基于核心素養(yǎng)的“功”的教學(xué)設(shè)計

[摘? ?要]“功”蘊含著典型的物理思想和方法，通過合理的設(shè)計讓學(xué)生經(jīng)歷物理概念和規(guī)律的建構(gòu)過程，將有助于提高他們的物理核心素養(yǎng)。文章通過分析教材、學(xué)情，結(jié)合核心素養(yǎng)和新課程標(biāo)準(zhǔn)理念設(shè)計“功”的教學(xué)方案，并在文中相應(yīng)部分注明“設(shè)計意圖”。該教學(xué)方案以生活實例為基礎(chǔ)，以思維為中心，注意引導(dǎo)學(xué)生參與各類活動。

[關(guān)鍵詞]功;核心素養(yǎng);等效思想;設(shè)計意圖

[中圖分類號]? ? G633.7? ? ? ? [文獻標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）32-0038-04

一、教材分析

本課題選自人教版物理必修2第七章《機械能守恒定律》第二節(jié)“功”。

1.功的地位與特點

功是聯(lián)系運動和力的橋梁，功和能是貫穿本章始末的兩個重要概念。本章是以“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”為教學(xué)線索的，如重力勢能、彈性勢能、動能等具體的表達式都是通過這條線索引入的。后面探究守恒定律，涉及能量的轉(zhuǎn)化過程，而能量的轉(zhuǎn)化與做功是緊密聯(lián)系在一起的。因此，本章的主干知識都與功有密切的聯(lián)系，所以，對功的學(xué)習(xí)，就成為本章的重點。

2.功的內(nèi)涵的教育價值

本節(jié)課蘊含著典型的物理思想和方法，功的概念和公式的學(xué)習(xí)過程，是物理概念和規(guī)律的經(jīng)典建構(gòu)過程。讓學(xué)生經(jīng)歷這樣的過程，將有助于提高他們的物理核心素養(yǎng)。

二、學(xué)情分析

1.學(xué)生具備的基礎(chǔ)

學(xué)生在初中就對“功”有了初步的認識，學(xué)習(xí)了力與物體運動方向相同的情況下功的計算。但是，初中階段是用距離，不是用位移來分析的。在高中階段已經(jīng)學(xué)習(xí)了位移、力的合成與分解、標(biāo)量與矢量等相關(guān)知識。

通過第一節(jié)《追尋守恒量——能量》的學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)認識到，物體受到力的作用，通過一段位移，會產(chǎn)生某種能量的變化，很多情況不需要研究這種能量。即學(xué)生已經(jīng)初步體驗到“功與能量轉(zhuǎn)化”的密切關(guān)系。

2.學(xué)習(xí)中可能存在的困難

（1）概念的抽象性。“功和能”是貫穿本章的主線，但它們都是高度抽象的概念。

（2）功是標(biāo)量的理解。力是矢量，位移是矢量。而功的定義是：“作用于物體上的力和受力點沿力的方向的位移的乘積?！睕]有矢量的叉乘與點乘的知識做鋪墊，僅從功的二要素和定義看，學(xué)生往往難以理解功的標(biāo)量性。

三、教學(xué)目標(biāo)

1.初步認識功與能量變化的關(guān)系。

2.理解功的概念，知道做功的兩個要素。通過功的概念的建立、計算公式的導(dǎo)出、功的求解等過程培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹?shù)膽B(tài)度。

3.理論探究力與位移成一定夾角時功的公式，體會合力與分力等效的思想方法。掌握功的公式，知道其適用范圍，會用公式進行計算。

4.理解正功和負功的意義，理解功是標(biāo)量，會根據(jù)公式計算多個力的總功。

5.體驗物理知識在生產(chǎn)生活中的廣泛應(yīng)用，激發(fā)探究的興趣和學(xué)習(xí)的熱情。

6.通過生活實例，培養(yǎng)學(xué)生觀察生活、熱愛生活的良好品質(zhì)。

四、教學(xué)重難點

1.根據(jù)課標(biāo)定重點

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》對這部分的要求是：“理解功……”“分析物體移動的方向與所受力的方向不在一條直線上時，該力所做的功?！?/p>

因此，本節(jié)課的重點是，功的概念和功的計算公式。

2.根據(jù)學(xué)生定難點

從上述學(xué)情分析可知，功的標(biāo)量性是學(xué)習(xí)難點。

根據(jù)教學(xué)經(jīng)驗，如果直接問學(xué)生：功是矢量還是標(biāo)量？由于功的二要素都是矢量，學(xué)生往往會認為“功是矢量”。受此影響，不少學(xué)生在后續(xù)處理多個力的問題時，總功與各力做功的關(guān)系往往停留在識記階段，并沒有真正的理解。

因此，本節(jié)課的難點是，功的標(biāo)量性以及總功與各力做功關(guān)系的理解。

五、設(shè)計思想和教學(xué)策略

1.設(shè)計思想

美國教育家泰勒說：“教師的責(zé)任就在于運用各種方法、手段讓學(xué)生置身于一個可以活躍心靈以及充滿智慧與人類經(jīng)驗的環(huán)境中。”本節(jié)課給學(xué)生提供較為豐富的資源，以生活實例為基礎(chǔ)，以思維為中心，設(shè)計相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生參與各類活動，逐步學(xué)習(xí)探究問題的方法。在教學(xué)過程中滲透運動觀、能量觀等物理觀念，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實驗探究能力。

2.設(shè)計思路

借助多媒體資源，以《西游記》人物豬八戒扶唐僧上馬有功、沙和尚挑擔(dān)無功，引入新課。

功的定義，從功和能量的密切關(guān)系入手，利用簡潔性原則進行定義。分析改變能量的方式，得到功的二要素，從要素的組合得到功的概念，這種設(shè)計符合教材以“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”為線索的展開方式。

本節(jié)課的設(shè)計圍繞五個活動展開：為什么要引入功？如何定義功？怎樣計算功？正負功的意義是什么？怎樣計算合力的功？通過實際情境設(shè)置探究問題，采用獨立探究，小組探究，師生共同探究的方式，逐步引導(dǎo)學(xué)生在討論、展示、反饋的課堂互動中，建構(gòu)對功的認識。

重點突破：從上一節(jié)《追尋守恒量——能量》談到能量的轉(zhuǎn)化;從能量的轉(zhuǎn)化和功能關(guān)系，使學(xué)生明白引入功的必要性;基于生活中的基本動作和學(xué)生參與的互動實驗，探究“功”的來歷和做功的要素;通過力與位移平行、力與位移垂直兩種特殊情景，并利用等效思想，推導(dǎo)出力與位移成任一角度的一般表達式;從對功的一般表達式的深化研究得出功有正、負。

難點突破：引導(dǎo)學(xué)生分析矢量遵循的合成法則，并通過實例探究幾個力做功和它們的合力做功的關(guān)系，判斷功的標(biāo)量性;通過“功是能量轉(zhuǎn)化的量度”進一步理解功的標(biāo)量性，并為以后探究彈性勢能、動能的表達式埋下伏筆。

3.教學(xué)方式

探究—研討法，討論法。

六、教學(xué)過程

[創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課]

播放：《西游記》主題曲《敢問路在何方》和相關(guān)圖片（如圖1）。

師：沙和尚挑擔(dān)和豬八戒扶唐僧上馬，都在工作。但是，從物理學(xué)角度看，豬八戒做工，有功。而沙和尚做工，卻無功 ，為什么？

設(shè)計意圖：選取長盛不衰的經(jīng)典故事導(dǎo)入新課，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引起學(xué)生的探究欲望。

[新課教學(xué)]

（一）功

1.功的二要素

播放視頻：列車啟動（圖2）;起重機吊起貨物（圖3）;演示射箭（圖4）。

組織學(xué)生討論：

（1）這些過程，能量是如何轉(zhuǎn)化的？

（2）這些現(xiàn)象從力和運動方面分析，共同的特征是什么？你能看出來嗎？

引導(dǎo)總結(jié)：

這些現(xiàn)象的共同特征是：有力作用在物體上，物體發(fā)生了一段位移。

師：在工業(yè)發(fā)展的過程中，科學(xué)家通過研究逐漸認識到，如果物體在力的作用下，能量發(fā)生了變化，物體一定運動了一段位移。為了研究問題方便，這種現(xiàn)象，我們給他起個名稱，叫“功”。

（3）對物體做功的必要條件（要素）是什么？

引導(dǎo)：請大家思考，物體受到力的作用，發(fā)生了位移，一定有功嗎？

學(xué)生思考討論。

師：下面，請一位同學(xué)來做一個小實驗，把這個箱子提起來，并勻速走幾步。

（4）演示：學(xué)生提著箱子水平勻速運動一段距離。

箱子的能量發(fā)生變化了嗎？

這位同學(xué)對箱子的力的方向向哪里？

這個力對箱子做功嗎？

引導(dǎo)總結(jié)：做功的必要條件是：力和力方向上的位移。

設(shè)計意圖： ①讓學(xué)生體會，功的概念是源于社會發(fā)展的需要。②引導(dǎo)學(xué)生從能量轉(zhuǎn)化的角度得到功的二要素，理解引入功概念的必要性。③體現(xiàn)課標(biāo)理念：“從生活走向物理?！?/p>

2.功的定義

關(guān)于功的定義，利用簡潔性原則，引導(dǎo)學(xué)生對功進行定義。

（1）定義

師：物理學(xué)總是追求一種簡潔的表示方法。如果你是科學(xué)家，請你思考，根據(jù)以上做功的實例，在沒有別的限制的情況下，功的最簡潔的定義應(yīng)該是什么？

學(xué)生思考。

師：這位同學(xué)，請你來當(dāng)科學(xué)家，談?wù)勀憬o功下的定義。

這位同學(xué)的定義是：“力和力方向上位移的乘積?！蔽覀儼堰@個定義與法國科學(xué)家科里奧利的定義，進行比較。請看教材57頁，第二段，最后兩行。

學(xué)生閱讀。

師：我們的定義與科學(xué)家的定義進行比較，結(jié)果如何？

生：一樣的！

（2）回顧課題引入

豬八戒扶唐僧上馬有功，沙和尚挑擔(dān)無功（如圖5）。為什么？

學(xué)生思考討論。

……

設(shè)計意圖：①引導(dǎo)學(xué)生給“功”下定義。②通過分析本節(jié)課引入的案例，體現(xiàn)“從物理走向社會” 的課標(biāo)理念。③通過對比科學(xué)家的定義，讓學(xué)生體會成功的喜悅，從而增強學(xué)生研究物理的好奇心與求知欲。

3.功的公式

（1）分解力

根據(jù)從特殊到一般的推廣思想，并借助等效思想，引導(dǎo)學(xué)生探究求功的一般表達式：[W=Flcosα]。

師：這沙僧，累得一身汗，結(jié)果還沒有功！如果沙僧還是運送行李，他也想做功。怎么辦？請大家?guī)退雮€辦法。

引導(dǎo)思考：周末的時候，很多學(xué)生拉著箱子，回家。

如果沙僧不是挑擔(dān)，也像大家那樣拉“箱子”（圖6），沙僧對箱子的拉力方向向哪里？

此時，拉力與位移既不垂直，也不平行。而是成某一角度[α]，此時，力的功又如何表示？

思考1：能不能設(shè)法把我們不能處理的，力與位移成任意角的功，轉(zhuǎn)化為能夠處理的問題？

思考2：根據(jù)合力與分力的概念，力F的作用效果，可以用哪兩個我們方便分析的力來等效代替？

① 與方向一致時，功的計算

如圖7，物體在水平恒力的作用下，水平運動一段位移l。

則，力做的功如何表示？

[W=Fl]

②與方向垂直時，功的計算

如圖8用豎直向上的力提著物體水平勻速前行一段位移。力對物體做了多少功？

力對物體不做功，或者說做功[W=0]。

③力F方向與運動方向成某一角度時，功的公式

學(xué)生理論探究。

探究后，利用投影儀展示學(xué)生的做法。

總結(jié)：利用分解力的方法，將力分解到平行于位移和垂直于位移的兩個方向上。將未知的復(fù)雜的問題等效轉(zhuǎn)化為兩個已知的簡單的問題，從而化繁為簡、化難為易。

等效思想，是研究自然科學(xué)的重要思想方法。

（2）深化拓展：分解位移

在學(xué)生根據(jù)分解力的方法得出求功的公式后，再引導(dǎo)學(xué)生，利用分解位移的方法思考求功的公式。

（3）文字表述

學(xué)生思考并總結(jié)得出結(jié)論。

設(shè)計意圖：①從特殊到一般，引導(dǎo)學(xué)生探究，求功的一般表達式。②滲透等效思想，學(xué)會將復(fù)雜的不能處理的問題轉(zhuǎn)化為簡單的能夠處理的問題。③引導(dǎo)學(xué)生用準(zhǔn)確的語言將精煉的物理公式表述清楚。④培養(yǎng)學(xué)生多角度、靈活分析問題的科學(xué)推理能力。

4.功的單位：焦耳，符號J

（二）功的正負

師：有了功的公式，功的正負就水到渠成了。請大家討論做功正負的各種情況。

克服某力做功：力對物體做負功，這個力阻礙物體的運動。在物理學(xué)上常常說成，物體克服這個力做功。

設(shè)計意圖：①理解功的正負及與能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系，引導(dǎo)學(xué)生從多個角度思考問題。②為理解功是標(biāo)量做好鋪墊。

（三）功是標(biāo)量

通過分析各個力做功的代數(shù)和與合力做功的關(guān)系，證明功是標(biāo)量。

1.練習(xí)

在光滑水平面上，物體受到兩個沿水平方向、互相垂直的大小分別為F1=4 N和F2=3 N的恒力（如圖14），從靜止開始運動L=10 m，求：

（1）F1、F2分別做的功;

（2）合力做的功。

學(xué)生展示，求解過程。

師生共同分析評價……

師：根據(jù)上述分析過程，我們可以發(fā)現(xiàn)，各個力對物體做的功與合力對物體做的功，有什么關(guān)系？

猜想功是矢量還是標(biāo)量。如何證明你的猜想？

學(xué)生分析有困難時，可適當(dāng)點撥，并引導(dǎo)學(xué)生思考：區(qū)分矢量、標(biāo)量的標(biāo)準(zhǔn)是什么？

設(shè)計意圖：①培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、合理猜測的能力。②利用合成法則引導(dǎo)學(xué)生分析功是標(biāo)量，培養(yǎng)學(xué)生的證據(jù)意識。③練習(xí)功的公式。

2.一般驗證

師：這個結(jié)果，會不會是一個偶然？其他情況的合成，也遵循代數(shù)和關(guān)系嗎？要想使我們的猜想更可靠，怎么辦？

引導(dǎo)學(xué)生分析物體受多個力，成任意角的情況。

3.結(jié)論：功是標(biāo)量

設(shè)計意圖：①引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)合成法則理解功是標(biāo)量，實現(xiàn)難點的突破。②通過理論探究，培養(yǎng)學(xué)生分析論證的能力。

（四）拓展延伸，變力做功

引導(dǎo)學(xué)生回憶勻變速直線運動位移公式的推導(dǎo)過程，并遷移到對變力做功情況的分析。

設(shè)計意圖：①彈性設(shè)計，根據(jù)時間靈活安排。②類比遷移，培養(yǎng)學(xué)生的等效思維能力。③留下懸念，為探究彈性勢能的表達式埋好伏筆。

[總結(jié)]

引導(dǎo)學(xué)生從物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度等方面，總結(jié)本節(jié)課的要點。

（1）你學(xué)習(xí)了哪些知識？

（2）運用了哪些物理思想方法？

（3）對你感觸最深的是什么？

（4）關(guān)于功，你還想知道什么？

[作業(yè)]

1.（必做）本節(jié)學(xué)案。

2.（選做）回顧歷史，從路程到位移。

早期的工業(yè)革命中，工程師用物體受的力與路程的乘積作為機械功的量度。請您查閱資料，了解科學(xué)家對功的認識過程。請思考：

在功的定義中，科學(xué)家為什么把其中的路程修訂為位移？

設(shè)計意圖：①學(xué)以致用，鞏固本節(jié)知識。②借助科學(xué)史，使學(xué)生了解功的概念的發(fā)展過程，理解其中蘊含的科學(xué)思維。

七、板書設(shè)計

（一）功

1.定義：力和在力的方向上發(fā)生的位移的乘積。

2.功的二要素（略）。

3.公式W = Fl cos α。

4.功的單位：焦耳，符號：J。

（二）功的正負

（三）功是標(biāo)量，合成遵循代數(shù)和

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 人民教育出版社，課程教材研究所.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書：物理（必修2）教師教學(xué)用書[M].3版.北京：人民教育出版社，2010.

[2]? 金遜.科學(xué)探究能力目標(biāo)之本質(zhì)[J].新課程研究（基礎(chǔ)教育），2007（7）：3-6.

[3]? 金遜.利用熱點時事提高教學(xué)效果[J].物理教學(xué)探討，2004（7）：21-22.

（責(zé)任編輯 易志毅）