壓強(qiáng)概念教學(xué)案例剖析

韓偉　李海濤　王慧

摘 要 基于壓強(qiáng)概念的抽象性，此節(jié)課的視角聚焦于物理與生活的聯(lián)系，專注于概念獲得過程中科學(xué)方法的顯化。不僅體現(xiàn)了新課改“從生活走向物理、從物理走向社會(huì)”的核心理念，而且彰顯了科學(xué)方法的教學(xué)邏輯，使得抽象概念的教學(xué)具體化、生動(dòng)化，從而有效克服了學(xué)生的思維障礙。

關(guān)鍵詞 壓強(qiáng) 科學(xué)方法 比值定義法 教學(xué)邏輯

“壓強(qiáng)”是初中物理的基本概念之一，它既是“力”的概念的拓展與深化，也是后續(xù)學(xué)習(xí)液體壓強(qiáng)、大氣壓強(qiáng)、浮力的基礎(chǔ)和主線。然而，教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生對(duì)壓強(qiáng)概念的理解程度參差不齊，對(duì)壓強(qiáng)定義采用的科學(xué)方法更是模棱兩可。因此，如何降低學(xué)生的思維梯度、促成概念教學(xué)的順利進(jìn)行就成為教學(xué)中亟待解決的問題。

一、教材編排的思路及問題分析

1.教材編排的思路

對(duì)于壓強(qiáng)概念的建立，各版本教材的編寫方式基本一致，大致思路概括如下圖所示：

教材首先介紹壓力的概念，再通過“壓力小桌實(shí)驗(yàn)”探究影響壓力作用效果的因素，然后直接把壓強(qiáng)的概念定義為單位面積上受到的壓力，最后闡述壓強(qiáng)的應(yīng)用。教材這樣整齊劃一的編排方式，使得教師的備課也大同小異，按照這種思路書寫的教案屢見不鮮。

2.教學(xué)實(shí)踐中的問題

教材編排的思路順應(yīng)了新課改倡導(dǎo)的理念，凸顯了探究實(shí)驗(yàn)的重要性。但是，在得到定性結(jié)論后，直接過渡到壓強(qiáng)的定義，顯得有些突兀，忽視了壓強(qiáng)概念建立的過程，有重結(jié)果而輕過程之嫌。由此得到的壓強(qiáng)概念在實(shí)際教學(xué)中有兩種不同的觀點(diǎn)：一種觀點(diǎn)認(rèn)為由于在實(shí)驗(yàn)中用到了控制變量，所以壓強(qiáng)的概念是由控制變量法得到的；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為由于壓強(qiáng)是壓力與受力面積的比值，所以理應(yīng)是比值定義法。

由于概念建立的過程不清晰，才導(dǎo)致學(xué)生在后續(xù)的學(xué)習(xí)過程中對(duì)壓強(qiáng)概念的理解趨于膚淺。盡管和壓強(qiáng)相關(guān)的日常生活經(jīng)驗(yàn)很多，但是很難與學(xué)生頭腦中已有的圖式聯(lián)系起來，因?yàn)槿粘Ｉ钪杏玫健皦毫Α币辉~的頻率要比“壓強(qiáng)”多，所以學(xué)生就容易形成錯(cuò)誤的概念圖式，即：“壓力越大，壓強(qiáng)越大”。為了克服學(xué)生的思維障礙，筆者認(rèn)為，加強(qiáng)物理與生活的密切聯(lián)系、顯化壓強(qiáng)概念建立背后的科學(xué)方法至關(guān)重要，唯有清楚了概念獲得的來龍去脈，才能更深入地理解壓強(qiáng)概念的內(nèi)涵與外延。

二、壓強(qiáng)教學(xué)的新視角

根據(jù)初中階段學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，按照比值定義法的本質(zhì)，本文提出以下關(guān)于壓強(qiáng)概念教學(xué)的三個(gè)階段。

1.巧設(shè)問題情境，明確壓強(qiáng)的物理意義

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》明確指出：“義務(wù)教育階段的物理課程應(yīng)貼近學(xué)生生活，符合學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，激發(fā)并保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣”[1]。創(chuàng)設(shè)問題情境旨在從生活走向物理，使學(xué)生明確物理概念的本源，從而產(chǎn)生感性認(rèn)識(shí)，這既是概念形成的基礎(chǔ)，也是對(duì)課程標(biāo)準(zhǔn)的回應(yīng)。學(xué)生剛學(xué)完力學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)力的概念比較熟悉，頭腦中已有壓力的概念，但對(duì)受力面積對(duì)壓力作用效果的影響認(rèn)識(shí)不足。因此，從學(xué)生已有的知識(shí)儲(chǔ)備和生活中的實(shí)例來闡釋壓強(qiáng)的物理意義更加契合學(xué)生的認(rèn)知水平。

問題情境設(shè)置的關(guān)鍵在于讓學(xué)生親力親為，使新舊知識(shí)產(chǎn)生有意義同化，進(jìn)而保持知覺的持久性。為此，筆者選取了學(xué)生最為熟悉的兩個(gè)問題情境：（1）背書包時(shí)，單肩背和雙肩背肩膀受壓的感覺明顯不同；（2）兩個(gè)手指壓住只有一端削尖的鉛筆的兩端，鉛筆保持靜止，由二力平衡的知識(shí)可知：鉛筆在水平方向上受到手的兩個(gè)力大小相等，但是兩手指受壓的感覺卻明顯不同。

然后，引導(dǎo)學(xué)生思考，究竟是什么不同才導(dǎo)致肩膀和手指出現(xiàn)這樣不同的作用效果。學(xué)生容易得知，由于受力面積不同。進(jìn)一步分析，相同的壓力在筆尖上由于受力面積比較小，作用力就比較集中；而在筆頭上，相同的壓力由于受力面積比較大，作用力就比較分散，所以就出現(xiàn)了不同的作用效果。這就使學(xué)生感到有必要建立一個(gè)概念來描述壓力的作用效果?！皦簭?qiáng)”就是專門用來描述“壓力作用效果”的物理量。

由于壓強(qiáng)這一概念在學(xué)生頭腦中是沒有觀念認(rèn)識(shí)的，因此這種對(duì)問題情境的分析至關(guān)重要，它不僅明確了壓強(qiáng)的物理意義，還得出了壓強(qiáng)大小的影響因素，即壓強(qiáng)不僅與壓力有關(guān)，還取決于受力面積的大小，同時(shí)也區(qū)分了“壓力”和“壓強(qiáng)”這兩個(gè)極易混淆的力學(xué)概念。

2.顯化科學(xué)方法，闡述壓強(qiáng)定義形成的思路

物理意義的形成可以從生活想象感知得出，但是物理量的定量描述就必須借助于一定的科學(xué)方法和數(shù)學(xué)工具。引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用比較的思想來抓住事物的本質(zhì)特征是壓強(qiáng)概念建立的關(guān)鍵。既然學(xué)生已經(jīng)得知壓強(qiáng)是一個(gè)與壓力大小、受力面積大小有關(guān)的物理量，再加上學(xué)生先前學(xué)過的速度、密度的定義作為知識(shí)儲(chǔ)備，壓強(qiáng)的定義水到渠成。可以采用類比的方法來引起學(xué)生的共鳴，引導(dǎo)學(xué)生分析，要想比較壓強(qiáng)的大小通常有兩種方法，在受力面積相同時(shí)比較壓力的大小，在壓力相同時(shí)比較受力面積的大小，那么受力面積不同、壓力不同該如何比較呢？這一啟發(fā)性的提問，自然而然地轉(zhuǎn)入壓強(qiáng)定義的引入。仿照速度概念的引入和定義的方法，如果受力面積和壓力都不同，則想辦法將某個(gè)量統(tǒng)一，比較另一個(gè)量。具體流程結(jié)合案例如上圖所示。

流程圖在彰顯比值定義法邏輯的同時(shí)，使得壓強(qiáng)概念的建立水到渠成。如果取出兩個(gè)一樣大小的受力面積，由于單位統(tǒng)一，稱為單位面積，那么物體單位面積上所受壓力的大小就叫做壓強(qiáng)。即壓強(qiáng)等于壓力與受力面積的比值，用符號(hào)P表示，定義式為P=，由于壓力的單位是N、受力面積的單位是m2，所以壓強(qiáng)的單位可以表示為N/m2，壓強(qiáng)有一個(gè)專門的單位帕斯卡，簡(jiǎn)稱“帕”，符號(hào)是“Pa”，1Pa=1N/m2。因?yàn)閴簭?qiáng)是一個(gè)新概念，所以得到壓強(qiáng)的定義以后，明確各物理量的名稱及單位至關(guān)重要。至此，對(duì)于壓強(qiáng)的概念，學(xué)生就實(shí)現(xiàn)了從感性認(rèn)識(shí)（物理意義）到理性認(rèn)識(shí)（定義式）的飛躍。

科學(xué)方法的顯化是概念教學(xué)的應(yīng)有之義，比值定義法是壓強(qiáng)概念建立過程中的重要科學(xué)方法。因此，教學(xué)中應(yīng)該向?qū)W生交代比值定義法的含義及物理思想。所謂比值定義法就是用兩個(gè)或兩個(gè)以上的物理量的比值去定義另外一個(gè)物理量的方法，它的基礎(chǔ)是比較的思想。比較是確定研究對(duì)象之間差異點(diǎn)和共同點(diǎn)的思維過程和方法，是抽象和概括的前提，是物理學(xué)常用的方法[2]。

科學(xué)方法的顯化使得教學(xué)環(huán)節(jié)脈絡(luò)清晰、邏輯一致，把概念建立的過程次第展開，使學(xué)生在獲得知識(shí)的同時(shí)進(jìn)一步加深了對(duì)比值定義法的理解，促進(jìn)了學(xué)生認(rèn)知規(guī)律向更高水平發(fā)展。

3.回歸生活現(xiàn)象，拓展壓強(qiáng)概念的實(shí)際應(yīng)用

創(chuàng)設(shè)問題情境，意在使學(xué)生從生活走向物理。在學(xué)生獲得了壓強(qiáng)的概念后，讓物理回歸生活，深化對(duì)壓強(qiáng)概念的認(rèn)識(shí)，既可以達(dá)到學(xué)以致用的目的，又可以讓學(xué)生體味物理與生活的完美結(jié)合，讓學(xué)生在情感上受到熏陶，進(jìn)而提高學(xué)習(xí)興趣，降低畏難情緒。

生活中壓強(qiáng)的例子比比皆是，在概念應(yīng)用的環(huán)節(jié)，我們?cè)O(shè)置了問題組（如下表所示）。

表中實(shí)例盡管隨處可見，但是以問題組的形式呈現(xiàn)可以較為直觀地反應(yīng)出受力面積在影響壓強(qiáng)大小方面扮演著非常重要的角色，再一次加深了學(xué)生對(duì)壓強(qiáng)概念的認(rèn)識(shí)，即：壓強(qiáng)不僅僅與壓力大小有關(guān)，還與受力面積相關(guān)。也可以通過舉例的方式進(jìn)一步深化對(duì)概念的認(rèn)識(shí)，即：僅僅通過壓力的大小來判斷壓強(qiáng)的大小是不準(zhǔn)確的，這就好比不能用中國(guó)的國(guó)民生產(chǎn)總值和瑞士的國(guó)民生產(chǎn)總值去比較兩個(gè)國(guó)家人民的幸福指數(shù)和文明程度一樣，國(guó)民生產(chǎn)總值只有分配到具體的人才有比較的意義，也就是比較要選取相同的標(biāo)準(zhǔn)。因此，壓強(qiáng)的大小取決于壓力和受力面積的比值，其實(shí)質(zhì)就是壓力在受力面積上的分配。

三、比較與分析

與傳統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)不同，此節(jié)課的視角聚焦于生活現(xiàn)象，專注于壓強(qiáng)概念獲得的過程，具體體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面的創(chuàng)新。

1.克服了以探究實(shí)驗(yàn)引入壓強(qiáng)概念的弊端

此教學(xué)設(shè)計(jì)的視角打破了常規(guī)的實(shí)驗(yàn)探究引入，改為直接用學(xué)生熟悉的情景引入，使物理更貼近生活。教材中利用整齊劃一的“壓力小桌和泡沫塑料”做實(shí)驗(yàn)，一方面由于壓力小桌是廠家生產(chǎn)的“專門化”的實(shí)驗(yàn)器材，不是取自真實(shí)生活中的物品，學(xué)生對(duì)其“親切感”不強(qiáng)；另一方面泡沫塑料受壓發(fā)生的形變并不明顯，使得探究實(shí)驗(yàn)虛化。此教學(xué)設(shè)計(jì)的引入方式是讓學(xué)生身體力行，通過肩膀和手指受壓的感覺真實(shí)體會(huì)到壓力作用效果的存在，這樣做不僅可以拉近物理與生活的距離，也可以讓學(xué)生深切地感受到科學(xué)的真實(shí)性，從而使物理教學(xué)更加貼近生活。

2.明確了壓強(qiáng)概念建立過程中用到的科學(xué)方法

傳統(tǒng)的教材編排沒有顯化定義壓強(qiáng)時(shí)用到的科學(xué)方法，這就造成了教學(xué)實(shí)踐中的“兩點(diǎn)論”，控制變量還是比值定義？其實(shí)上述兩種觀點(diǎn)均有不妥之處，在用壓力小桌實(shí)驗(yàn)探究“壓力的作用效果與什么因素有關(guān)”時(shí)，用到的是控制變量法，但不能因此認(rèn)為壓強(qiáng)定義的得出也是控制變量法。第二種觀點(diǎn)只是指出是比值定義法，卻沒有揭示比值定義法的內(nèi)涵。其邏輯缺陷在于，它把結(jié)果當(dāng)作原因來加以闡述，完全沒有揭示出比值定義法的本質(zhì)，忽視了比值定義法運(yùn)用時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵問題：“為什么要用兩個(gè)物理量相比來定義一個(gè)新的物理量”[3]。還有老師認(rèn)為由于受力面積一定時(shí)，壓力越大，壓力的作用效果越明顯；壓力一定時(shí)，受力面積越小，壓力的作用效果越明顯，所以壓強(qiáng)應(yīng)該與壓力成正比，與受力面積成反比[4]。這是一種典型的誤導(dǎo)，學(xué)生往往會(huì)認(rèn)為“因變量隨自變量的增大而增大、減小而減小就是正比關(guān)系”。此節(jié)課的視角就是要凸顯比值定義法的內(nèi)涵（選取統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)），用案例結(jié)合數(shù)據(jù)來說明壓強(qiáng)定義的來龍去脈，這樣做也進(jìn)一步加強(qiáng)了數(shù)學(xué)與物理的聯(lián)系。使學(xué)生認(rèn)識(shí)到比值定義法確實(shí)是一種比較常見的定義物理量的方法。讓比值定義法作為一個(gè)概念圖式納入到學(xué)生的頭腦中，在后續(xù)學(xué)習(xí)類似的概念時(shí)能夠自覺地把這些概念的定義方式進(jìn)行歸納與分類。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

[2] 李正福，劉超，李超，陳清梅.P=F/S：控制變量法還是比值定義法？[J].物理教師，2007（6）.

[3] 邢紅軍.按照比值定義法的本質(zhì)改進(jìn)高中物理概念的編寫[J].物理教師，2004（4）.

[4] 王曉清，張偉.讓物理更貼近生活—以壓強(qiáng)的概念教學(xué)案例[J].內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（8）.

【責(zé)任編輯 郭振玲】