高中物理“功率”教学案例研究

杨威虎　马亚鹏

摘 要：高中物理“功率”教学实践中存在目标不清、与初中教学方式简单重复等问题。本文基于学习结果分类与目标导向教学理论的视角，重新审视并撰写了“功率”教学案例，并讨论了教学设计的理论框架、概念引入方式和初高中深度衔接等问题。

关键词：功率；教学案例研究；学习结果；目标导向教学

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）11-0077-4

基于核心素养的物理教学将学生的发展尤其是思维能力的发展放在了首位，学习心理学研究表明，学生的学习与发展要建立在原有知识和认知结构的基础之上，且学习结果的类型不同，学习的过程不同，有效学习的内外部条件亦不同。因而，物理有效教学需要依据不同的学习结果和特定学生的认知特点，创设适宜的学习活动，促进学生的学习与发展，学习结果分类与目标导向教学理论可资借鉴。

本文基于该理论，对高中物理“功率”教学案例进行分析，以期为物理教师进行教学设计和实施教学提供参考。

1 教学目标

1.1 课程标准要求

《普通高中物理课程标准（实验）》在“内容标准”中对“功率”这节课的要求：“理解功率，关心生活和生产中常见机械功率的大小及其意义。”[1]

1.2 课时教学目标

【知识与技能】

（1）通过比较做功的快慢，理解功率的概念，能运用功率的定义式P=进行有关计算。

（2）通过实例，理解额定功率和实际功率的概念。

（3）通过分析，了解平均功率和瞬时功率的涵义。

（4）从功率的定义式入手，结合有关知识，推导在力与位移方向相同时功率与力、速度的关系式P=Fv，并能用于分析、计算和解释现象。

【过程与方法】

（1）通过功率概念的建立，学习、巩固比值定义法。

（2）探究功率与力、速度的关系，并在实际应用中体会控制变量的思想方法。

【情感、态度与价值观】

通过对各种机械功率的探究，认识功率概念在生活中的应用，发展运用所学知识解释生活和生产中现象的意识。

2 教学任务分析

任务分析指“教师对帮助学生习得特定学习结果的教学任务的建构，是教师确定教学目标后，揭示学习者达到教学目标所需要掌握的知识、技能及相互序列关系的认知活动”[2]。“功率”这节课中，包含功率、额定功率和实际功率、平均功率和瞬时功率等基本概念，功率与力、速度之间的关系等物理规律，比值定义法、微元法、控制变量法等基本方法。

按照加涅的学习结果分类理论，上述内容属于智慧技能之中的概念学习。依据信息加工心理学，概念学习的外部条件是教师提供有关概念的正例，帮助学生概括一类事物的共同本质特征，形成概念，并在指导运用概念解决问题的过程中，通过及时反馈帮助学生理解概念。内部条件是学生具有辨别能力和较强的学习动机。教学中应注意以下几个方面：

（1）学生在初中学过功率的初步知识，因而功率概念的建构并不难，需对比值定义法的实质进行复习与巩固。

（2）对额定功率和实际功率，应引导学生理解物理实质；对平均功率和瞬时功率，应从平均速度和瞬时速度的概念中进行知识迁移，进而理解物理本质，避免学生机械记忆概念。

（3）在给定的情境下，学生通过提出问题、分析論证，探究功率与力、速度的关系。

（4）通过符合学生实际的例题的练习与反馈，促进学生学会功率的计算。

3 教学过程

环节1：告知学习目标

让学生快速浏览PPT打出来的学习目标，明确学习要点。展示给学生的学习目标如下：

1. 知道做功有快慢之分，理解功率的概念；

2. 理解额定功率和实际功率的概念；

3. 了解平均功率和瞬时功率的含义；

4. 会用所学知识分析、计算和解释现象，认识功率概念在生活中的运用。

设计意图：教学是一个目标导向的过程，告知学生学习目标，对学生的学习起定向作用，这是目标导向教学理论的内在要求。

环节2：复习旧知识

复习功的概念：出示表1，要求学生口述或填写表格中空白处的内容，教师及时反馈，对学生填写错误的地方进行补充。

设计意图：功的概念是学习功率的基础，因而需要引导学生对本课所需的前提性知识进行复习。表1相当于提供给学生一个物理概念学习的图式，对功率的学习起先行组织者的作用。

环节3：呈现新知识

情境1：展示我校某班学生在“开心农场”用铁锹翻地的图片，农民开拖拉机犁地的图片。

师：翻同样大小的一块地，做功是一样的，显然拖拉机速度快，用的时间短，这说明做功有快慢之分。那么，如何比较做功的快慢呢？

生：可以比较功相同时所用时间的长短，还可以比较相同时间内做功的多少。

例1 请你比较以下情况中人和起重机做功的快慢。一个人肩扛质量为20 kg的箱子沿斜面匀速运动，在1 min内使箱子沿斜面匀速行进，在1 min内使箱子升高了5 m。起重机在20 s内将质量为1 t的货物匀速提高10 m，谁做功快？快多少倍？

生：通过计算可知，起重机做功快，比人做功快3 000倍。

师：你是怎么算的呢？为什么这样算？

生：时间和功都不同，要比较做功的快慢，就需要比较单位时间内做功的多少，所以用功和所用时间相除。

师：在物理学中，功W和做功所用时间t 的比值，是描述做功快慢的物理量，叫做功率。

出示表格2，要求学生完成对空白部分的填写。

师：功率概念的定义，我们用了什么方法？endprint

生：比值定义法。

师：用功W和做功所用时间t 的比值定义功率，正是用到了比值定义法，这种用两个物理量的比值来定义一个新物理量的方法，称之为比值定义法。还有哪些物理量用到了比值定义法？

生：速度、加速度、电阻等。

设计意图：新课程理念强调课堂教学要注重知识形成的过程与方法，上述设计通过创设具体的情境，从定性到定量，并通过概念图式在已知和未知之间架设桥梁，建立功率的概念。

环节4：理解新知识

情境2：如图1为不同机械的功率。请同学们思考，图中所给的功率指的是什么功率？

生：指额定功率。

师：嗯！初中我们学过这个概念。那么，什么是额定功率呢？

生：发动机铭牌上标注的功率为额定功率。

师：额定功率的物理意义是什么呢？（启发式讲解）大家想一想，一台机械的功率可以无限增大吗？我换一个问法，汽车能跑过火箭吗？

生：（笑）跑不过。

师：机械做功的快慢与机械的结构和性能有关，每一台机械都有一个正常条件下长时间工作的最大功率，这是设计和制造每台机械时已经决定了的，这就是额定功率的物理意义。

师：机械实际运行时的功率叫做实际功率。通常要求实际功率不能超过额定功率，如果实际功率超过额定功率，将损坏机械或缩短使用寿命。

师：（类比）如果把人体比作特殊的“机械”，也是如此，过度劳累常常会生病，运动员超大运动量训练也会对身体造成损伤。

例2 一物体在水平力F=50 N的作用下在水平方向上做匀速直线运动，速度v=2 m/s，求在t=2 s内，力F对物体做功的功率。

让一名学生在黑板上计算，其他学生在草稿纸上演算，要求寫出解题过程。

解：物体做匀速直线运动，位移l=vt=10 m

力F做功W=Fl=500 J

功率P==100 W

（教师讲解、反馈）

师：例2中，如果不给出时间t的数值，还能否计算出功率呢？

生：可以，因为P==Fv，只要知道力F和速度v，就能够算出功率。

师：他说的这个办法行不行？算一下看。

生：也为100 W。

师：例2中，物体做匀速直线运动。如果物体做变速运动，还能用P=Fv计算功率吗？此时应该注意什么问题？

生：v为平均速度就可以。

师：如果v为瞬时速度呢？

生：应该指瞬时功率吧？

师：实际上，功率也有平均和瞬时之分。在刚才推导的公式P=Fv中，如果v为平均速度，则为平均功率；v为瞬时速度，则为瞬时功率。显然，平均功率表示做功的平均快慢，瞬时功率表示某时刻或某位置做功的快慢。

设计意图：通过创设问题情境，在学生原有的知识的基础上，理解额定功率和实际功率的概念。通过例题，学生学会运用功率的定义式计算功率，在结果反馈时进一步设置问题，引导学生分析论证，得出功率与力、速度的关系，并在对公式中速度物理意义的理解中，学习平均功率和瞬时功率。这一环节是本节课的重点，上述设计思路清晰、环环相扣，便于学生理解物理本质。

环节5：运用新知识

情境3：播放陈老师开车过铁路桥的视频，提示学生观察上坡减档的过程。

师：陈老师为什么在快要到达桥顶端时突然减档呢？他这样做符不符合科学的道理？

生：（讨论后）上坡时，汽车需要比较大的牵引力，在输出功率不变的情况下，牵引力与速度成反比，所以他通过减速来获得较大的牵引力。

师：如果汽车上坡时仍要保持原来的速度，陈老师应该怎么做？为什么？

生：加大油门，增大输出功率。

情境4：播放陈老师开车过铁路桥的第二段视频，提示学生观察他的操作。验证学生结论的正确性。

情境5：图2为一辆跑车的照片，其外观流线型的设计，显得美感十足。这种流线型设计，可以减小汽车运动过程中受到的阻力。

师：这种设计是否有利于汽车获得较大的速度？

生：额定功率一定的情况下，牵引力和速度成反比，当汽车获得最大速度时，牵引力和阻力相等，这种设计减小了汽车运动时受到的阻力，故而有利于汽车获得较大的速度。

设计意图：专门拍摄了学校教师开车过铁路桥时的操作视频，贴近学生的生活，激发学生的学习兴趣，并在运用知识进行分析问题、解决问题的过程中体会物理学与生活的联系，培养学生运用所学知识解释生活和生产中现象的意识。

环节6：课堂小结和课外拓展

（1）课堂小结：重新出示学习目标，要求学生对照学习目标，完善知识结构。

（2）课外拓展：本节课中，功率与力、速度的关系式P=Fv是在力的方向与速度方向一致的情况下得出的。如果力与速度方向不一致，而是成任意一个角度时，功率与力、速度之间会是怎样的关系呢？

设计意图：改变以往课堂小结由教师代替的做法，出示学习目标，留一定的空白时间，让学生对照学习目标，完善自己的知识结构，促进自主学习能力和反思能力的提升。课外拓展则为学有余力的学生提出一个需要探究的问题，因材施教，关注学生的个体差异。

4 思考与讨论

4.1 物理教学设计的理论框架

学习结果与目标导向教学理论为物理教学“精细化”提供了理论框架，该理论依据学习心理学对学生学习的解释，认为物理教学过程、教学策略的选择和学生活动的创设既要围绕特定的学习目标，又要符合具体学生的学习与认知规律。在教学设计时，通过任务分析，确定学习的外、内部条件和学生的起点能力，为教学策略的选择和学习活动设计提供坚实的理论指导。教学过程设计则依据告知教学目标、复习旧知识、呈现新知识、理解新知识、运用新知识和课堂小结等环节层层展开，逻辑链条完整，注重知识的形成过程，帮助学生深度学习，提高思维能力，发展核心素养。

4.2 高中物理“功率”概念的引入方式

在引入功率概念时，一些教学案例和已发表的教学设计通常采用学生实验或活动，如让两名学生比赛将砖头搬运到一定的高度，在时间相同的情况下比较搬运砖块的数量，或搬运砖块数量一定时比较所用的时间；还有的案例用提前录制好的学生“爬楼梯”的视频引入。这些引入方式看似热闹，实则是无视学情的表现。

上述引入方式适宜初中物理“功率”教学，因为初中学生对怎样比较“快慢”还不很明白，需要通过活动等建构概念。高中学生因已在初中时学习过功率的概念，且通过速度、加速度等概念的学习已掌握了比较快慢的思路和比值定义法。因此，本案例采用情境明确做功有快慢之分，用具体例题帮助学生建立概念，并运用概念图式帮助学生理解概念的意义，既适合学情又节约教学时间。

4.3 初、高中的深度衔接问题

初、高中衔接的问题一般被认为是学生刚进入高中时的教学衔接，实际上学生的学习与其原有知识结构密切相关，且初、高中课程设计采用螺旋式设计，因而初、高中衔接应贯穿于整个高中物理学习过程。

如何做到初、高中的深度衔接，是一个值得思考的问题。功率概念的引入就是一例。另外，学生在初中也已习得了额定功率、实际功率等概念，但对其物理本质理解不到位，而功率与力、速度的关系是高中新学习的内容。因此，本案例中，将课堂教学的重点放在了后两个方面，并拍摄了汽车上桥的视频，通过问题讨论，帮助学生深度理解，并体会物理知识在生活、生产中的应用，完成了课程标准对本节课的要求。

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（实验）[S].北京：人民教育出版社，2003：14.

[2]陈刚.物理教学设计[M].上海：华东师范大学出版社，2009.

（栏目编辑 邓 磊）endprint