谈比值法定义的物理概念教学——以《功率》教学设计为例

谈比值法定义的物理概念教学——以《功率》教学设计为例

石磊

广东省珠海市金海岸中学   519041

摘要：教材的功率概念引入类比了速度的概念，所选择的情景也是老人和小孩爬楼梯谁更快，容易让学生产生错觉，以为速度快就是做功快。为此，基于比值定义法的四个步骤重构功率概念的教学，通过多种方式显化功率概念得出过程的科学方法，让学生真正理解功率概念的物理意义。

关键词：物理概念 功率 比值定义法  活动显化 

一、义务教育人教版教材《功率》教材分析

教材通过建筑工地将砖块送到楼顶的搬运过程，人工搬运和起重机搬运所花时间的区别来引出做功有快慢之分，又在想想议议栏目中设置了老人和小孩爬楼梯谁做功更快的情景让学生讨论，在实际教学中，大部分学生很容易认为小孩爬得快，所以小孩做功快，日常生活中关于快慢的体验也很容易让学生将运动的快慢和做功的快慢相混淆。接着教材与速度的概念相类比，得到功率的概念，这样类比过来的功率概念缺乏对功率概念内涵的分析、学生缺乏对功率意义的深刻体会，简单的类比不仅没有起到帮助学生理解的功率概念，降低学习难度的作用，反倒是简化了思维过程，强化了本就模糊不清，容易混淆的概念认识，再加上有很多应用情景做功过程也是一个运动的过程，比如教材上爬楼梯克服重力做功，含混不清的概念让学生面对此类情景困难重重，错漏百出。此外对于比值定义法这一科学思维方法的认识也停留在形式阶段，学生并没有掌握比值定义法的本质，更是难以有效迁移到之后许多用比值法定义的物理概念的学习中去，比如密度、压强、电功率、电场强度、加速度等等，不利于学生科学思维品质的培养，物理核心素养的养成。

教材类比速度借助比值定义法定义“功率”，只说明定义这一物理概念的方法和速度一样，都是某个物理量和另一个物理量的比值，缺少为什么要借助这一方法的阐述。可以看出，在知道什么是比值定义法与运用比值定义法之间缺少了为什么要用比值定义法的环节，教学逻辑产生断点[1]这导致学生无法真正掌握比值定义法，难以得到物理知识背后的科学方法，最终不能运用所学物理知识解决实际问题，这与核心素养所提倡的培养学生解决实际复杂问题的品格和能力相悖。[2]正是由于教科书缺乏对科学方法的具体描述，教师在实际教学中难以把握科学方法教育的深度，只能笼统的“一把抓”，导致科学方法教育缺乏整体协调性，不能体现出科学方法整体结构的逻辑关系，更加无法做到针对学生心理特征进行有条理的教学。[3]

从教育心理学的角度分析，科学方法属于认知策略，在进行科学方法教育时，教师需要将隐蔽的科学方法转化为一套可操作的程序，让学生学习。只有按照科学方法的逻辑组织安排教学进程，显化科学方法内涵， 才能真正地落实科学方法地显化教育，发展学生的核心素养。[4]科学方法的运用，是为了加深对物理概念地理解和应用，然而科学方法本身地抽象逻辑性也是不利于学生理解，如果能够将科学方法显化地过程与学生熟悉地情景、生动地体验结合在一起，在概念的呈现更加顺理成章，必然能够让学生更加容易接受，体会也更加深刻。鉴于此，《功率》这一节地实际教学中，应结合比值定义法的科学内涵，借助多种情景活动，让学生融情入境，在丰富的情境活动中体验概念的引出，在具体的实践活动中运用理性的科学方法建立概念，再用丰富的生活素材中体会概念的意义及其中包含的科学思维。

二、融情入境，显化科学方法的《功率》教学设计

     基于上述分析，使用比值定义法建立功率概念时，必须明确比值定义法的定义的是什么？为什么这样定义，只有明确了以上两点才算是学会了比值定义法。在后面的学习中，正确使用比值定义法建立新的物理概念，如比热容，热值等，才算是掌握了比值定义法。比值定义法就是用两个或者两个以上的物理量的比值定义另一个物理量的方法。比值定义法的基础是比较。比值定义的应用步骤包括：选取比较对象，选取比较标准，诠释比较意义，得出比较结论。[5]

1. 设计情境活动，选取比较对象

（1）导入部分比较对象的选取

既然要选取比较对象，几乎所有教学设计在概念建立过程中都会选择两个对象进行比较，那么概念的引入部分也选择两个物体进行比较对整节课来说就有点喧宾夺主，因此笔者认为在导入部分其实可以选用同一研究对象不同阶段，比如让一名同学进行计时举哑铃，其他同学对他的举起过程进行计数时会观察到这位同学举起放下的频率变慢了，实际上已经体现了做功的快慢，因为每举起一次做功是相同的。

然后提出问题：①该同学举哑铃每次做功一样多吗？②该同学举哑铃每次做功一样快吗？③做功的快慢和做功的多少有什么区别呢？这样的导入可以更快地引出要探究地问题，进入主要物理概念建构当中。在这个环节学生不需要非常明确比较标准，也不可能确切地表达比较意义，但是可以在情境中感受到，这个环节就是创造情境让学生感知做功的快慢，情境的创造既是为了激发学生的疑问和兴趣，更是为了下一步的概念建构奠定基础，相比于选择两个比较对象，更加直截了当高效。

（2）概念建构部分比较对象的选取

【活动探究】比一比：看谁做功快？

推选出A、B两位同学进行搬水比赛，将要求将水瓶从地面搬运到75cm高的桌面上，一次只能搬一瓶，比赛开始前，让学生先计算好匀速提升一瓶400g的矿泉水到75cm的高度，需要对矿泉水做得功为3J，为比赛数据得分析做好准备。每次搬运过程中，做功最快的同学获胜.

在这个比赛过程中，比较对象的选取是A、B两位同学，通过比赛获得实践数据，进而通过分析数据来判断谁做功更快，以下是三次比赛的数据表格：

比赛一：每人搬10瓶矿泉水，记录搬运时间。

比赛二：每人只用15秒，分别记录搬运矿泉水瓶的个数。

比赛三：每人搬完自己桌旁的矿泉水，分别记录所用时间和搬运矿泉水瓶的个数。

2.利用实践数据，选取比较标准

①分析第一次比赛的数据

做功相同，比较所用时间的长短

在完成相同功的条件下，比较所用时间的长短，所用时间越短，做功越快

②分析第二次比赛的数据

所用时间相同，比较做功的多少

在相同的时间内，比较做功的多少，做功越多的物体，做功越快。

以上两次比赛，学生都可以清晰准确快速地判断出哪位选手做功快，因为比较地标准很明确，比赛一中两位同学提升了一样多水瓶，克服水瓶的重力做功相同，选取了做功相同作为比较标准。比赛二中两位同学们对水瓶做功用时相同，选取了时间相同作为比较标准。

③分析第三次比赛的数据

讨论：在做功的多少和所用时间都不相同的情况下，该如何比较做功的快慢？

有了前面两次关于比较标准的分析引导，学生对于这个问题的讨论会更加有方向，A同学耗时短，更早结束搬运任务，不代表他做功快，他搬运的水瓶明显更少，虽然时间短，做功也少。B同学搬了更多的水瓶，做功更多，也不能认为他做功比A要快，因为B同学耗费的时间也更多。即做功多的不一定做功快，耗时短也不一定做功快，为此要比较在第三次比赛中，谁做功更快，需要有一个统一的比较标准，根据前两组数据的分析，我们有以下两个方式比较，选择做相同的功作为比较标准，或者选择相同的时间作为比较标准，由于第三次比赛的数据没有统一标准，我们需要借助除法这一个数学工具，将所用时间与做得功相除，就使功的标准统一到“1J”，用除法得到,计算比值数据如下表一所示；同样的，我们也可以以相同时间作为标准，借助除法工具，将所做得功与时间相除，使两位选手时间的标准都统一到“1s”,用除法得到，计算比值数据如下表二所示。

方式一：选择做相同的功作为比较标准

方式二：选择相同的时间作为比较标准

由表一的比值数据可知，同样是只做了1J的功，A同学只需要花费时间0.4s，而B同学却需要花费0.416s的时间，因此可以得出结论，在做相同的功的标准下，B同学花费的时间更长，即B同学做功比A同学更慢。可以认为的比值越大，做功越慢

由表二的比值数据可知，同样是只花了1s的时间，A同学做了2.5J的功，而B同学只做了2.4J的功，因此可以得出结论，在同样的时间标准下，A同学做了更多的功，即A同学做功更快。可以认为的比值越大，做功越快。

3.得出比较结论，定义物理概念

根据上面的具体分析，可以发现两种比较方式对应的两个比值和都可以衡量做功的快慢，而导入部分的情境以及课堂上的比赛活动让学生感受到，在我们的实际生活中，不仅要关注做功的多少，也要比较做功的快慢，我们需要引入一个新的物理量来反映做功的快慢，这两个比值都可以用来定义这个新的物理量，选择哪个比值更为恰当呢？由上面的分析可知的比值越大，做功越慢；的比值越大，做功越快。相对而言，更加符合我们的思维方式。因此新的物理量功率可以用来描述做功的快慢，它的定义是功与时间的比值或者说单位时间内所做的功，它的符号是P，因此功率的定义式是

4.联系生产生活，诠释比较意义

需要跟学生明确的是功率的单位是瓦特，是为了纪念瓦特对改良蒸汽机，提高机械功率的贡献，但根据定义式，1w=1J/s，焦耳每秒这个单位反映了功率这个物理量是根据比值定义的，更加能够反映功率的本质含义。联系生产生活中用到的不同机械，观察铭牌上标得功率数值都反映了其做功的快慢，其本质内涵都是比值，可以将这些数值通过“J/s”这个单位具体诠释出其意义，让学生更加深刻理解功率的概念内涵和意义，也对比值定义法更加清晰。

人挖土的最高功率75w=75J/s,即人挖土每秒钟最多做功75J；挖掘机挖土的最高功率130w=130J/s，即挖掘机挖土每秒钟最多做功130J，显然利用挖掘机挖土做功更快，选择功率更高的机械具有现实价值，与生产生活联系可以让学生体会到功率这个物理概念的实用价值。

自行车行驶的功率是70w=70J/s,即每秒钟做功70J摩托车行驶的功率是1.8Kw=1800J/s,即每秒钟做功1800J,大概是自行车的20多倍，摩托车速度比自行车快，很大程度也是因为摩托车做功要快很多，功率越来越大是先进的生产工具和交通工具的发展方向。与一般陈述性知识不同，比值定义法是一种程序性知识，它具有高度概括的特点，学生理解起来会存在一定的困难。[6]有鉴于此，在最后的一个教学环节，要引入生活生产中的数据，联系学生的生活经验，不仅可以帮助学生理解新的物理概念，体会其中用到的比值定义的科学方法，也让学生感受到物理科学的魅力和价值，提升进一步学习物理的兴趣和信心。

参考文献：

[1]许冉冉，邢红军.加速度教学的高端备课[J].湖南中学物理，2016（06）:81-88.

[2]核心素养研究课题组.中国学生发展核心素养[J].中国教育学刊，2016(10):1-3

[3]徐长志.高中物理科学方法教育的研究[J].课程.教材.教法，2002(06):32-35

[4]王玉娟，王玉婷，邢红军.基于比值定义法的《加速度》教学设计[J].湖南中学物理，2016(06):81-88.

[5]邢红军.高中物理高端备课[M].北京：中国科学技术出版社，2014:125

[6]邢红军.高中物理高端备课[M].北京：中国科学技术出版社，2014:125.