功率概念在生活中的應(yīng)用，發(fā)展運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋生活和生產(chǎn)中現(xiàn)象的意識(shí)。

2 教學(xué)任務(wù)分析

任務(wù)分析指“教師對(duì)幫助學(xué)生習(xí)得特定學(xué)習(xí)結(jié)果的教學(xué)任務(wù)的建構(gòu)，是教師確定教學(xué)目標(biāo)后，揭示學(xué)習(xí)者達(dá)到教學(xué)目標(biāo)所需要掌握的知識(shí)、技能及相互序列關(guān)系的認(rèn)知活動(dòng)”[2]。“功率”這節(jié)課中，包含功率、額定功率和實(shí)際功率、平均功率和瞬時(shí)功率等基本概念，功率與力、速度之間的關(guān)系等物理規(guī)律，比值定義法、微元法、控制變量法等基本方法。

按照加涅的學(xué)習(xí)結(jié)果分類(lèi)理論，上述內(nèi)容屬于智慧技能之中的概念學(xué)習(xí)。依據(jù)信息加工心理學(xué)，概念學(xué)習(xí)的外部條件是教師提供有關(guān)概念的正例，幫助學(xué)生概括一類(lèi)事物的共同本質(zhì)特征，形成概念，并在指導(dǎo)運(yùn)用概念解決問(wèn)題的過(guò)程中，通過(guò)及時(shí)反饋幫助學(xué)生理解概念。內(nèi)部條件是學(xué)生具有辨別能力和較強(qiáng)的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。教學(xué)中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：

（1）學(xué)生在初中學(xué)過(guò)功率的初步知識(shí)，因而功率概念的建構(gòu)并不難，需對(duì)比值定義法的實(shí)質(zhì)進(jìn)行復(fù)習(xí)與鞏固。

（2）對(duì)額定功率和實(shí)際功率，應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生理解物理實(shí)質(zhì)；對(duì)平均功率和瞬時(shí)功率，應(yīng)從平均速度和瞬時(shí)速度的概念中進(jìn)行知識(shí)遷移，進(jìn)而理解物理本質(zhì)，避免學(xué)生機(jī)械記憶概念。

（3）在給定的情境下，學(xué)生通過(guò)提出問(wèn)題、分析論證，探究功率與力、速度的關(guān)系。

（4）通過(guò)符合學(xué)生實(shí)際的例題的練習(xí)與反饋，促進(jìn)學(xué)生學(xué)會(huì)功率的計(jì)算。

3 教學(xué)過(guò)程

環(huán)節(jié)1：告知學(xué)習(xí)目標(biāo)

讓學(xué)生快速瀏覽PPT打出來(lái)的學(xué)習(xí)目標(biāo)，明確學(xué)習(xí)要點(diǎn)。展示給學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo)如下：

1. 知道做功有快慢之分，理解功率的概念；

2. 理解額定功率和實(shí)際功率的概念；

3. 了解平均功率和瞬時(shí)功率的含義；

4. 會(huì)用所學(xué)知識(shí)分析、計(jì)算和解釋現(xiàn)象，認(rèn)識(shí)功率概念在生活中的運(yùn)用。

設(shè)計(jì)意圖：教學(xué)是一個(gè)目標(biāo)導(dǎo)向的過(guò)程，告知學(xué)生學(xué)習(xí)目標(biāo)，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)起定向作用，這是目標(biāo)導(dǎo)向教學(xué)理論的內(nèi)在要求。

環(huán)節(jié)2：復(fù)習(xí)舊知識(shí)

復(fù)習(xí)功的概念：出示表1，要求學(xué)生口述或填寫(xiě)表格中空白處的內(nèi)容，教師及時(shí)反饋，對(duì)學(xué)生填寫(xiě)錯(cuò)誤的地方進(jìn)行補(bǔ)充。

設(shè)計(jì)意圖：功的概念是學(xué)習(xí)功率的基礎(chǔ)，因而需要引導(dǎo)學(xué)生對(duì)本課所需的前提性知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)。表1相當(dāng)于提供給學(xué)生一個(gè)物理概念學(xué)習(xí)的圖式，對(duì)功率的學(xué)習(xí)起先行組織者的作用。

環(huán)節(jié)3：呈現(xiàn)新知識(shí)

情境1：展示我校某班學(xué)生在“開(kāi)心農(nóng)場(chǎng)”用鐵鍬翻地的圖片，農(nóng)民開(kāi)拖拉機(jī)犁地的圖片。

師：翻同樣大小的一塊地，做功是一樣的，顯然拖拉機(jī)速度快，用的時(shí)間短，這說(shuō)明做功有快慢之分。那么，如何比較做功的快慢呢？

生：可以比較功相同時(shí)所用時(shí)間的長(zhǎng)短，還可以比較相同時(shí)間內(nèi)做功的多少。

例1 請(qǐng)你比較以下情況中人和起重機(jī)做功的快慢。一個(gè)人肩扛質(zhì)量為20 kg的箱子沿斜面勻速運(yùn)動(dòng)，在1 min內(nèi)使箱子沿斜面勻速行進(jìn)，在1 min內(nèi)使箱子升高了5 m。起重機(jī)在20 s內(nèi)將質(zhì)量為1 t的貨物勻速提高10 m，誰(shuí)做功快？快多少倍？

生：通過(guò)計(jì)算可知，起重機(jī)做功快，比人做功快3 000倍。

師：你是怎么算的呢？為什么這樣算？

生：時(shí)間和功都不同，要比較做功的快慢，就需要比較單位時(shí)間內(nèi)做功的多少，所以用功和所用時(shí)間相除。

師：在物理學(xué)中，功W和做功所用時(shí)間t 的比值，是描述做功快慢的物理量，叫做功率。

出示表格2，要求學(xué)生完成對(duì)空白部分的填寫(xiě)。

師：功率概念的定義，我們用了什么方法？endprint

生：比值定義法。

師：用功W和做功所用時(shí)間t 的比值定義功率，正是用到了比值定義法，這種用兩個(gè)物理量的比值來(lái)定義一個(gè)新物理量的方法，稱(chēng)之為比值定義法。還有哪些物理量用到了比值定義法？

生：速度、加速度、電阻等。

設(shè)計(jì)意圖：新課程理念強(qiáng)調(diào)課堂教學(xué)要注重知識(shí)形成的過(guò)程與方法，上述設(shè)計(jì)通過(guò)創(chuàng)設(shè)具體的情境，從定性到定量，并通過(guò)概念圖式在已知和未知之間架設(shè)橋梁，建立功率的概念。

環(huán)節(jié)4：理解新知識(shí)

情境2：如圖1為不同機(jī)械的功率。請(qǐng)同學(xué)們思考，圖中所給的功率指的是什么功率？

生：指額定功率。

師：嗯！初中我們學(xué)過(guò)這個(gè)概念。那么，什么是額定功率呢？

生：發(fā)動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)注的功率為額定功率。

師：額定功率的物理意義是什么呢？（啟發(fā)式講解）大家想一想，一臺(tái)機(jī)械的功率可以無(wú)限增大嗎？我換一個(gè)問(wèn)法，汽車(chē)能跑過(guò)火箭嗎？

生：（笑）跑不過(guò)。

師：機(jī)械做功的快慢與機(jī)械的結(jié)構(gòu)和性能有關(guān)，每一臺(tái)機(jī)械都有一個(gè)正常條件下長(zhǎng)時(shí)間工作的最大功率，這是設(shè)計(jì)和制造每臺(tái)機(jī)械時(shí)已經(jīng)決定了的，這就是額定功率的物理意義。

師：機(jī)械實(shí)際運(yùn)行時(shí)的功率叫做實(shí)際功率。通常要求實(shí)際功率不能超過(guò)額定功率，如果實(shí)際功率超過(guò)額定功率，將損壞機(jī)械或縮短使用壽命。

師：（類(lèi)比）如果把人體比作特殊的“機(jī)械”，也是如此，過(guò)度勞累常常會(huì)生病，運(yùn)動(dòng)員超大運(yùn)動(dòng)量訓(xùn)練也會(huì)對(duì)身體造成損傷。

例2 一物體在水平力F=50 N的作用下在水平方向上做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，速度v=2 m/s，求在t=2 s內(nèi)，力F對(duì)物體做功的功率。

讓一名學(xué)生在黑板上計(jì)算，其他學(xué)生在草稿紙上演算，要求寫(xiě)出解題過(guò)程。

解：物體做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，位移l=vt=10 m

力F做功W=Fl=500 J

功率P==100 W

（教師講解、反饋）

師：例2中，如果不給出時(shí)間t的數(shù)值，還能否計(jì)算出功率呢？

生：可以，因?yàn)镻==Fv，只要知道力F和速度v，就能夠算出功率。

師：他說(shuō)的這個(gè)辦法行不行？算一下看。

生：也為100 W。

師：例2中，物體做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。如果物體做變速運(yùn)動(dòng)，還能用P=Fv計(jì)算功率嗎？此時(shí)應(yīng)該注意什么問(wèn)題？

生：v為平均速度就可以。

師：如果v為瞬時(shí)速度呢？

生：應(yīng)該指瞬時(shí)功率吧？

師：實(shí)際上，功率也有平均和瞬時(shí)之分。在剛才推導(dǎo)的公式P=Fv中，如果v為平均速度，則為平均功率；v為瞬時(shí)速度，則為瞬時(shí)功率。顯然，平均功率表示做功的平均快慢，瞬時(shí)功率表示某時(shí)刻或某位置做功的快慢。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境，在學(xué)生原有的知識(shí)的基礎(chǔ)上，理解額定功率和實(shí)際功率的概念。通過(guò)例題，學(xué)生學(xué)會(huì)運(yùn)用功率的定義式計(jì)算功率，在結(jié)果反饋時(shí)進(jìn)一步設(shè)置問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生分析論證，得出功率與力、速度的關(guān)系，并在對(duì)公式中速度物理意義的理解中，學(xué)習(xí)平均功率和瞬時(shí)功率。這一環(huán)節(jié)是本節(jié)課的重點(diǎn)，上述設(shè)計(jì)思路清晰、環(huán)環(huán)相扣，便于學(xué)生理解物理本質(zhì)。

環(huán)節(jié)5：運(yùn)用新知識(shí)

情境3：播放陳老師開(kāi)車(chē)過(guò)鐵路橋的視頻，提示學(xué)生觀(guān)察上坡減檔的過(guò)程。

師：陳老師為什么在快要到達(dá)橋頂端時(shí)突然減檔呢？他這樣做符不符合科學(xué)的道理？

生：（討論后）上坡時(shí)，汽車(chē)需要比較大的牽引力，在輸出功率不變的情況下，牽引力與速度成反比，所以他通過(guò)減速來(lái)獲得較大的牽引力。

師：如果汽車(chē)上坡時(shí)仍要保持原來(lái)的速度，陳老師應(yīng)該怎么做？為什么？

生：加大油門(mén)，增大輸出功率。

情境4：播放陳老師開(kāi)車(chē)過(guò)鐵路橋的第二段視頻，提示學(xué)生觀(guān)察他的操作。驗(yàn)證學(xué)生結(jié)論的正確性。

情境5：圖2為一輛跑車(chē)的照片，其外觀(guān)流線(xiàn)型的設(shè)計(jì)，顯得美感十足。這種流線(xiàn)型設(shè)計(jì)，可以減小汽車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的阻力。

師：這種設(shè)計(jì)是否有利于汽車(chē)獲得較大的速度？

生：額定功率一定的情況下，牽引力和速度成反比，當(dāng)汽車(chē)獲得最大速度時(shí)，牽引力和阻力相等，這種設(shè)計(jì)減小了汽車(chē)運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力，故而有利于汽車(chē)獲得較大的速度。

設(shè)計(jì)意圖：專(zhuān)門(mén)拍攝了學(xué)校教師開(kāi)車(chē)過(guò)鐵路橋時(shí)的操作視頻，貼近學(xué)生的生活，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并在運(yùn)用知識(shí)進(jìn)行分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的過(guò)程中體會(huì)物理學(xué)與生活的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋生活和生產(chǎn)中現(xiàn)象的意識(shí)。

環(huán)節(jié)6：課堂小結(jié)和課外拓展

（1）課堂小結(jié)：重新出示學(xué)習(xí)目標(biāo)，要求學(xué)生對(duì)照學(xué)習(xí)目標(biāo)，完善知識(shí)結(jié)構(gòu)。

（2）課外拓展：本節(jié)課中，功率與力、速度的關(guān)系式P=Fv是在力的方向與速度方向一致的情況下得出的。如果力與速度方向不一致，而是成任意一個(gè)角度時(shí)，功率與力、速度之間會(huì)是怎樣的關(guān)系呢？

設(shè)計(jì)意圖：改變以往課堂小結(jié)由教師代替的做法，出示學(xué)習(xí)目標(biāo)，留一定的空白時(shí)間，讓學(xué)生對(duì)照學(xué)習(xí)目標(biāo)，完善自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)自主學(xué)習(xí)能力和反思能力的提升。課外拓展則為學(xué)有余力的學(xué)生提出一個(gè)需要探究的問(wèn)題，因材施教，關(guān)注學(xué)生的個(gè)體差異。

4 思考與討論

4.1 物理教學(xué)設(shè)計(jì)的理論框架

學(xué)習(xí)結(jié)果與目標(biāo)導(dǎo)向教學(xué)理論為物理教學(xué)“精細(xì)化”提供了理論框架，該理論依據(jù)學(xué)習(xí)心理學(xué)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)的解釋?zhuān)J(rèn)為物理教學(xué)過(guò)程、教學(xué)策略的選擇和學(xué)生活動(dòng)的創(chuàng)設(shè)既要圍繞特定的學(xué)習(xí)目標(biāo)，又要符合具體學(xué)生的學(xué)習(xí)與認(rèn)知規(guī)律。在教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)任務(wù)分析，確定學(xué)習(xí)的外、內(nèi)部條件和學(xué)生的起點(diǎn)能力，為教學(xué)策略的選擇和學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論指導(dǎo)。教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)則依據(jù)告知教學(xué)目標(biāo)、復(fù)習(xí)舊知識(shí)、呈現(xiàn)新知識(shí)、理解新知識(shí)、運(yùn)用新知識(shí)和課堂小結(jié)等環(huán)節(jié)層層展開(kāi)，邏輯鏈條完整，注重知識(shí)的形成過(guò)程，幫助學(xué)生深度學(xué)習(xí)，提高思維能力，發(fā)展核心素養(yǎng)。

4.2 高中物理“功率”概念的引入方式

在引入功率概念時(shí)，一些教學(xué)案例和已發(fā)表的教學(xué)設(shè)計(jì)通常采用學(xué)生實(shí)驗(yàn)或活動(dòng)，如讓兩名學(xué)生比賽將磚頭搬運(yùn)到一定的高度，在時(shí)間相同的情況下比較搬運(yùn)磚塊的數(shù)量，或搬運(yùn)磚塊數(shù)量一定時(shí)比較所用的時(shí)間；還有的案例用提前錄制好的學(xué)生“爬樓梯”的視頻引入。這些引入方式看似熱鬧，實(shí)則是無(wú)視學(xué)情的表現(xiàn)。

上述引入方式適宜初中物理“功率”教學(xué)，因?yàn)槌踔袑W(xué)生對(duì)怎樣比較“快慢”還不很明白，需要通過(guò)活動(dòng)等建構(gòu)概念。高中學(xué)生因已在初中時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)功率的概念，且通過(guò)速度、加速度等概念的學(xué)習(xí)已掌握了比較快慢的思路和比值定義法。因此，本案例采用情境明確做功有快慢之分，用具體例題幫助學(xué)生建立概念，并運(yùn)用概念圖式幫助學(xué)生理解概念的意義，既適合學(xué)情又節(jié)約教學(xué)時(shí)間。

4.3 初、高中的深度銜接問(wèn)題

初、高中銜接的問(wèn)題一般被認(rèn)為是學(xué)生剛進(jìn)入高中時(shí)的教學(xué)銜接，實(shí)際上學(xué)生的學(xué)習(xí)與其原有知識(shí)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，且初、高中課程設(shè)計(jì)采用螺旋式設(shè)計(jì)，因而初、高中銜接應(yīng)貫穿于整個(gè)高中物理學(xué)習(xí)過(guò)程。

如何做到初、高中的深度銜接，是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。功率概念的引入就是一例。另外，學(xué)生在初中也已習(xí)得了額定功率、實(shí)際功率等概念，但對(duì)其物理本質(zhì)理解不到位，而功率與力、速度的關(guān)系是高中新學(xué)習(xí)的內(nèi)容。因此，本案例中，將課堂教學(xué)的重點(diǎn)放在了后兩個(gè)方面，并拍攝了汽車(chē)上橋的視頻，通過(guò)問(wèn)題討論，幫助學(xué)生深度理解，并體會(huì)物理知識(shí)在生活、生產(chǎn)中的應(yīng)用，完成了課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)本節(jié)課的要求。

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)（實(shí)驗(yàn)）[S].北京：人民教育出版社，2003：14.

[2]陳剛.物理教學(xué)設(shè)計(jì)[M].上海：華東師范大學(xué)出版社，2009.

（欄目編輯 鄧 磊）endprint