高中物理“功”的教學(xué)研究綜述

(安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241002)

功是現(xiàn)行高中物理“機(jī)械能及其守恒定律”主題下的第一個(gè)概念，也是貫穿整個(gè)高中物理的一個(gè)重要概念。但就“功”一節(jié)的內(nèi)容而言，其中存在著一些疑難知識(shí)點(diǎn)，比如對(duì)公式中位移的理解。如何處理疑難知識(shí)點(diǎn)？教學(xué)如何設(shè)計(jì)？這些都是需要研究的問(wèn)題。筆者梳理前人的研究成果，嘗試解決相關(guān)問(wèn)題，以期為改進(jìn)“功”的教學(xué)提供借鑒和參考。

1 關(guān)于疑難知識(shí)點(diǎn)的研究

1.1 關(guān)于功的定義中位移的確切含義

關(guān)于功的定義中位移的確切含義爭(zhēng)議較多，主要有以下幾種觀點(diǎn)：第一種觀點(diǎn)認(rèn)為是“物體的位移”，仔細(xì)推敲就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這是一種簡(jiǎn)單卻不夠準(zhǔn)確的說(shuō)法。謝定生(2000)指出：如果定義其為物體的位移，應(yīng)明確物體沒(méi)有發(fā)生形變。[1]第二種觀點(diǎn)認(rèn)為是“力的作用點(diǎn)的位移”。對(duì)此，謝定生(2000)強(qiáng)調(diào)：要“正確區(qū)分力的作用點(diǎn)的位移和力的作用點(diǎn)的移動(dòng)，否則就容易出錯(cuò)”。[1]第三種觀點(diǎn)認(rèn)為是“受力質(zhì)點(diǎn)的位移”，這是一種較為準(zhǔn)確的講法，牛溪坡(2018)還指出：要注意“受力質(zhì)點(diǎn)的位移與物體重心的位移沒(méi)有必然的關(guān)系”。[2]另外，還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為是“受力質(zhì)元的位移”，[3]顯然這樣的說(shuō)法已經(jīng)超出了中學(xué)物理教學(xué)的范圍。張瑤(2015)表示：“對(duì)功的理解，應(yīng)該結(jié)合物理學(xué)史，不能背離功的實(shí)際意義，那么對(duì)功就不難理解。跳出中學(xué)物理知識(shí)的局限范圍，可以發(fā)現(xiàn)，功的表達(dá)式中的位移指的是受力質(zhì)點(diǎn)元的位移，并不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為是物體的位移或作用點(diǎn)的位移”。[4]在課堂教學(xué)中應(yīng)該如何向?qū)W生講解位移的確切含義？王志剛(2013)指出：應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生從能量轉(zhuǎn)化的角度來(lái)分析做功，內(nèi)化對(duì)于功的概念的感悟，沒(méi)有必要過(guò)多糾纏于位移的準(zhǔn)確解讀。[5]

1.2 關(guān)于負(fù)功的研究

負(fù)功之所以是“功”一節(jié)內(nèi)容中的難點(diǎn)，一方面在于其物理意義的難以理解，另一方面在于負(fù)功的具體表述。賀圣平(2004)指出：“功有正功、負(fù)功之分，其意義是不同于其他標(biāo)量的正負(fù)。力做負(fù)功意味著力與位移的夾角大于90°，力對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用,物體克服這個(gè)(阻)力運(yùn)動(dòng)，可以說(shuō)成物體克服這個(gè)力而做功”。[6]這種解釋近似于人教版教科書(shū)上的表述，沒(méi)能充分體現(xiàn)負(fù)功的物理意義。黃文興(2001)提到：“應(yīng)當(dāng)使學(xué)生明確力對(duì)物體做負(fù)功，從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)說(shuō)意味著物體的速度減小，從功能關(guān)系來(lái)看意味著物體動(dòng)能的減小”。[7]另外，“正功是指動(dòng)力對(duì)物體做的功，負(fù)功是指阻力對(duì)物體做的功”是一種比較主流的說(shuō)法。但是陳恩譜(2017)針對(duì)這樣的表述，指出：“動(dòng)力是可以不做功，也可以做負(fù)功”，“動(dòng)力功、阻力功”的說(shuō)法“掩蓋了功的正負(fù)的實(shí)質(zhì)——功的正負(fù)實(shí)際上是指能量轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移的方向，力對(duì)物體做正功，表示施力物體對(duì)受力物體輸入能量，力對(duì)物體做負(fù)功，表示施力物體從受力物體取走能量”。[8]筆者認(rèn)為這種“能量轉(zhuǎn)化方向”的說(shuō)法，教師應(yīng)該知曉，但不應(yīng)該直接教給學(xué)生，尤其是基礎(chǔ)較差的學(xué)生。畢竟這種講法顯得功既有正負(fù)、又有“方向”，難免讓學(xué)生誤認(rèn)為功是矢量，從而帶來(lái)不必要的麻煩。

2 關(guān)于教學(xué)設(shè)計(jì)的研究

2.1 關(guān)于新課引入的研究

在引入“功”的新課時(shí)，研究者給出的方法各具特色。顧康清(2009)是直接引導(dǎo)學(xué)生回憶初中學(xué)習(xí)的功的表達(dá)式以及做功的必要因素，從而迅速進(jìn)入主題。[9]這樣的做法體現(xiàn)了概念學(xué)習(xí)的連續(xù)性和階段性要求，但是欠缺了引入功必要性的解釋。劉召新(2017)是通過(guò)“鋼針撞擊海綿”的實(shí)驗(yàn)來(lái)引入新課，[10]雖然實(shí)驗(yàn)本身直觀性較強(qiáng)，但是這樣的實(shí)驗(yàn)對(duì)于器材和操作的要求顯得比較高。韋葉平(2017)指出：可以利用課堂小游戲(吹箭游戲)引入新課，[11]小游戲的優(yōu)勢(shì)一方面在于趣味性較強(qiáng)，另一方面有助于學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)方法(控制變量法)。這樣的游戲優(yōu)勢(shì)顯著，但也難免會(huì)占用過(guò)多的課堂時(shí)間。另外，王俊(2016)是通過(guò)介紹功的物理學(xué)史的知識(shí)來(lái)引入新課的，[12]物理學(xué)史的介紹既能指出引入功的必要性，又能很好地聯(lián)系生活實(shí)際，有助于發(fā)展學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。用物理學(xué)史來(lái)引入新課優(yōu)點(diǎn)突出，但要注意史實(shí)的準(zhǔn)確把握。

2.2 關(guān)于計(jì)算公式推導(dǎo)的研究

功的計(jì)算公式推導(dǎo)的方法較為單一，但也有一些值得借鑒的做法。張杰(2012)指出：可以引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)對(duì)功的定義的思考，從而利用分解位移的方法來(lái)推導(dǎo)計(jì)算公式，[13]這樣的做法有助于培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維，避免形成“自古華山一條路”的思維定勢(shì)。[14]另外，張萬(wàn)軍(2018)對(duì)人教版教科書(shū)中的推導(dǎo)過(guò)程提出了質(zhì)疑：對(duì)拉力和位移成銳角的特殊情況下給出的W=Fscosα能否做一般化推廣？指出“銳角”是一種特殊情況，由此得出的計(jì)算公式并不能進(jìn)行一般性推廣，他主張采用“歸納法”進(jìn)行公式的推導(dǎo)。[15]如果說(shuō)“銳角”只是一種特殊情況，那么在教學(xué)中，是否可以在得出計(jì)算公式后，讓學(xué)生從其他角度進(jìn)行驗(yàn)證？這樣一方面可以釋疑解惑，另一方面有助于學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

2.3 關(guān)于負(fù)功教學(xué)的研究

前文已經(jīng)提及負(fù)功是一個(gè)難點(diǎn)，如何突破這一難點(diǎn)？研究者也給出了一些比較好的方法。黃文興(2001)在教學(xué)中先提出一系列問(wèn)題：什么情況下力對(duì)物體做負(fù)功？此時(shí)力對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)起什么作用？物體運(yùn)動(dòng)的速度大小如何變化？物體的動(dòng)能如何變化？再列舉幾個(gè)具體的例子，如豎直上拋運(yùn)動(dòng)、物體在粗糙水平地面上滑行，分析外力做功情況及動(dòng)能的變化情況，來(lái)加深學(xué)生對(duì)負(fù)功物理意義的理解。[7]趙亞兵(2014)指出：應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生從生活實(shí)際出發(fā)，可以通過(guò)研究手拉彈簧、搬書(shū)舉高、逆風(fēng)前行等事例，讓學(xué)生理解負(fù)功的意義，并感到物理就在身邊。[16]通過(guò)設(shè)置問(wèn)題串、聯(lián)系生活實(shí)際等，突出了負(fù)功的物理意義，可幫助學(xué)生理解負(fù)功的概念。

2.4 關(guān)于功的標(biāo)量屬性的研究

人教版教科書(shū)中在給出功的計(jì)算公式后，直接指出：“功是標(biāo)量”。但是關(guān)于功是標(biāo)量這一特性的教學(xué)，研究者也有不同的做法。唐黎明(2019)指出：應(yīng)當(dāng)在公式推導(dǎo)之前直接告訴學(xué)生功是標(biāo)量，這樣學(xué)生在公式推導(dǎo)時(shí)就有了知識(shí)基礎(chǔ)，使得知識(shí)的學(xué)習(xí)順序更加合理。[17]但是這里忽視了學(xué)生前概念的影響，由于數(shù)學(xué)知識(shí)的滯后，學(xué)生對(duì)于矢量與標(biāo)量、矢量與矢量之間乘積的認(rèn)識(shí)并不清晰。根據(jù)功的定義，功是兩個(gè)矢量(力和位移)的乘積，難免讓學(xué)生認(rèn)為功也是一個(gè)矢量。如若直接告訴學(xué)生功是標(biāo)量，或許難以被學(xué)生接受，對(duì)此孟擁軍(2015)也有過(guò)詳細(xì)的解釋。[18]那么，應(yīng)該如何介紹功的標(biāo)量屬性？張杰(2012)認(rèn)為：在教學(xué)中可以用一個(gè)求解“分力做功”與“合力做功”關(guān)系的例題，通過(guò)證明“合力功”為“分力功”的代數(shù)和來(lái)說(shuō)明功是標(biāo)量。[19]程國(guó)峰(2014)是結(jié)合能量的概念，對(duì)功是標(biāo)量進(jìn)行了解釋，“因?yàn)槟芰繘](méi)有方向，功是能量轉(zhuǎn)換的量度，所以功沒(méi)有方向，是標(biāo)量”。[20]這樣的說(shuō)法似乎表明了“能量和功是等效的”，學(xué)生理解起來(lái)不免會(huì)出現(xiàn)困難。

3 關(guān)于“功”的教學(xué)建議

(1) 適時(shí)、適度講解疑難知識(shí)點(diǎn)

在疑難知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)中，不僅要根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知水平來(lái)決定講解的深度，而且還要注意方法、時(shí)機(jī)等，切不可急于求成。例如計(jì)算公式中位移的確切含義，可以在學(xué)習(xí)完動(dòng)能定理的知識(shí)以后，穿插在習(xí)題課中，結(jié)合功能關(guān)系來(lái)分析、講解。

(2) 巧用物理學(xué)史引入新課

功的形成歷史內(nèi)容豐富，如能適當(dāng)利用，可以讓學(xué)生在認(rèn)識(shí)科學(xué)的發(fā)展歷史、感受科學(xué)價(jià)值的過(guò)程中，加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解，形成良好的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。當(dāng)然，教師需要參考相關(guān)文獻(xiàn)，力求對(duì)史實(shí)的準(zhǔn)確把握，并以此為基礎(chǔ)完善加工，從而更好地輔助教學(xué)。

(3) 把握時(shí)機(jī)，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和科學(xué)態(tài)度

在功的公式推導(dǎo)的教學(xué)中，可以適時(shí)引導(dǎo)學(xué)生用分解位移的方法來(lái)推導(dǎo)，并在得出計(jì)算公式后列舉一些角度自行驗(yàn)證，從而培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

(4) 重視負(fù)功物理意義的教學(xué)

功的概念本身較為抽象，負(fù)功的概念更難理解，所以教師應(yīng)該重視負(fù)功的物理意義，從而幫助學(xué)生理解負(fù)功。

(5) 引導(dǎo)學(xué)生論證功的標(biāo)量性

關(guān)于功的標(biāo)量性的教學(xué)，可以結(jié)合相關(guān)的例題,設(shè)計(jì)包括：提出問(wèn)題、提出猜想、驗(yàn)證猜想、分析猜想這樣一個(gè)完整的論證過(guò)程。通過(guò)對(duì)功是標(biāo)量的論證，一方面便于學(xué)生接受功是標(biāo)量的特性，另一方面有助于學(xué)生提升科學(xué)推理和批判性思維能力。