如何处理初中物理教学中与前概念相违的概念——以机械效率教学为例

高 博 彭朝阳

(云南师范大学 650000)

在沪科版初中物理教材的知识框架中，机械效率相关的内容起到了承上启下的作用.它既是前面所讲的简单机械和功的知识的综合应用，也是初三所讲热学、电学中的机械效率的前置知识.此外，机械效率也是学生学习的难点，教师教学的重点和中考重要考点.因此，机械效率相关内容的重要性毋庸置疑.

1 教材中机械效率的定义与学生前概念的矛盾之处

在沪科版八年级物理教材中，对于机械效率的定义是

其中W有表示有用功，W总表示总功.那么机械效率其实本质上反映的是一种占比，反映了为了达到工作目的所需的功，到底在所做的总功中占多少的份额，并将其作为评价机械好坏的一个重要指标.作为一名物理教师，很好理解这种抽象的物理概念.但是作为抽象思维尚未发展完全的初二学生来说，往往理解起来会很吃力.排除教师的影响因素，归根到底是因为这一概念和学生所熟悉的、生活中常见的“效率”所包含的含义是完全不同的.

在学习机械效率之前，学生生活中接触最多的和效率有关的就是“学习效率”.笔者举一个生活中涉及到效率时最常见的例子：“隔壁家的小明每天只用一个小时就可以写完作业了，他的学习效率真高，你要和他多学习学习”.在生活中这样的例子数不胜数，那么在这个语境中，学习效率实际上指的是学习的快慢，他更接近于功率的含义.所以对于学习效率的错误认识就构成了一个错误的前概念，并且往往会将其带入到学习之中.

2 改进方法

为了避免出现上述所说的情况，必须深入了解学生在这一阶段的思维特点，尽可能的接近学生的最近发展区.目前针对学生的错误前概念的纠正方法已经有较为完备的研究体系.针对初二年级中学生的思维特点和前置相关知识的掌握情况，笔者认为应该采用由浅入深的梯子型转换方法，即提出层次渐进的例子，帮助学生搭建梯子，逐步深入到错误前概念的关键点，进而彻底转变学生的错误前概念.

既然学生的错误概念来自于生活，我们就要从生活的角度下手，坚持“从生活中来，到生活中去”的原则.从根本上将学生的错误前概念转换过来.所以在新课教学环节中，我们可以列举循序渐进的生活化例子帮助学生搭建理解.

例1：小红去买苹果

问：小红买苹果的目的是什么？

答：吃苹果

解释：小明买苹果的目的是为了吃苹果，也就是说他吃到嘴里的苹果就是他买苹果的目的.花在苹果肉上的钱，是“有用的”.而在吃苹果的过程中，苹果核我们是不吃的.但是为了吃苹果的果肉，我们也不得不将果核一起买回来.所以，花在果核上的钱就是“无用的”.当然，钱不是风刮来的，所以我们都想买到更多的果肉，更小的果核.让钱花的有用一些，这也就是我们生活中说所说的“钱要花在刀刃上”.

在经过较为简单的例1铺垫之后，紧接着趁热打铁，引出第二个较为抽象的例子来纠正学生的错误前概念.

例2：小张和小王放学回家后都学习了四个小时，小张认认真真的学习，而小王一会上厕所，一会又想吃点零食.请问小张和小王谁的学习效率更高一些呢？

答：小张

解释：小张认认真真的学习，那他所浪费的时间可能只有10分钟.而小王一会要上厕所，一会要吃零食，可能浪费了一个小时的时间.小张的有效学习时间是230分钟，而小王的只有180分钟的有效学习时间.那么对于学习这一目的而言，小张的230分钟是“有用的”，10分钟是“无用的”.而小王则是180分钟“有用”，120分钟“无用”.所以在都是学习了4个小时，小张一定是先写完课后作业的.在生活中，我们就会说：“小张的学习效率比较高”.

通过例1的铺垫，在例2中我们直接接触到了学生的错误前概念，并且更加接近“效率”的本质.经过两个例子的铺垫，接下来，就可以用例3来引导学生探索出“机械效率”这一抽象的概念.

例3：小明用水桶在水井内打水；

问：小明的工作目的是什么？

答：将水抬上来；

问：根据上节课所讲的功的概念，小明将水抬上来的过程中，其是否做功了呢？对谁做了功？为什么？

答：因为小明对水和水桶施加了力的作用，且水和水桶在力的方向上移动了一段距离.所以小明对水和水桶都做了功.

问：那么如果有多个人一起打水，我们如何像例2中那样比较谁打水的效率高呢？老师给出一个表格，希望同学们自主将其补全，并回答老师的问题.

人物小张小王小明一次抬水的质量/kg5kg5kg10kg所用水桶的质量/kg0.5kg2kg2kg对水做的功/J对水桶做的功/J水井的深度/m2m

这是前节课所讲知识功的简单应用，经过计算后，学生往往会得出小明的效率高一些.因为小明对水做的功多，这还是学生的错误前概念，认为做功多的效率高而很少有人会考虑总功的多少.所以教师发挥自身的引导作用，带领学生思考.

问：很多同学都认为小明的效率更高一些，因为小明提上来10kg的水.那么如果小张用其0.5kg的水桶打了两次水也是10kg呢？谁的效率更高一些？为什么？

答：小张，因为小张用的水桶轻

解释：在打水的过程中，工作目的是为了将水抬上来.那么在对水和水桶所做的功中，水做的那部分功就是我们想要的，是为了满足工作目的而做的功，是真正有用的，所以我们将这个为了满足工作目的而做的功称为有用功，记作W有.而在抬水的过程中，却不得不将木桶也提上来，工作目的是为了抬水，但要想抬水，就不得不将木桶也抬上来.所以对于这种不是我们的工作目的，但为了达到工作目的而不得不做的功，我们称之为额外功，记作W额.那么如果我们所做的总功是一样多的话，同学们是希望有用功多一点还是额外功多一点呢？当然是有用功.但如果如上表中的例子，每个人做的功都是不一样的，就像例1中所说，每个苹果的大小都是不一样的，我们总希望每个苹果中总是果肉占的多一些.在生活、工作中也是一样，我们总是希望在我们所做的功中，有用功占的多一些.所以，为了描述这种占比，在物理中定义了一个新的概念----机械效率.它的公式为

这个例子将抽象概念和生活实例彻底的结合起来，既符合初中生的思维特点，并且可以引发学生的自主思考，积极的参与到课堂中来.这样他们可以很轻松的和前面所学相关前置知识联想起来，并将其扩展.如此，本节课既发展了学生的科学思维，又引导学生积极参与到科学探究的过程中，对于学生物理核心素养的发展起到了极大的促进作用.

列举完三个例子之后、学生课堂气氛热烈且参与度高的时候，趁热打铁利用这三个生活化的例子来给学生讲解机械效率的注意事项.

(1)机械效率用百分数表示，且永远小于1；

百分数是因为数学上的习惯而定的，我们习惯用百分数来描述占比的关系.而效率永远小于1则表示，除了在理想情况下，永远都无法使效率达到100%.换言之，额外功是永远存在的.以刚刚所讲的三个例子来说.在例1中，只要是苹果，就肯定有苹果核，我们不可能买到没有苹果核的苹果.在例2中，没有人可以只学习而不干别的，翻书的时间、找笔的时间、喝水上厕所的时间这都是无法消除的.在例3中，在井中打水，要想将水打上来，就必须要有一个水桶.也就是说，必须将水桶也一起打上来.我们只能尽可能的减小额外功，如：换用更轻的水桶.但却不能使额外功为0.综上所述，没有任何事情的效率可以达到100%.

(2)机械效率反映的是有用功占总功的百分比，效率高并不表示做工多.

依然从上述例子来讲解.如在例3中：小张的学习效率很高，但事情较多，放学后只学习了2个小时，其中有效的学习时间是90分钟.而小王的效率虽然相对较低，但是他的空闲时间很多.放学后小王学习了8个小时，其中有效学习时间是6个小时.很明显，虽然小王的学习效率很低，但因其总的学习时间长，所以最后仍然是小王学到的多.

物理来源于生活，生活是物理学习的根基.至此，通过聚焦物理知识与学生生活的联系和三个通俗易懂的生活化情景，引发学生对机械效率的深入解读.在纠正学生的错误前概念之后，学生就可以在自身生活经验的支持下，形成良好的正反馈，为机械效率的概念提供了丰富的感性经验，为其顺利解析和应用打下了最扎实的基础.

3 教学反思

笔者使用如上文所述的方法进行对三个平行班进行教学，学生在已有知识的基础上，通过对笔者创建的生活情景运用理性思维进行科学探究，很容易达成概念转变，且课堂氛围热烈活泼，从生活中获得正确的科学知识，进而提高学生的科学素养.真正优而上的教学应该是以学生为主的，强调学生探究过程的教学活动.综上我认为本堂课的改进是非常成功的，而且这样才能更好的发展学生勇于探究的科学精神.同时，从生活中来到生活中去的方法来教学，可以帮助学生自主发展勤于反思的好习惯.如此做对初中学生物理学科素养的发展起到的作用是不可或缺的.