概念學習與規(guī)律探究整合教學設計
——以初中物理“機械功”和“功的原理”教學為例

南京師范大學物理科學與技術學院（210000）李海暢

江蘇蘇州市吳江區(qū)實驗初級中學教育集團（215200）楊勇誠

《義務教育物理課程標準（2022 年版）》提倡在教學過程中注重科學探究，突出問題導向；強調(diào)創(chuàng)設真實問題情境，引導學生不斷探索；重視培養(yǎng)學生分析問題、解決問題的實踐本領和科學思維能力，發(fā)展學生的核心素養(yǎng)?！读x務教育物理課程標準（2022 年版）》倡導教學方式多樣化，鼓勵教師在教學實踐中靈活選用教學方式。因此，物理教師要根據(jù)教學目標、教學內(nèi)容、教學對象及教學資源等實際情況，設計符合課程理念的教學活動，帶領學生在真實問題情境中探究物理規(guī)律，在揭示物理規(guī)律的同時形成生動的物理概念。

一、存在的問題與破解思路

部分物理教師認為，學生只有建立了物理概念之后，才能夠進行有效的物理規(guī)律探究。這種片面的認識導致教師在沒有充分鋪墊的前提下，直接給出物理概念，試圖通過對文字的解釋來幫助學生形成物理概念，再用刷題的方式幫助學生鞏固概念。但是，這種行為，從人對自然認知規(guī)律的角度而言無疑是本末倒置的。僅僅通過文字的鋪陳和咬文嚼字式的解讀，很難讓學生真正將物理概念內(nèi)化為物理模型，而且填鴨式教學也會導致課堂學習變得枯燥乏味，催生學生的厭學情緒和畏難心理。加上學生在尚未形成生動、完整的物理概念的情況下刷題，反而會固化思維。因此，不符合學科特征和學生認知規(guī)律的教學，既不能幫助學生掌握科學探究方法和科學思維方式，又不能促進學生科學態(tài)度的形成，更不能培育學生正確的物理觀念。

不管教師用什么方式方法進行概念教學，學生的學習都必須經(jīng)歷四個環(huán)節(jié)，即反芻經(jīng)驗、實驗探究、思辨明理和實際應用（見圖1），將物理概念的建立寓于物理規(guī)律的探究過程之中，兩者是一個不能分割的整體。

圖1

（一）反芻經(jīng)驗，摸清學習基礎

教師首先要創(chuàng)設情境，幫助學生反芻經(jīng)驗。我們常說教學需要以問題為導向，那么問題從哪里來？不是教師硬塞給學生的，而是學生在司空見慣的生活現(xiàn)象中發(fā)現(xiàn)的，這樣的問題才能激發(fā)學生探究的欲望，集聚學生學習的動力。學生發(fā)現(xiàn)問題的過程也是教師了解學生的知識儲備和前概念等情況的過程。對于學生頭腦里正確的前概念，教師就要在學生探究過程中不斷強化，不斷豐富充實。如果發(fā)現(xiàn)學生的前概念是模糊的，甚至是錯誤的，教師就應通過探究活動，引發(fā)學生的思維沖突，通過不斷矯治、不斷修正，幫助學生形成正確的物理概念。所謂的“以學定教”，絕對不是學生學習前發(fā)一份試卷讓他們做一做那么簡單，基于學生經(jīng)驗的教學才是真正的“順學而教”。

（二）實驗探究，建立概念“粗坯”

科學探究不能局限于教材上那幾個“萬事俱備只欠東風”的實驗，這些已經(jīng)設計好了的實驗無非是教師規(guī)范學生開展探究的示范性案例。要幫助學生建立正確、生動的物理概念，需要學生參與在真實情境中對物理真問題進行探究的活動，也就是說學生的探究活動不能過度預設，沒有“山重水復”的經(jīng)歷，就沒有“豁然開朗”的體驗。要幫助學生在“真”探究過程中形成生動的物理模型，作為思維的基點、經(jīng)驗的生長點、概念形成的立足點，該模型被我們稱為物理概念的“粗坯”。

（三）思辨明理，形成完整概念

從“實驗事實”到“科學真相”的“最后一里路”就是思辨，這個過程不僅是實驗觀察到的現(xiàn)象、采集到的數(shù)據(jù)轉變?yōu)椤白C據(jù)”的過程，還是物理概念形成的關鍵環(huán)節(jié)，更是物理模型被學生大腦中固有的“圖識”同化建立新的心智模式的過程。但是，教材中提供的探究案例，由于過度的預設，將實驗事實與科學真相劃上“等號”，導致實驗探究缺少學生的思辨活動，淡化了學科特征，淪為課程常識教學。

（四）實際應用，立體內(nèi)化概念

運用物理知識解決實際問題，不僅能強化物理概念，而且是一個發(fā)展學生關鍵能力、提升學生必備品格不可缺少的過程。但是，解題不能替代學生的實踐活動，更不能替代物理概念的教學過程。把物理概念的建立寄托在大量的解題訓練上，是不利于提升學生思維品質(zhì)的。一切物理概念的形成都應是源于解決生活中的實際問題，概念學習應融于規(guī)律的探究之中，也就是只有將概念的抽象與現(xiàn)象的具象緊密結合，學生才會獲得豐滿而又立體的物理概念。

二、教學設計與案例分享

教師在教學時應將“機械功”概念的學習與“功的原理”的探究整合起來，讓學生在問題的引導下，在探究“功的原理”的過程中建立“功”的基本概念。

（一）開門見山，提出問題

學生學習簡單機械后都有了一定的相關經(jīng)驗，即省力杠桿費距離，費力杠桿省距離。滑輪組提升重物能省力，但繩子自由端通過的距離比物體抬升的高度要大。教師順勢向學生提出問題：力與在力的方向上通過的距離是否存在著一定的數(shù)量關系呢？這個問題源于學生經(jīng)驗，教材上也沒有預設，因此對學生而言具有一定的挑戰(zhàn)性。

（二）回顧遷思，設計實驗

探究力與在力的方向上通過的距離的數(shù)量關系，最核心的操作就是改變作用在機械上的力的大小，測出在力的方向上通過的距離。如何改變力的大小？學生憑經(jīng)驗知道有兩種方式：一是改變提升重物的重力；二是改變作用在杠桿上力的位置（改變力臂）或者改變動滑輪數(shù)量。這兩種方式哪個比較合理？學生討論后認為第二種方式比較合理，原因是實驗需要控制變量。

教師順勢再提出問題：控制哪些變量？如何控制？學生想到的是：使用同一根杠桿或同一組滑輪、控制重力大小不變、提升重物的高度保持一致、重物在杠桿上的懸掛點不變等。教師需要提醒學生思考：如何控制測力計的重力對實驗的影響？為此，應盡可能地在豎直方向上拉動機械。

通過問題導向，幫助學生邊反芻經(jīng)驗邊完善實驗設計。

（三）實驗探究，啟思明理

圖2、圖3 分別為利用杠桿和滑輪組提升重物的裝置。如果課堂教學時間有限，可以讓學生選擇其中一個裝置開展探究活動，也可以抽簽決定用哪個裝置進行探究。

圖2

圖3

以圖2 實驗為例，學生在測力計校零后，分別在杠桿1，2，3 三個點位上通過測力計豎直、勻速提拉杠桿，每次讓3 牛重的物體抬升10 厘米，測出點位相應提升的高度s，同時測出拉力F的大小，一并記錄在表1中（表中數(shù)據(jù)為某一小組的實測記錄）。教師引導學生分析，在不同點位上完成同一項工作，即提升同一個重物到同一個高度，使用的力的大小不同，在力的方向上通過的距離也不同，但是力與在力的方向上通過的距離的乘積是相等的，這時“功”概念的“粗坯”開始形成。為了突顯探究結果的可靠性，教師收集不同小組的測量數(shù)據(jù)，最后發(fā)現(xiàn)結果是完全一致的。

表1 探究用輕質(zhì)杠桿提升重物時力與在力的方向上通過的距離之間的數(shù)量關系實驗數(shù)據(jù)

用同樣的方法，針對選用滑輪組（圖3）探究的小組收集的實驗數(shù)據(jù)進行分析，得出“使用不同數(shù)量的動滑輪提升同一個重物到同一個高度，使用的力的大小不同，在力的方向上通過的距離也不同，但是其乘積是不變的”的結論。通過組間數(shù)據(jù)比對，學生在頭腦中不斷地加深“F·s”的印象，豐富“功”概念的“粗坯”符號，逐步形成物理模型。

再將使用杠桿和使用滑輪組探究的實驗合起來觀察，發(fā)現(xiàn)用不同的簡單機械做同一項工作，力與在力的方向上通過的距離的乘積都是相等的，進一步強化“功”的概念。就在學生的思維發(fā)展處于“水到渠成”的關鍵時刻，教師拋出“功”的概念：物理學上，把力與在力的方向上通過的距離的乘積稱為“功”，功是一個重要的物理量。接下來再介紹功的計算公式和功的單位。F·s的物理意義就是人對機械做的“功”，也就是說：用不同機械做同一項工作，人對機械做的功是相等的。這時，功的原理“粗坯”在功的概念基礎上逐漸形成。

學生通過探究、思辨，自然體會到功不是一個教師硬塞給他們的物理概念，而是基于物理事實的發(fā)現(xiàn)。學生頭腦中一個抽象的概念與具體的物理事實產(chǎn)生關聯(lián)，使得生動的物理模型轉化為深刻的心智圖識。

（四）由此及彼，窮幽極微

教師要求學生進一步觀察實驗數(shù)據(jù)，看看還能發(fā)現(xiàn)什么。學生通過交流，發(fā)現(xiàn)力與在力的方向上通過的距離的乘積（F·s）等于物體重力與物體提升的高度的乘積（G·h）。由此教師再提出問題：如何驗證這個發(fā)現(xiàn)的可靠性？讓學生繼續(xù)設計探究方案。

新問題是在學生探究過程中自然形成的，而且是一個真實的問題，這就能充分激發(fā)學生的探究欲望，使學生開啟深度學習“模式”。要進一步探究這個問題，那么物體的重力和提升的高度也就成了變量，學生既要測拉力和在拉力的方向上通過的距離，又要測出物體的重力和物體提升的高度。這時，變量的增多使得探究活動進階，探究活動變得更加開放。學生利用杠桿或滑輪組進行自主探究，并將實驗數(shù)據(jù)記錄在表2中。學生通過實驗，發(fā)現(xiàn)并證實了F·s=G·h。

表2 探究用輕質(zhì)杠桿提升重物時力與在力的方向上通過的距離之間的數(shù)量關系實驗數(shù)據(jù)

重力與物體提升的高度的乘積具有什么物理意義呢？通過師生討論，歸納出G·h就是人不通過機械直接對物體做的功。也就是說，使用機械可以省力，也可以省距離，但是不能省功?！叭送ㄟ^機械對物體做的功等于人直接對物體做的功?！惫Φ脑碓诔榻z剝繭中呈現(xiàn)出來。在這樣的教學過程中，學生對功的概念理解更加自如、更加豐滿。

作為探究活動，到此已經(jīng)完成，但是要強化學生對功的概念和功的原理的理解，還需要在課堂教學中引導學生進行實際運用。

三、教后反思和認識提升

在真實情景中對實際問題進行探究，在探究活動中體驗物理過程、觀察物理現(xiàn)象、建立物理概念、解釋物理規(guī)律，不僅是我們認識自然的一般方式，還是我們學習物理的主要方式。真情境、實探究要靠物理教師創(chuàng)造性的勞動來實現(xiàn)。

（一）物理概念學習與規(guī)律探究整合教學符合學生的認知特點

一是概念的建立是寓于人對大自然的認識活動過程之中的，對大自然的認識過程就是一個對未知世界進行探究的過程。物理概念也不例外，需要學生在探究物理規(guī)律的過程中建立起來，在實踐中豐滿起來。離開了學生探究活動，靠教師的一味灌輸形成的概念，無助于學生的素養(yǎng)提升和能力提高。

二是初中生處于形象思維向抽象思維發(fā)展的關鍵階段，雖然他們具備了一定的邏輯推理能力和抽象地表達事物本質(zhì)特征的能力，但是他們的抽象思維在很大程度上還屬于“經(jīng)驗型”，即在他們的抽象思維中具體形象的成分仍然起著重要的作用。因此，對物理概念的理解和內(nèi)化，僅靠文字、符號是遠遠不夠的，需要活生生的情境、鐵錚錚的事實作為觸發(fā)思維進階的基礎，需要生動形象的物理模型為概念的形成鋪陳，一句話，概念的形成不是一蹴而就的。

三是初中生還不能在觀察中注意到事物的細微處，不能長時間地專注于一件事物，但是物理概念的學習需要學生經(jīng)歷一個去偽存真、由表及里、由此及彼的內(nèi)化過程，需要學生聚神和專注，而富有挑戰(zhàn)性的探究活動，正好能幫助學生克服年齡特征對學習的負影響，使學生從學習中獲得成就感，更好地促進學生深刻思維和深度學習。

（二）物理概念學習與規(guī)律探究整合教學符合物理學科特征

物理實驗既是研究物理、學習物理的手段，也是物理學的一個重要組成部分，將物理概念的學習與物理規(guī)律的探究整合起來組織課堂教學，就是將動手操作與思辨明理統(tǒng)合，強化了物理實驗的重要性。近年來，初中物理課堂中低思維含量的重復性、體驗性實驗比比皆是，在真實情景中對真實問題進行探究的實驗較少，即便有探究，也常局限于教材上僅有的幾個預設性很強的、作為探究范例的活動。這樣的探究僅僅是為了滿足學生的體驗，根本不能當作物理學科教學內(nèi)容，失去了物理學科的基本特征，這種課堂樣態(tài)不是我們需要的。我們把物理概念學習和物理規(guī)律教學整合在一個真探究的活動之中，從教與學的方式尋找突破口，就能從根本上清除物理課程教學中的“頑瘴痼疾”，讓物理課堂靈動起來。上述教學設計在實際操作中，不論是教師的教，還是學生的學，都呈現(xiàn)出積極、活躍的一面，也不會因為探究預設的減少，而使學生望而卻步。恰恰相反的是，因為有了挑戰(zhàn)，學生的參與度更高。

（三）物理概念學習與規(guī)律探究整合教學符合新版課標要求

物理概念學習與規(guī)律探究整合教學中，教師基于學生經(jīng)驗，積極創(chuàng)設問題情境，學生在問題的引導下開展探究活動，在“做中學、用中學、研中學”的活動中，發(fā)現(xiàn)知識、掌握技能、生長經(jīng)驗、發(fā)展創(chuàng)新思維、提升思維品質(zhì)。教師應幫助學生學會從經(jīng)驗中去認識、發(fā)現(xiàn)事物的共同屬性和事物之間的內(nèi)在聯(lián)系，積極地內(nèi)化知識，促進經(jīng)驗常識轉化為物理概念。學生在解決實際問題的過程中主動運用知識，在運用知識的過程中學習新知識、新技能，發(fā)展關鍵能力，提升必備品格。應讓學生感覺到知識的進階、技能的拔節(jié)和經(jīng)驗的生長，體會到物理學習給他們帶來的快樂。

物理概念學習與物理規(guī)律探究整合教學絕對不是初中物理教學的創(chuàng)新之舉，而是讓初中物理教學返璞歸真的實踐，目的就是讓物理學習走進學生的生活，同時帶領學生走進社會、走向大自然，充分發(fā)揮物理學科的育人功能，積極培育學生的物理觀念、發(fā)展學生的科學思維品質(zhì)、提升學生的科學探究能力，培養(yǎng)有科學精神和態(tài)度、有社會責任的新時代好公民。