基于可视化的初高中物理教学衔接

一、问题的提出

“功” 既是初中物理 “机械运动与力” 模块的重点内容，也是高中物理 “功和能”“动能定理”“机械能守恒定律” 等核心知识的基础。初中阶段侧重 “力与物体在力的方向上移动距离的乘积” 这一具象定义，学生通过生活实例建立初步认知；而高中阶段需引入矢量分析、变力做功、曲线运动中的功等抽象内容。传统教学中，教师多依赖板书推导与文字讲解，难以将 “功的矢量性”“力 - 位移图像的物理意义” 等抽象内容具象化，可视化教学作为一种以图形、动画、实验模拟等形式呈现抽象知识的教学方法，能够有效降低认知负荷，帮助学生直观把握知识本质。

二、初高中物理教材中 “ 功” 概念的背景分析

初中阶段，《义务教育物理课程标准（2022 年版）》对 “功” 的要求为 “3.2 机械运动和力” 中 “知道机械功的概念和功率的概念，能用生活中的实例说明机械功和功率的含义”。这一要求聚焦 “具象认知”，强调通过生活实例让学生感知 “做功的两个必要因素”。高中阶段，《普通高中物理课程标准（2017 年版 2020 年修订）》对 “功” 的要求体现在 “必修 2 机械能及其守恒定律” 中：“理解功的概念，能用力的矢量分解方法计算恒力做功，会利用力 - 位移图像计算功；知道生产生活中常见机械的功率，会计算功率；理解动能和动能定理，能用动能定理分析生产生活中的问题”。高中课标更注重 “抽象建模”，要求学生从矢量角度理解功的本质，掌握功的计算方法，并建立功与能量变化的关联。

对比可见，初中重 “感知与识别”，高中重 “理解与应用”；初中回避抽象逻辑，高中强调定量分析与系统关联，这种差异是导致教学衔接困难的核心原因之一。

三、核心素养视域下 “ 功” 概念可视化教学设计

3.1 认知冲突：激活初中知识，引出衔接难点

情境创设：播放两段视频 —— ① 工人沿水平方向推箱子前进（力与位移同向）； ② 工人沿斜向上方向拉箱子前进（力与位移成一定夹角）。提出问题：

（1）两段视频中，工人的力是否都对箱子做功？为什么？（回顾初中 “做功的两个必要因素”）

（2）若两段视频中 “力的大小相同”“箱子移动的距离相同”，工人做的功是否相等？为什么？

学生反应：多数学生认为 “功相等”，依据是初中 W=Fs 公式；少数学生提出疑问 “斜拉时力的方向与位移方向不一致，可能做功更少”。

设计意图：通过生活情境引发认知冲突，让学生意识到初中 W= Fs 公式的局限性，自然引出 “力与位移夹角对功的影响” 这一衔接难点，激发学生探究兴趣。

3.2 概念深化：可视化突破衔接难点

3.2.1 动画模拟：理解功的矢量性与一般公式推导工具选择：使用仿真实验软件，动态模拟 “斜拉物体前进” 的过程。教学过程

（1）分解力的作用：在动画中，将斜向上的拉力 F 分解为水平分力与 竖直分力，用不同颜色标注两个分力。引导学生观察：水平分力推动物体前进，竖直分力未使物体在竖直方向移动，因此只有水平分力做功。

（2）推导一般公式：基于动画观察，引导学生推导： W=F_x ·x=F⋅x=Fx 。同时，通过调节动画中 “夹角θ” 的大小（从到再到），让学生直观观察 “分力 与 “功W” 的变化：θ 越小， 越大，W 越大； θ=90°} 时， F_x=0 ， W=0 ； Θ>90 时， F_x 为负，W 为负。

（3）关联初中知识，当 时， 0=1 ， V=Fx ，与初中 W=Fs 公式一致，让学生明确 “初中公式是高中公式的特殊情况”，消除知识断层感。

设计意图：通过动画模拟力的分解过程，将抽象的矢量关系转化为直观的视觉图像，帮助学生理解功的一般公式的推导逻辑，实现从初中到高中公式的平滑过渡。

3.2.2 图像表征：理解正负功的本质

工具选择：使用 Excel 绘制 “功随夹角 θ 变化的图像”（W - θ图像），并结合动画模拟 “阻力做功” 场景（如汽车刹车时摩擦力做功）。

教学过程：

（1）展示W - θ 图像，引导学生观察：当 时， W>0 （正功）；当 Θ=90 时， W=0 ；当 d>gd 时， W<0 （负功）。

（2）播放 “汽车刹车” 动画：动画中用红色箭头表示汽车前进的位移，用蓝色箭头表示刹车阻力（与位移方向相反， θ=180° ），同时显示 “汽车速度逐渐减小”“动能逐渐减少”。引导学生分析：阻力做负功，本质是阻力消耗了汽车的动能，即 “负功表示力在阻碍物体能量增加，或消耗物体已有的能量”，纠正 “负功即不做功” 的误区。

四、教学反思与展望

在核心素养视域下的初高中物理 “功” 概念教学衔接实践中，本节课通过动画模拟力的分解过程、图像表征功与夹角及位移的关系、实验可视化功与能量变化的关联等手段，精准突破了 “功” 概念从初中具象定义（W=Fs）到高中抽象建模（ ）的衔接难点，有效引导学生实现了从形象思维到抽象思维的跃迁。同时，教学过程将物理观念、科学思维、科学探究等核心素养培养融入各环节 —— 通过推导功的一般公式提升科学推理能力，切实推动了核心素养的落地，为初高中物理概念衔接教学提供了可借鉴的实践范式。

然而，教学实践中也暴露出两方面不足：一是部分学生对 “F-x图像的物理意义” 理解仍存在障碍，难以将图像面积与变力做功的累积效应建立深度关联；二是可视化工具的操作门槛对部分学生构成挑战，导致少数学生因工具使用不熟练而影响对知识本质的探究效率。针对这些问题，后续教学可从两方面优化：其一，开发 “功” 概念的可视化微课资源，围绕 “F- -X 图像解读”“变力做功实例分析” 等难点内容设计碎片化学习模块，供学生课后自主复习与个性化突破；其二，加强初高中物理教师的协同备课，共同梳理 “功” 概念的知识进阶脉络，明确初中阶段需铺垫的具象认知基础（如力的分解初步体验）与高中阶段可视化教学的侧重点（如矢量性与能量关联），真正实现初高中教学的无缝对接。

在初高中物理教学一体化发展的背景下，“抽象概念具象化” 是破解衔接难题的核心路径，而可视化教学正是实现这一路径的关键支撑。未来需进一步探索可视化技术与项目式学习、深度学习等教学模式的融合，开发更多贴合学生认知特点的优质可视化资源，持续完善初高中物理概念衔接的教学体系，为学生搭建更平滑的物理学习阶梯，助力其核心素养的持续发展与提升。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准（2022 年版）[S]. 北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017 年版2020 年修订）[S]. 北京：人民教育出版社，2020.

注： 本文系“广东中小学教师数字素养提升工程专项科研课题”（ 课题批号 ：GDSZSYKT2024125） 研究成果。