核心素养理念下的物理概念教学进阶设计

官汉聪

摘   要：物理观念、物理思维的形成与发展是一个循序渐进的过程，教学实践中发现，学生对物理概念，特别是一些核心概念的认知过程，存在“台阶”现象。本文以“功”的进阶教学为例，对功的定义、功的正负、功的矢标性等方面的教学进行了探索，通过对难点的进阶处理，帮助学生跨越“台阶”，提升科学思维能力。

关键词：核心素养;物理思维;进阶

引言

《普通高中物理课程标准（2017年版）》（以下简称《课程标准》）指出，物理学科核心素养主要包括“物理观念”“科学思维”“科学探究”“科学态度与责任”四个方面。而“科学思维”主要包括模型建构、科学推理、科学论证、质疑创新等要素[ 1 ]。

在日常教学中，我们结合学科特点，往往将其中的科学思维又称为物理思维，它是将物理观察和物理实验所得到的感性认识上升为理性认识，并从已有的理性认识获得新的理性认识的过程。在《课程标准》中，对物理核心素养划分为5个逐渐递进的水平，体现了物理思维能力形成的特点。物理学的概念、规律、理论体系体现了科学思维的严密性、精确性和逻辑性。学生通过物理学习，不但能形成严密的逻辑思维习惯，掌握物理思维的特点和科学的思维方法，而且能改善思维的品质，思维能力可以得到极大提高[ 2 ]。

但对学生而言，物理思维的形成需要一个递进、进阶培养的过程。物理思维能力的形成要建立在具体的物理知识基础之上，而并非简单的积累，它是在对具体知识的本质属性概括提升的基础上，发展出超越具体知识，能拓展到应用物理知识解决其它知识组块问题的带有方法论性质的思维方法[ 3 ]。

下面，以“功”为例，围绕物理学科核心素养，谈谈在教学中如何进阶培养学生物理思维。

学习本节内容之前，从知识层面，学生在初中的学习中对功有了模糊概念，知道了标量与矢量的概念;从技能角度，学生已经会求解物体运动的方向与力同向时力所做的功;从思维角度，会用等效法处理力、位移的合成与分解;从体验角度，借助生活事例，对“功是能量转化的量度”有了模糊的印象。学习本节知识时，学生将面临对公式W=Fscos？琢的正确理解与运用、正、负功及功的矢标性等方面的学习障碍。

1  对功的概念溯源，落实科学态度与责任目标

1.1  借助物理学史，再现功的定义过程

人类早期在对蒸汽机工作的研究过程中，通过控制变量法，发现蒸汽机对物体施加力的大小与物体在这个力的作用下移动的距离的乘积能够方便地定量比较蒸汽机工作能力，从而将这两个因素的乘积定义为功，得到W=Fs这一表达式。

1.2  “功是能量转化的量度”观点的建立

由起重机缓缓提升货物、列车在机车的牵引下加速、握力器在手的压力下发生形变具有能量等实例，引导学生得出有做功过程就有能量的转化;人用力推车但未推动汽车、光滑水平面上做匀速圆周运动的绳系小球、光滑水平面上做匀速直线运动的物块等实例说明不做功就没有能量转化。可见，做功是能量转化的途径，能量转化的多少可以用做功的多少来量度，使学生对“功是能量转化的量度”这一物理观念得到加强。

2  科学定义功，体验科学思维与探究过程

2.1  特殊到一般，完善功的定义

对于力是否有做功，学生在初中已有“垂直无功”的观念，当物体运动的方向与力的方向不在一直线上时，在初中学过的功的公式W=Fs基础上，将力F分解为平行于位移s的分力Fcos？琢和垂直于位移s的分力Fsin？琢，物体在垂直于位移的分力上没有发生位移，所以该分力做功为零，从而得出W=Fscos？琢。若把位移s分解为平行于力scos？琢的位移和垂直于力F的分位移ssin？琢，同样可以得到W=Fscos？琢。无论是分解力F还是分解位移s，都是在力与位移共线这一特殊情形下向一般情形的拓展。

2.2  感性到理性，理解F为恒力

功的定义式中力F应为恒力，这是教学中突破难度较大的知识点。利用学生感性思维强的特点，可以将图1中驴拉磨的生活实例简化为图2的物理模型：一物体在大小保持不变、方向始终沿圆周切线方向的力F作用下，沿半径为R的圆周绕行一周，讨论力F做了多少功？

部分学生虽然会得出“因为绕行一周位移为零，所以力F做功为零”的错误结论，但感性的生活体验告诉他们，此过程力F是有做功的。

引导学生回顾之前功的定义过程，可以发现上述结论错误的原因是没有认识到此处的力F为变力，由此得到功的定义式中力F应为恒力的正确认识。

可以对此问题进一步启发学生思考：如何求此问题中力F做的功呢？通过引入微元思想，得出力F做功应为F·2πR。

2.3  逻辑推理，明晰位移s的相对性

学生在之前的学习中已经知道位移与参考系的选取有关。但功的定义式中的位移应该选什么为参考系并未明确。

如图3，光滑斜面位于光滑的水平地面上，小物块从斜面顶端静止滑下，小物块沿斜面下滑的过程中，判断斜面对小物块的作用力有无做功？

学生认知的冲突表现在：一种观点认为支持力N与斜面垂直，故不做功;另一种观点认为有做功，因为斜面也运动起来，是斜面与物块间的作用力做功的结果。

此时，可以引导学生利用“功是能量转化的量度”这一观点，对两种观点进行辨析。如果N对物块不做功，其反作用力显然对斜面做了功（导致斜面能量增加），从“功是能量转化的量度”出发，会得到“系统能量增加”的错误结论。由此得出，位移s应为如图4所示对地位移的正确结论。

3  辨析功的属性，形成正确的物理观念

功的正、负、总功、合外力做功及功的矢标性是本节课的教学难点，为此设计如下实例进行讨论，难点逐个突破。

例1.如图5，小车在一端固定的橡皮筋的作用下沿着水平面从A点经B运动到C，讨论此过程中橡皮筋的拉力对小车做的功。

利用功的定义式，可以判断A到B过程，橡皮筋的拉力对小车做正功，B到C过程，橡皮筋的拉力对小车做负功;由此发现功有正、负，我们是否可以得出功是矢量的结论？学生讨论后，一种观点根据F、s均为矢量，所以功也是矢量，功的正负表示方向;另一种观点认为不能确定功是矢量，因为有的物理量有正负但不一定为矢量，如温度，所以功可能是标量。

如何突破这一难点？此时可以引导学生从之前学习的矢量与标量的异同点，即矢量运算遵循平行四边形定则，而标量只是代数相加这一结论出发，论证功是否为矢量。

例2.如图6，分别用力F1、F2按图中所标角度，拉着小船沿图中虚线行驶了80m，分别求出此过程F1、F2及合外力做的功。

W1=F1cos60°s=4000J

W2=F2cos30°s=12000J

W合=F合s=（ F1cos60°+F2cos30°）s=16000J

上述計算结果可以发现，W1+W2= W合≠■，可见功的运算不遵循平行四边形定则，因此功是标量，正负不表示方向。从中还可以发现W总= W合=W1+W2，即合外力做功等于总功。

通过上述2个例题，学生经历思辨过程认识到功是标量，其正负不表示大小，总功等于合外力做功，形成了正确的物理观念。

4  结束语

物理观念、物理思维的形成与发展是一个循序渐进的过程，教学实践中我们发现，学生对物理概念，特别是一些核心概念的认知过程，存在“台阶”现象。如何突破这些教学难点，体现教师的教学智慧，科学设计教学，通过对难点的进阶处理，有助于学生跨越“台阶”，提升其科学思维能力。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：4-5.

[2]王焕霞.物理思维能力表现标准的开发研究[J].物理教师，2017（3）：2.

[3]韩艳华. SOLO视野下高中生物理思维发展能力的研究[J].中学物理，2018（2）：17.