核心素養(yǎng)視角下的“摩擦力”教學設計

朱琴 曾秀

摘 要： 本文旨在對“摩擦力”一課進行教學設計，用數(shù)字實驗解決常規(guī)實驗難以實現(xiàn)的疑難實驗問題，利用信息技術工具便捷地解決物理學習問題.通過創(chuàng)設情境，問題引領，讓學生經(jīng)歷完整的探究過程，實現(xiàn)以學生為主體，發(fā)展培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)的目標.

關鍵詞： 核心素養(yǎng);摩擦力;教學設計

文章編號： 1008-4134（2019）23-0042 ? ? 中圖分類號： G633.7 ? ? 文獻標識碼： B

《普通高中物理課程標準》（2017年版）（以下簡稱《新課標》）指出：注重物理課程對立德樹人根本任務的落實，切實將物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿在物理課程的設計和實施中.在物理課堂中如何落實培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)的目標，是物理教育研究與教學實踐討論的熱點，也是以立德樹人及核心素養(yǎng)為導向的基礎教育改革實踐中亟待突破和解決的重要問題.本文以“摩擦力”一課為例，探討核心素養(yǎng)的“落地”問題.

1 教學背景分析

1.1 課標分析

《新課標》要求學生認識重力、彈力與摩擦力.知道滑動摩擦和靜摩擦現(xiàn)象，能用動摩擦因數(shù)計算滑動摩擦力的大小.

《普通高中物理課程標準解讀》（2017年版）指出，初中物理已經(jīng)學習了摩擦力的初步知識，高中物理對物體受力分析的要求要高一些.高中物理課程對摩擦力的理解，應該和受力分析的需要相吻合.在初中“影響滑動摩擦力的因素”知識的基礎上，把滑動摩擦力跟接觸面性質的關系上升為定量要求，要求知道動摩擦因數(shù)的概念，并用公式f=μFN

計算滑動摩擦力的大小，理解公式中的FN是接觸面的壓力，性質上屬于彈力.關于靜摩擦現(xiàn)象，知道最大靜摩擦的概念.

1.2 教材分析

“摩擦力”是人教版《物理》必修1第三章“相互作用”的第3節(jié)，既是本章的重點，又是后面處理物體的平衡和動力學問題所必需的知識，是分析力學問題的基礎之一.對該內容的掌握程度直接影響到學生運用牛頓運動定律、動能定理以及摩擦力做功等知識解決相關物理問題的能力.摩擦力的有無、方向判斷、大小計算，對學生來說都是難點.學習摩擦力，首先要研究它產生的條件，理解運動、相對運動、相對運動趨勢等概念，學生才能判斷摩擦力的有無，判斷摩擦力的方向，進而討論摩擦力的大小.

1.3 學情分析

從知識層面來講，學生在初中已經(jīng)學習了什么是摩擦現(xiàn)象及其分類、影響滑動摩擦力大小的因素、靜摩擦力等簡單知識，學習了重力和常見的彈力，知道二力平衡，這為本節(jié)課的學習打下了知識基礎.

從能力層面來講，學生已有初步的比較和分類、分析和歸納、具體和抽象的思維能力，能把感性認識上升到理性認識，具備了一定的分析問題、解決問題及對問題進行反省的能力，這為本節(jié)學習做好了能力準備.學生對摩擦力具有比較豐富的感性認識，對做物理實驗興趣較高，但他們學習高中物理時間不長，思維的深度有限，對實驗的目的性理解不強，對設計實驗方案，處理數(shù)據(jù)的能力還有欠缺，因此需要教師作較全面的指導.

從認知困難上講，學生在生活中能接觸到大量有關摩擦力的現(xiàn)象和問題，在初中也進行了初步的學習，但對摩擦力的認識和理解還停留在生活經(jīng)驗上，甚至有錯誤的認識，如存在認為運動方向和相對運動方向是一回事;受靜摩擦力的物體一定是靜止的，受滑動摩擦力的物體一定是運動的等前概念.這就要求教師通過實驗探究和對實例的分析，徹底澄清錯誤認識，讓學生真正理解摩擦力.

2 重難點分析

教學重點：靜摩擦力和滑動摩擦力的產生條件;靜摩擦力和滑動摩擦力的方向判斷;滑動摩擦力的大小計算.

教學難點：靜摩擦力和滑動摩擦力的有無判斷、方向判斷.

3 教學目標

觀察演示實驗，聯(lián)系生活情境，理解靜摩擦和滑動摩擦現(xiàn)象，靜摩擦力和滑動摩擦力的產生條件，最大靜摩擦力與滑動摩擦力之間的關系，了解滑動摩擦因數(shù)的影響因素.

經(jīng)歷靜摩擦力的大小實驗探究，掌握靜摩擦力的最大值及其變化范圍;探究滑動摩擦力大小的影響因素，總結出滑動摩擦力的計算公式，并學會用其計算滑動摩擦力的大小.

經(jīng)歷系列探究活動的過程，體會到突出主要因素，忽略次要因素的思維方法.

通過系列探究活動，體驗科學探究的過程，體會實驗中發(fā)現(xiàn)規(guī)律的樂趣，領悟科學探究中尊重事實、大膽猜想、嚴格求證的科學態(tài)度.

4 教學過程

4.1 創(chuàng)設情境

[教師活動]拔書比賽：教師事先將兩本物理書隔頁互插，請兩位力氣大的學生上臺.提出問題：能把書拔開嗎？

[學生活動]兩位力氣大的男同學上臺使勁拔書.

[教師活動]提出問題并引導學生作出回答：結合生活經(jīng)驗談談摩擦力.并明確教學要求，繼續(xù)深入研究摩擦力.

[學生活動]結合初中所學摩擦力內容，回顧生活體驗進行回答.

[設計意圖]在實際情境中親身體會摩擦力.回顧所學知識，溫故而知新.

4.2 實驗直觀展示圖象，引導學生建立理想過程模型

[教師活動]彈簧測力計拉木塊活動（如圖 1）.講解實驗操作，提出問題，組織學生分組實驗，討論以下問題并分享：用彈簧測力計水平拉動小木塊，小木塊由靜止到勻速運動的過程中，受力情況如何？其中摩擦力的性質、大小和方向有變化嗎？

[學生活動]動手實驗，觀察、思考、討論后回答問題，并請一組同學進行分享.

現(xiàn)象：彈簧測力計讀數(shù)增大，增大到某一峰值時木塊啟動，木塊啟動后彈簧測力計讀數(shù)立即變小后保持不變.

原因：靜摩擦力隨拉力的增大而增大，滑動摩擦力不變，最大靜摩擦力略大于滑動摩擦力.

[教師活動]傳感器測量活動（如圖 2）.教師介紹實驗裝置的改進：用力傳感器代替彈簧測力計測力，用電機代替手拉動木塊.

教師要強調木塊從靜止到勻速運動整個過程可以近似看成是平衡態(tài)，因此摩擦力的大小就可以通過力傳感器測量出來.介紹圖象的橫縱坐標，橫坐標表示時間，縱坐標表示摩擦力.

進行實驗操作，提出問題; 傳感器測量的摩擦力實驗圖象和我們前面的實驗體會是否一致？

在學生回答一致后，教師提問進一步引導學生思考：圖象中哪里表示靜摩擦力和滑動摩擦力？靜摩擦力和滑動摩擦力的大小如何變化？圖象中的尖峰代表什么？滑動摩擦力的大小波動的原因？最大靜摩擦力和滑動摩擦力的大小關系？

[學生活動]觀察分析圖象特征，思考問題，并回答.在教師的引導中得出結論：

（1）尖峰之前是靜摩擦力，之后是滑動摩擦力.

（2）靜摩擦力的大小隨拉力的增大而增大，滑動摩擦力的大小基本不變.

（3）尖峰表示最大靜摩擦力.

（4）滑動摩擦的大小波動原因是接觸面粗糙程度不同導致的，假定各處粗糙程度一樣，滑動摩擦力的圖象就是一條直線.

（5）最大靜摩擦力略大于滑動摩擦力.

請一位同學在黑板上畫出接觸面粗糙程度一樣的情況下的摩擦力圖象（如圖 3）.

[教師活動]提出問題并引導學生作出回答：靜摩擦力的產生條件？

[學生活動]結合實驗歸納出產生條件：（1）接觸且有擠壓;（2）粗糙;（3）有相對運動趨勢.

[教師活動]強調這三個條件要同時滿足，缺一不可.

[設計意圖]引導學生用課本實驗，人人動手，通過認真觀察和分析，認識到靜摩擦力的存在，也為總結出靜摩擦力產生的條件提供感性認識.書本上談到最大靜摩擦力略大于滑動摩擦力，但是用彈簧測力計測摩擦力這一傳統(tǒng)實驗很難觀察到這個現(xiàn)象，通過數(shù)字化實驗，使用傳感器測量讓學生能直觀地看到最大靜摩擦力大于滑動摩擦力，解決了傳統(tǒng)實驗的不足.使用直觀的圖象證明，也增強學生的證據(jù)意識.引導學生把實驗現(xiàn)象與實驗數(shù)據(jù)相結合，基于數(shù)據(jù)分析簡化問題，忽略次要因素建立理想的過程模型，進而畫出理想情況下的摩擦力圖象，培養(yǎng)學生抽象、建立理想化模型的能力.引導學生歸納靜摩擦力產生條件，培養(yǎng)學生的概括能力.

4.3 對比實驗顯化運動趨勢，突破靜摩擦力方向判斷教學難點

[教師活動]圖片展示（如圖4）：不同情況下的靜止物體.提出問題：怎么判斷物體有無相對運動趨勢？靜摩擦力的方向？

[學生活動]分析思考，回答問題：第二種和第三種情況有相對運動的趨勢，物體想動而沒有動.

[教師活動]教師將手機磨砂殼面與斜面接觸放在斜面上，手機靜止;再把手機膜面接觸斜面放在同一斜面上，手機下滑.歸納總結，夯實基礎：判斷相對運動趨勢的方法以及靜摩擦力的方向.

[學生活動]觀察對比實驗，聽老師講解，思考并記錄筆記.

判斷相對運動趨勢的方法：（1）平衡態(tài)法;（2）假設光滑法.

靜摩擦力的方向：與相對運動趨勢方向相反.

[設計意圖]相對運動趨勢是一種想動而沒動的狀態(tài)，無法直接用肉眼觀察到，通過二力平衡原理和假設光滑法能間接推斷相對運動趨勢的有無和方向.通過演示實驗：把手機放置在斜面上，但是接觸面由粗糙變?yōu)楣饣ㄟ^對比實驗來顯化相對運動趨勢，幫助學生突破難點.

4.4 問題情境引發(fā)認知沖突，糾正滑動摩擦力方向判斷的錯誤認知

[教師活動]引導學生類比靜摩擦力產生條件，歸納得出滑動摩擦力的產生條件.

[學生活動]運用類比的方法得出滑動摩擦力的產生條件：（1）接觸且有擠壓;（2）粗糙;（3）有相對運動.

[教師活動]先提出問題：同學們初中學習過，應該還記得滑動摩擦力的方向與相對運動方向相反，能改成與運動方向相反嗎？讓學生小組討論，在學生猶豫的情況下，演示木塊-木板相對運動實驗：把物體放在木板上，木板放在桌子上，分別用紅色標記出它們此刻的位置，快速拉動木板.提出問題：滑動摩擦力的方向與物體運動方向相反嗎？

[學生活動]在教師的引導下，思考問題，仔細觀察實驗現(xiàn)象并分析：物體向右運動，相對木板向左運動，物體受到的滑動摩擦力向右，滑動摩擦力的方向與物體運動方向相同，與相對運動方向相反.

[設計意圖]學生往往把物體的相對運動和運動方向混為一談，針對這個錯誤概念，首先創(chuàng)設問題情境，產生認知沖突.然后呈現(xiàn)物體-木板演示實驗，當用手拉動木板時，也帶動物體一起運動，但是物體相對木板向后運動.物體的運動方向和相對運動方向不一致，發(fā)生了分離.歸納總結出滑動摩擦力的方向與相對運動方向相反.通過直觀的實驗現(xiàn)象，糾正學生對運動方向與相對運動方向的錯誤認識，促進深度學習.

4.5 實驗探究滑動摩擦力大小影響因素

[教師活動]提出問題：滑動摩擦力的大小與哪些因素有關？總結學生回答的可能因素：壓力、接觸面粗糙程度、面積、運動速度等.明確重點研究壓力與滑動摩擦力的大小關系.

[學生活動]對影響因素進行合理猜想.

[教師活動]提出問題，組織分組討論與集體分享：同學們能設計實驗方案探究滑動摩擦力和正壓力的大小關系嗎？分析學生提出的常規(guī)方案的缺點，引導改進，展示改進方案的實驗裝置圖.

[學生活動]思考、討論后回答問題，并請一組同學進行展示.通過學生之間交流與老師的指導，得出實驗方案：用彈簧測力計測木塊的滑動摩擦力，通過加砝碼來改變木塊與木板間的壓力大小.

[教師活動]實驗操作演示及提醒操作注意事項.巡回指導，解決問題.

[學生活動]小組合作，實驗探究，收集數(shù)據(jù)，獲取證據(jù).

[教師活動]引導學生畫出f滑-N圖象，兩組實驗圖象如圖 5，比較兩組學生的實驗數(shù)據(jù).提出問題：同學們看到什么規(guī)律了？比例系數(shù)一樣嗎？比例系數(shù)代表什么？

[學生活動]兩組學生展示小組實驗木塊底部材料，將實驗數(shù)據(jù)輸入Excel表格，得出f滑-N圖象.兩組實驗圖象的比例系數(shù)分別為K1=0.29和K2=0.71，比例系數(shù)不同.分析f滑-N圖象，得出f滑與N成正比，f滑=kN.

[教師活動]引導學生總結和陳述實驗結論：f滑=μN.比例系數(shù)代表μ，叫做動摩擦因數(shù)，代表接觸面的材料的粗糙程度，無單位.

[學生活動]聽老師講解，并記錄筆記.

[教師活動]請同學們課后繼續(xù)探究不同面積，不同速度等因素.

[學生活動]課后繼續(xù)思考探究不同面積，不同速度等因素.

[設計意圖]經(jīng)歷實驗方案的設計和篩選，培養(yǎng)學生的實驗探究能力.通過學生動手、動腦，團隊合作進行實驗探究，增強證據(jù)意識，培養(yǎng)動手、溝通、合作的能力，分析、評估科學證據(jù)的能力，信息技術和信息處理能力.基于證據(jù)和邏輯對研究的問題進行準確表述.讓學生課后繼續(xù)探究，培養(yǎng)學生主動探究的科學態(tài)度.

5 教學反思

觀察和實驗是學生認識物理世界，獲取物理知識的重要途徑， 是發(fā)展學生科學思維的前提條件，在“摩擦力”教學中，只有在“以觀察和實驗為基礎 ”，結合教法的改進上下功夫， 才能改變其難教、難學的局面.為了突破難點，在本節(jié)的教學中，首先注意從實驗的設計、改進入手，緊緊圍繞教學目的，循序漸進地從演示設疑、定項觀察、分步研究、加深體驗去安排一組順序實驗，以增強學生的感性知識為突破口，并融合講授中的分析點撥、歸納綜合等常用的教學方法，使其有力地為突破教學的重點、難點服務.

在幫助學生理解相對運動趨勢、區(qū)別運動和相對運動概念、最大靜摩擦力大于滑動摩擦力的教學中，通過演示實驗把相對運動趨勢顯性化，把物體的運動和相對運動方向進行分離，通過傳感器記錄的摩擦力圖象觀察最大靜摩擦力和滑動摩擦力的大小，將抽象的概念和規(guī)律通過具體的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)圖象展示在學生面前.

在滑動摩擦力的大小和哪些因素有關的教學中，教材通過彈簧測力計水平拉動滑塊使滑塊勻速直線運動，從而得出滑動摩擦力的大小等于彈簧測力計示數(shù).這種理論上可行的辦法實際操作中則很難完成.筆者通過自制教具創(chuàng)新實驗，課堂上利用Excel記錄數(shù)據(jù)，定量分析數(shù)據(jù)，建立圖象，得出結論，真實再現(xiàn)一個探究的全過程.這也符合《新課標》所提倡的重視科學探究能力的培養(yǎng)和信息技術的應用.

參考文獻：

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（收稿日期：2019-08-14）