一粒沙中的摩擦力世界——談基于問題的物理概念復習教學策略

張惠鈺

（蘇州市第十中學，江蘇 蘇州 215006）

理解和掌握物理概念是學好物理的基礎與關鍵所在，諾貝爾獎獲得者李政道教授認為，學習物理的首要問題是要弄清物理學中的基本概念.物理概念的學習和掌握程度直接影響到學生對物理知識的認知、建構與拓展.

高中物理教學應當致力于讓學生學會思維.建構主義認為，知識的獲取是學習者在與環境交互作用的過程中逐漸建構的結果，它強調學習的主動建構性、社會互動性和情境性.在物理概念復習的教學過程中，教師同樣需要營造原汁原味的物理學習情境，如體驗型情境、研究型情境和拓展型情境等，充分考慮學生的先前知識，從中發現問題，提出問題，通過問題鏈開展小組合作學習，引導學生從原來的知識經驗中生長出新的知識經驗，建構新的知識網絡；通過變式訓練，疏通思維障礙，幫助學生建構并理解物理概念的內涵和外延；完整地經歷問題研究與解決過程，通過演繹、分析、歸納等能力的綜合應用，提高學生的科學與人文素養.

以下結合摩擦力概念復習的教學案例，談基于問題的物理概念復習教學策略.

1 摩擦力概念鞏固復習的教學目標

通過對摩擦力概念的鞏固復習，深刻理解摩擦力的3要素.以生活中實際的情景作為鞏固復習的切入點，通過問題鏈演繹和變式拓展等引導學生建立物理模型進行分析解決問題，強化對摩擦力的理解；在解決問題的同時梳理歸納摩擦力的知識網絡結構，還可以進一步引發新的發現與研究.

2 摩擦力概念鞏固復習的教學策略

2.1 復習切入立足于學生的認知起點

具體策略為創設體驗型情境，發現問題，通過討論確認學習的切入點.

對于已學習過摩擦力基本知識的學生來講，平鋪直敘地復習知識點，然后開始解題，這種方式相對枯燥.于是在開始摩擦力鞏固復習時，教師首先設計有關“沙子”的體驗型情境，以展開對摩擦力知識點的鞏固學習.

教學片斷1.

師：今天我們一起再來認識摩擦力.研究問題一般從觀察開始，各種規律都蘊藏在我們身邊的自然界.對一些現象，不同的人的觀察角度是不同的，請大家談談看到這些沙漠風景（如圖1所示）的體會.

圖1

學生有的說感覺很震撼，有的說是風力使然，有的說沙漠風景真美，也有學生說感覺這些沙堆的傾斜程度好像是一樣的等等.

師：不同的人的感悟是不同的，面對沙的世界，攝影家用不同視角的照片來表現它，畫家用畫筆來描繪它，文學家用優美的文字來描述它，這些描述不僅是對現象的藝術加工，更有描述者很多的情感和觀點附加在里面.如英國詩人威廉·布萊克的《天真的預言》的詩云：“一沙一世界，一花一天堂，雙手握無限，剎那是永恒……”這其實表達了“見微知著”、“芥子納須彌”的意思.

現在我們就從物理學科的角度來研究沙堆中的秘密.剛才有同學已經觀察到這些沙堆的傾斜程度好像是一樣的，那么是否是因為沙漠中的風力使然呢？我們可以從堆沙實驗開始研究.

堆沙過程可以每個學習小組進行，也可以用視頻方式進行，以利于學生的觀察.之后請每組學生用語言描述觀察到的現象.

學生的描述比較凌亂，不能完整地表達清楚.

師（引導）：如果要清晰地描述這一過程，我們可以記錄下這一過程的一些瞬間（如圖2所示），然后建立模型，用圖解的方法（如圖3所示）來表達我們的想法.

圖2

圖3

通過圖解過程，教師引導學生完整地表述堆沙的過程，并提出問題：（1）沙子之所以能堆起來，靠的是什么？（2）小沙堆變為大沙堆的過程有什么特點？請解釋這一現象.

第（1）個問題學生很容易回答是因為摩擦力.第（2）個問題因為有了形象的鋪墊，學生發現一開始堆沙時，表面與水平面的傾角不斷變大，堆到一定程度后，沙堆表面的傾角不再發生變化，始終保持一定的角度.

師：如何解釋這一現象？

設計意圖：通過一粒沙演繹出對摩擦力的再思考的一系列問題，處理問題的過程蘊藏對實際情景的模型化處理方法，一方面可以提高學生對生活情景的觀察能力，另一方面又能提高學生分析、解決實際問題的能力.

2.2 復習鞏固立足于對問題研究的展開

具體策略為創設研究型情境，引發問題，通過變式訓練提高學生對概念的鞏固與理解.

當學生在面臨實際問題時，需要將實際情景建立物理模型，教師需要設計系列的研究實驗，通過猜想、預測、建立模型、分析研究、小組合作等系列行動解決問題，提高學生處理實際問題的能力.同時教師設計變式訓練以討論的方式組織學生由淺入深地進行知識、思維方法等方面的拓展訓練，力求以點帶面，在變式訓練中提高學生對摩擦力概念的理解和應用能力.

教學片斷2.取沙堆表面的一粒沙為研究對象，它處于一個傾角可以調節的斜面上.結合堆沙的過程可以提出以下的問題，由學生展開討論.

問題1.如圖4所示，水平放置的粗糙的長木板上放置一個物體m，當用力緩慢抬起長木板一端時，物體受到的摩擦力將怎樣變化？

學生甲認為：當木板緩慢抬起時，θ增加，據f＝mgsinθ可知，f增大.

學生乙認為：當木板緩慢抬起時，θ增加，據f＝μN＝μmgcosθ知，f減小.

請你做出判斷，這兩位學生說的對嗎？你的觀點是什么？

設計意圖：問題1的設計意圖是將沙堆表面的一粒沙的動力學情況具體化為可供學習小組討論的問題，通過組織學生先獨立思考，后小組討論，再進行小組間觀點交流的方式促進每位學生的思維發展.同時，也可以用身邊的器材如直尺與橡皮來模擬這一動態的過程以加強對這一過程的理解.

學生在分享觀點時，產生很多有意義的爭論與補充，這些對促進學生思維的發展很有價值.

在問題1之后，為提高學生對滑動摩擦力和靜摩擦力大小的不同計算方法，還可以對問題1進行變式拓展，請學生思考，并通過小組討論及交流的方式分享觀點，以加強學生對概念和規律的理解.

圖4

（1）如斜面傾角增大至θ＝90°，則此時下落的物體是否受到滑動摩擦力的作用？

（2）設墻足夠高且粗糙，如對靠墻的物體施加一水平向左、從0開始逐漸變大的壓力F.判斷摩擦力的大小如何變化（如圖5所示）.

通過以上動態分析的過程可以提高學生的綜合應用能力，提高對兩種摩擦力的處理分析能力.

圖5

2.3 復習拓展立足于實際的生活情景

具體策略為創設拓展型情境，融實際情景于問題，提高應用概念處理實際問題的能力.

學習概念的目的是為了回歸生活、處理具體的問題，因此，問題1處理完之后，可以回歸到生活中堆沙的問題，以加強學生對這一模型的理解.

教學片斷3.

問題2.建筑工地上的黃沙堆成圓錐形，而且不管如何堆其角度是不變的.若測出其圓錐底的周長為l，高為h，如圖6所示.

（1）試求黃沙之間的動摩擦因數；

（2）若將該黃沙靠墻堆放，占用的場地面積至少為多少？

這一問題也可以用建筑工地的堆沙處理方式來引入，在工地上要放一堆沙，請問如何放可以節約占地面積？然后開展小組討論與分享觀點.

設計意圖：通過沙子引發一系列的問題，也反映了看似小小的一粒沙，其中也潛伏了摩擦力的大奧秘.說明生活中處處存在著科學知識.

在此基礎上，教師組織學生梳理所涉及的摩擦力的知識點，可以以問題的形式展開，也可以做思維導圖（如圖7所示）以拓展學生對摩擦力概念的理解.

圖6

圖7

2.4 課堂延伸立足于開放與拓展研究

具體策略為創設開放型情境，聯系時事科技熱點，增進學生的情感體驗，促進概念學習的可持續發展.

教學的目的是為了解決一個問題，引發另一個新的問題，激發學生不斷探索的興趣，課堂教學的結尾可以是一個開放性的結尾.

教學片斷4.請學生對最初的堆沙問題再思考，繼續設問：建筑工地上的黃沙堆成圓錐形，而且不管如何堆其角度是不變的.說明表面的沙子處于平衡狀態，且摩擦力為最大靜摩擦力.如在此基礎上，對這一模型加一向下的壓力，可知它仍處于靜止狀態，好像鎖住一樣，這是為什么呢？

此時教師提出自鎖現象之后，可以請感興趣的學生在課后對生活中的自鎖現象開展研究性學習.

圖8

教師也可以進行一些自鎖研究的啟發與引導，如建立了斜面上的自鎖模型（如圖8所示）后，可以拓展到螺絲帽的原理；如引導學生研究水平面上或豎直面上的自鎖和摩擦角的特點等，并舉一些例子如爬電線桿用的輔助裝備，自鎖式壓榨機的原理等，引導學生關注生活中的一些現象，并想辦法解釋和研究自鎖現象.

課的結尾也可以是一個充滿詩意的結尾，以加深學生對摩擦力這一概念的理解與應用.

教學片斷5.通過本節課，我們再次回顧和復習了摩擦力的相關知識.摩擦力是受力分析中的重點和難點，對摩擦力從認識、理解到熟練應用，是一個長期的學習過程，可以用詩來表達我們對摩擦力的學習感悟.以下是題為“致摩擦力”的小詩，獲得了廣大學生對摩擦力學習體會的共鳴.

曾長久地視你為阻力／不管動靜／總是阻攔我前進的腳步／消耗了我多少能量／面對誤解／你沉默不語／順從于自然的規律／知道你／理解卻不容易／素不知你只是客觀的存在／原來你只是與我相對／他人眼中／或許／你還助我前行／從此感悟／你的用心良苦／身負的壓力／不一定與你有關／只是阻礙你我相對的運動／觀動靜／辨方向／求大小／明了動靜做功的特點／熱情／釋放于你我之間

3 結語

課堂是觸及理智和心靈的地方，在開展物理概念鞏固復習過程中，正如一粒沙中蘊藏著豐富的世界一樣，教師首先體會生活與自然中的感性美與理性美，然后引導學生用自己的眼睛和心靈發現生活、自然中的美，感受到世界的奇妙所在，從而激發學生的學習樂趣，促使學生主動地理解和掌握物理概念，完善學生的認知結構，促進學生的全面發展.