初中物理“功率”的高端备课

关艳丽

(首都师范大学物理系 北京 100048)

邢红军

(首都师范大学教师教育学院 北京 100048)

功率是初中物理学生学习“功”的概念之后的又一个新的概念.功作为一个过程量，在物体做功过程中伴随着时间的变化，因此功的概念必然存在做功快慢的问题，于是功率的概念就应运而生.从这个意义上讲，功率概念建立的出发点在于比较做功快慢的意义而不是单纯比较做功的大小.由此，如何基于初中生的认知发展水平建立功率的概念，并进一步帮助学生理解功率的物理意义，就成为本节课教学的重中之重.

1 现行教材功率概念编写研究

现行教材[1]功率概念的编写通常设置如下物理情境：一个大人和一个小孩一起爬相同的楼梯，再结合比较做功快慢的两种观点，从而引入功率概念.第一种观点认为：不同的物体做相同的功，所用的时间可能不同，时间短的做功快，时间长的做功慢.第二种观点认为：不同的物体做功的时间相同，它们做功的多少可能不同,在相同的时间内，做功多的物体做功快，反之做功比较慢.而后教材采用类比的方式指出，就像速度表示运动的快慢一样，功率表示做功的快慢，从而直接给出功率的定义：功与做功所用时间之比叫做功率，它在数值上等于单位时间内所做的功.最后，教材给出功率的表达式及其单位.至此完成对功率概念的建构.

笔者认为，教材功率一节的编写存在一些有待商榷的问题.

第一，教材直接提出了两种比较做功快慢的方法：控制做功相同，比较所用时间长短；控制时间相同，比较做功多少.这种方法把多因素问题变成多个单因素问题，通过改变其中某一个因素，从而研究该因素对事物的影响.其优点在于降低了问题的难度，缺点是定义建构的意义不甚明朗.具体而言，虽然做功快慢与做功的多少及时间有关，并且可以通过只改变一个变量进行比较得出结论，但是做功与时间比值关系的必要性并没有从逻辑上顺理成章地给出解释.

第二，教材直接给出“一个大人和一个小孩一起爬相同的楼梯，做功是否相同，做功快慢是否相同的问题”，进而带领学生直接比较分析，意欲引导学生自主选择以上两种观点从而得出比较的结论.然而，这种方法并不是特别理想的方法.这是因为，初中学生的物理思维基本上还处于具体运算阶段和前运算阶段[2].处于这个阶段的初中生需要借助具体事物的支持，才能进行抽象思维运算.因而，笔者认为，在比较方法与思维运算之间，缺乏具体事物的支持.

第三，教材缺乏对功率物理意义的深入剖析.教材提出：就像用速度表示运动的快慢一样，在物理学中，用功率表示做功的快慢.功与做功所用时间之比叫做功率.这样就忽视了比值定义法的本质——为什么要用两个物理量的比值定义一个新的物理量[3].由于对功率的物理意义阐述不清，从而导致学生不能深刻理解功率的物理意义，并容易与机械效率的概念相混淆.

2 功率的高端备课

通过对现行教材功率概念编写的研究，我们按照比值定义法的逻辑，展开对初中物理“功率”概念的高端备课，并提出以下教学设计思路.

2.1 直接比较做功的多少

新课引入设定情境如下：

情境1：台北的101大楼拥有曾列入世界吉尼斯纪录的快速电梯，其上行最高速率可达每分钟1 010 m，相当于时速60 km，假设Norbert Lechner乘电梯从1楼到91楼高390 m的室外观景台，用时大概40 s.

情境2：台北101国际登高赛(Taipei 101 Run Up)是一场每年固定以台北101大楼作为比赛场地的登高赛.所有参赛者必须征服1至91楼共2 046个台阶、390 m的高难度挑战.图1为2014年台北101国际登高赛时参赛者Norbert Lechner(中)以13 min56 s的成绩登顶，随即累得跪倒在地的图片.

图1 2014年台北101国际登高赛照片

根据以上具体事例，假设Norbert Lechner的质量为75 kg，教师引导学生计算两种情境下电梯和人做的功.

根据式W=Fs计算可知，电梯对Norbert Lechner做的功和Norbert Lechner自己攀登到91楼所做的功相同，都为292 500 J，但是做功的意义却完全不一样.乘电梯到达91楼的Norbert Lechner可以悠闲地观景，而参加登高比赛的Norbert Lechner到达91楼时却累得跪倒在地.

显然，在做功相同的情况下，却产生了两种完全不同的结果.因此，只比较做功的多少并没有意义，还要考虑做功所用的时间才有意义.

2.2 选取相同的时间标准继续比较做功

重新审视情境，可以发现相关因素还有时间不同，于是教师引导学生选取相同的时间标准继续比较电梯和人做的功.

2.3 进一步诠释比值的物理意义

回顾高端备课的过程不难发现，在功率概念的建立过程中，对做功结果的讨论是顺利得出功率概念的关键.正是由于参赛者Norbert Lechner以两种方式到达观景台的结果大相径庭，才使得学生发现，仅通过比较做功的多少并不足以衡量做功的意义，于是功率概念建立的必要性才凸显出来.也就是说，电梯的功率大，在相同的时间内做功多，可以快速完成使Norbert Lechner到达91层所做的功.而Norbert Lechner本人的功率小，所以要做相同的功就需要耗费更多的时间，由于做功消耗了他的能量，所以就产生了累倒在地的结果.相同的做功却造成不同结果的原因，归根结底就在于功率的不同，从而说明了功率概念建立的必要性.

3 高端备课的启示

3.1 注重物理概念意义诠释

物理意义指一个物理量的全部内涵与外延及其反变关系[5].物理意义一方面指用通俗易懂的语言描述物理量，另一方面指引入该物理量的作用.前者意指物理量本身或者多组物理量重组后对其物理量本质的理解，后者意指建立此物理量的原因.如果说前者可以帮助学生理解物理概念的含义，那么后者则可以更好地帮助学生牢记物理量并且避免与其他物理量混淆.例如，在功率概念的教学中，从比较功的本身出发，发现仅通过比较做功多少并不足以彰显做功的价值与意义，由此引入功率的概念就十分必要.这也就充分说明，功率概念物理意义的阐述是引入功率概念的关键.通过对功率概念引入原因的理解，学生就可以避免将功率概念与功的概念混淆.此外，注重物理概念意义的教学，也为物理概念教学提供了新的思路，并给出了物理概念教学逻辑阐述的范例.

3.2 运用科学方法显化教学

科学方法显化教学指在教学过程中不仅使学生体验科学方法，还要向学生明示科学方法.通过告诉学生探究过程中所使用的科学方法，使学生掌握科学方法的本质，获得探求物理知识的工具，便于在今后的学习过程中运用科学方法得出物理知识.比如，在功率的教学设计中，按照比值定义法的步骤选择比较对象，在比较过程中发现问题，从而将做功所用的时间作为比较的标准，并最终得出功率的定义式.显然，学生只有显化科学方法进行探索和尝试，才能形成有序的知识结构.

3.3 体现物理教学设计创新

以往运用比值定义法定义物理概念时，两个比较对象的设定往往是不一样的.如在密度概念的教学中，首先比较两个不同质量的物体，发现直接比较得出的结果有悖于学生的日常经验，于是将两个质量不同的物体的体积变成相同后继续比较它们的质量，从而得出密度的表达式，压强和速度概念的得出亦如此.而在功率概念的教学中，选取的比较对象却是做功相同的不同情境，并以做功意义的不同作为引发认知冲突的着眼点，于是将时间作为比较的标准，从而顺理成章地得出功率的定义式.显然，正是由比较对象的“不同”到比较对象“相同”的转变，才能在遵循比值定义法内涵的前提下，实现教学设计的创新.这样的教学设计，突破了以往比值定义法教学的逻辑思路，为比值定义法的教学开辟了新的途径，从而体现了物理教学设计的创新.

参 考 文 献

1 人民教育出版社课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.物理(八年级下册).北京：人民教育出版社，2012.65～66

2 乔际平,邢红军.物理教育心理学.南宁：广西教育出版社，2002.27～115

3 邢红军.初中物理科学方法教育.北京：中国科学技术出版社，2015.8

4 侏罗·齐泽维茨著.科学发现者 物理原理与问题(中册).钱振华，译.杭州：浙江教育出版社，2008.277

5 阳玉岗.关于物理意义的教学.乐山师范学院学报，1994(2)：46～48