剖析知識(shí)建立過程挖掘核心素養(yǎng)教育元素
——從高中物理功的教學(xué)說起

唐黎明

(上海市寶山區(qū)教育學(xué)院 上海 201900)

《普中高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》[1]指出能量觀念是物理核心素養(yǎng) “物理觀念”方面中的三大要素之一，可見其在高中物理教學(xué)中的地位，物理同仁都知道學(xué)習(xí)能量是離不開學(xué)習(xí)功的，學(xué)習(xí)能量在很大程度上是在學(xué)習(xí)功和能的關(guān)系，而通常來說總是先學(xué)功，再學(xué)能，所以學(xué)習(xí)功是學(xué)生建立能量觀念的首要一步；長(zhǎng)期的中學(xué)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)又告訴我們，學(xué)習(xí)抽象的功的概念大部分學(xué)生是有困難的，鑒于上述2個(gè)原因，本人覺得探討功的教學(xué)問題具有一定的現(xiàn)實(shí)意義．

1 教材中的思維路徑

無論是現(xiàn)行的人教版高中《物理·必修2》[2]，還是上科版物理高一年級(jí)第二學(xué)期[3]，關(guān)于功的定義式W=Fscosθ都是通過下面的思維路徑尋得的．

(1)回憶初中物理功的定義式W=Fs，并指出該定義式只適合圖1所示的力F和位移s同方向的時(shí)候，并說明當(dāng)F和s垂直時(shí)F不做功．

圖1 力F和位移s同方向

(2)分解力F．首先提問，當(dāng)F和s如圖2所示成θ角時(shí)如何來計(jì)算力F的功？根據(jù)的力等效替代思想，可以將力F沿平行于位移s方向和垂直于位移s方向分解，得到Fx和Fy，如圖3所示.

圖2 力F和位移s同成θ角

圖3 對(duì)力F進(jìn)行分解

(3)推出W=Fscosθ．由于Fy和s垂直，所以Fy不做功，即做功為零；又Fx=Fcosθ，W=Fxs，所以有W=Fscosθ．

(4)討論正功、零功和負(fù)功．

1)當(dāng)0≤θ<90°時(shí)，cosθ>0，所以W>0，F(xiàn)做正功；

2)當(dāng)θ=90°時(shí)，cosθ=0，所以W=0，F(xiàn)不做功；

3)當(dāng)時(shí)90°<θ≤180°，cosθ<0，所以W<0，F(xiàn)做負(fù)功．

由此，得到了功的一般定義式W=Fscosθ．

2 被強(qiáng)加的邏輯前題

表面上看來，教材通過上面4步“邏輯”地推導(dǎo)出了W=Fscosθ，如果課堂教學(xué)只是就事論事地按這4步來教授，那么不僅教師在邏輯上感到“生硬”，而且學(xué)生在知識(shí)內(nèi)化上也會(huì)感到W=Fscosθ是被莫名強(qiáng)加的．

上面4步中除了第(1)步，只是復(fù)習(xí)學(xué)生在初中已具備的知識(shí)外，后面3步分別潛在地采用了學(xué)生所不具備的、可用于計(jì)算功的知識(shí)，來作為推理的前題．

第(2)步中所采用的推理前題是：力的合成與分解知識(shí)可用于功的計(jì)算．熟悉高中物理教學(xué)的老師都知道在還沒有學(xué)習(xí)功以前，力的合成與分解知識(shí)只在靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)范圍內(nèi)被運(yùn)用，教材不加說明地直接將其用于計(jì)算功，悄悄地將這一知識(shí)的運(yùn)用范圍擴(kuò)大了，實(shí)為唐突．

第(3)步中所采用的推理前題是：合力做的功等于各個(gè)分力所做功的代數(shù)和．這一知識(shí)應(yīng)該是在學(xué)生掌握W=Fscosθ之后，再來學(xué)習(xí)的，但教材顯然是先“盜用”了，有“邏輯循環(huán)”之嫌．

第(4)步中所采用的推理前題是：圖2情景(0<θ<90°)下推出的W=Fscosθ，也適用于90°<θ≤180°下的物理情景，也就是說教材不加說明地將在一定情景下推出的物理公式擴(kuò)大了適用范圍，這與第(2)步中擴(kuò)大知識(shí)的使用范圍類同．

通過上面分析，我們不難明白對(duì)于“功”按教材直接進(jìn)行教學(xué)，從認(rèn)知角度上來看難以接受的原因了．

3 必要的知識(shí)引導(dǎo)

為了避免這種邏輯上的“生硬”，我們不妨大大方方地將這些學(xué)生還不知道的、推理的前提性知識(shí)先明確地告訴學(xué)生， 為學(xué)生將要進(jìn)行的推理做好知識(shí)鋪墊．實(shí)際上這些知識(shí)是學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)新知識(shí)所必需的“內(nèi)部條件”[4]，當(dāng)學(xué)生還不具備這些“內(nèi)部條件”時(shí)按上述路徑來教授“功”自然是不成功的．在教學(xué)思路上可以補(bǔ)充下面的引導(dǎo)，以幫助學(xué)生建立這些“內(nèi)部條件”．

對(duì)于第(2)步，首先需要向?qū)W生說明的是：將力F分解為Fx和Fy，即用Fx和Fy來替代F，F(xiàn)x和Fy將不會(huì)改變物體的運(yùn)動(dòng)情況，所以計(jì)算F做的功可以轉(zhuǎn)化為計(jì)算Fx和Fy做的功．那么沿哪二個(gè)方向分解F才使得初中學(xué)的功的知識(shí)有用呢？按圖3所示來分解F學(xué)生是容易找到的．

對(duì)于第(3)步，首先需要向?qū)W生說明的是F做的功等于Fx，F(xiàn)y分別做的功的代數(shù)和，而不是矢量和，順便指出功是標(biāo)量

對(duì)于第(4)步，首先需要向?qū)W生提出問題：如圖4所示，若F方向和位移s方向成鈍角，則又如何來計(jì)算F的功呢？公式W=Fscosθ中θ角的取值范圍是否可以拓展至鈍角甚至180°呢？其次告訴學(xué)生在物理學(xué)中規(guī)定θ角的取值范圍正是[0，180°][一道可以作為課后的作業(yè)：試問θ角的取值范圍有必要增加(180°，360°]范圍嗎？]，再次才來討論功的正、負(fù)問題．

圖4 力F與位移夾角θ為鈍角

最后，有必要對(duì)學(xué)生作進(jìn)一步的闡明，對(duì)于功的定義式W=Fscosθ與其說是推導(dǎo)出來的，不如說是依據(jù)合理的假設(shè)前提建構(gòu)出來的，W=Fscosθ不僅包含已學(xué)的特殊形式W=Fs，而且擴(kuò)展了計(jì)算功的適用范圍，對(duì)于學(xué)生來說開闊了計(jì)算功的視野，尋得了在更大范圍內(nèi)對(duì)功的認(rèn)識(shí)，所以由W=Fs到W=Fscosθ學(xué)習(xí)，屬于奧蘇伯爾有意義言語學(xué)習(xí)理論中的“上位學(xué)習(xí)”[5]，學(xué)生在腦中建立了關(guān)于功的較一般的知識(shí)(功的最一般的定義式在大學(xué)物理中學(xué)習(xí))．

4 建構(gòu)法

聯(lián)想到當(dāng)前物理核心素養(yǎng)中的科學(xué)思想方面，發(fā)現(xiàn)上述W=Fscosθ的建構(gòu)過程，具有培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思想的價(jià)值，這種創(chuàng)新不同于通過歸納法去實(shí)現(xiàn)，也不同于運(yùn)用類比法去發(fā)現(xiàn)，而是通過將已學(xué)的知識(shí)運(yùn)用于更一般的情景，并采用合理的假設(shè)，從而產(chǎn)生包容性更廣的知識(shí)來實(shí)現(xiàn)，我們把這種創(chuàng)造新知識(shí)的方法叫做建構(gòu)法，建構(gòu)法實(shí)際上綜合地運(yùn)用了假設(shè)、演繹和類比等思想方法，這是一種綜合的思想方法．舉例來說，量子力學(xué)中德布羅意的物質(zhì)波假設(shè)的提出，就運(yùn)用了建構(gòu)法，因?yàn)樗压獾牟６笮裕茢U(kuò)到了所有實(shí)物粒子身上，在思想方法上不僅有類比，更采用了一般的假設(shè)．當(dāng)然，運(yùn)用建構(gòu)法得出的結(jié)論在理論上或許是合理的，但也有可能面臨著沒有實(shí)際物理意義的風(fēng)險(xiǎn)．盡管如此，眾所周知物理學(xué)中的許多創(chuàng)新成果正是在合理外推，大擔(dān)假設(shè)的情況下取得的．

為了能夠更好地在一線課堂全面落實(shí)物理核心素養(yǎng)教育，我們要全面地分析教材，解讀教材，通過對(duì)物理知識(shí)建立過程的剖析，深刻挖掘教材中物理核心素養(yǎng)教育的元素，將這些潛在的“元素”顯性化，不愁素養(yǎng)教育不能“落地生根”，上述關(guān)于功的教學(xué)問題的闡述，就作為挖掘教材中物理核心素養(yǎng)教育元素的一個(gè)例子，供大家參考．