基于學(xué)生思維發(fā)展順序的摩擦力課堂教學(xué)

杜娟　王林

摘? 要 學(xué)生的思維發(fā)展水平經(jīng)歷由低級(jí)到高級(jí)的認(rèn)知過(guò)程。使用探究策略和交互策略，借助實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行摩擦力教學(xué)，目的就是用這種方法將學(xué)生對(duì)原有摩擦力的現(xiàn)象學(xué)習(xí)提升到對(duì)摩擦力本質(zhì)的學(xué)習(xí)，學(xué)會(huì)解決實(shí)際問(wèn)題。

關(guān)鍵詞 摩擦力;學(xué)生思維發(fā)展;實(shí)驗(yàn)儀器;高中物理

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2019）01-0076-03

1 前言

皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展階段論認(rèn)為，在兒童成長(zhǎng)過(guò)程中，認(rèn)知發(fā)展是有階段性的，不同階段之間的認(rèn)知水平有著質(zhì)的區(qū)別[1]。同理，學(xué)生在學(xué)習(xí)具體物理知識(shí)過(guò)程中，其思維水平也經(jīng)歷由低級(jí)認(rèn)知到高級(jí)思維的一系列階段，教師可以根據(jù)學(xué)生對(duì)具體物理問(wèn)題的回答來(lái)進(jìn)行判斷和評(píng)價(jià)，從而監(jiān)控學(xué)生的思維層次[1]。

高中學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展是有階段性的，符合這一理論，可以根據(jù)學(xué)生的思維發(fā)展由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的順序來(lái)設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程，因?yàn)榻虒W(xué)就是一個(gè)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程，這與學(xué)生的思維發(fā)展順序是相一致的，通過(guò)這個(gè)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)學(xué)生思維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，實(shí)際上也就是實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)。下面以人教版《高中物理》（必修一）第三章第三節(jié)“摩擦力”為例來(lái)說(shuō)明。

2 教學(xué)目標(biāo)

知識(shí)與技能? 知道什么是靜摩擦力，會(huì)用二力平衡原理判斷其大小和方向;知道最大靜摩擦力;知道滑動(dòng)摩擦力的概念、產(chǎn)生條件，會(huì)判斷其方向，會(huì)運(yùn)用滑動(dòng)摩擦力的公式進(jìn)行計(jì)算;能夠用所學(xué)摩擦力的知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。

過(guò)程與方法? 通過(guò)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出實(shí)驗(yàn)規(guī)律;通過(guò)對(duì)控制變量法在探究實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用，學(xué)會(huì)使用物理方法，學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn);能夠通過(guò)探究的過(guò)程總結(jié)摩擦力的概念和特點(diǎn)，學(xué)會(huì)分析實(shí)際問(wèn)題。

情感態(tài)度與價(jià)值觀? 通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)的形式，讓學(xué)生參與思考分析、記錄數(shù)據(jù)、整理結(jié)論的過(guò)程，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度;通過(guò)分組實(shí)驗(yàn)的形式，培養(yǎng)學(xué)生的合作意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。

3 學(xué)情分析

通過(guò)初中階段的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)摩擦力有一些感性認(rèn)識(shí)，如“箱子推而不動(dòng)”“手握瓶子不會(huì)掉下”，從這些現(xiàn)象中能夠分析出是因?yàn)橛徐o摩擦力的存在;而且已經(jīng)通過(guò)定性的研究，知道滑動(dòng)摩擦力和表面有關(guān)。這些都是學(xué)生所具備的前概念，因此，借助實(shí)驗(yàn)得出摩擦力概念的難度不是很大;但是由實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)有一定的難度，需要教師引導(dǎo)。在教學(xué)中，教師要學(xué)會(huì)用物理的思想引導(dǎo)學(xué)生去分析問(wèn)題，通過(guò)學(xué)生的親身實(shí)踐體會(huì)探索真知的必要性。

4 教學(xué)策略

探究策略? 采用科學(xué)探究的教學(xué)形式讓學(xué)生體會(huì)運(yùn)用物理思維解決物理問(wèn)題的過(guò)程。借助實(shí)驗(yàn)儀器（圖1）為學(xué)生思維發(fā)展創(chuàng)造條件，通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀器定性的描述摩擦力，定量地計(jì)算摩擦力。

交互策略? 通過(guò)師生對(duì)話(huà)的形式引出問(wèn)題，帶領(lǐng)學(xué)生思考問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)舊知和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。以學(xué)生合作為主，以教師指導(dǎo)為輔，讓學(xué)生互相交流，合作制訂實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

5 教學(xué)設(shè)計(jì)

活動(dòng)一：通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)靜摩擦力? 這一教學(xué)環(huán)節(jié)以實(shí)施交互策略為主，學(xué)生剛開(kāi)始接觸新的實(shí)驗(yàn)儀器，教師需要通過(guò)提問(wèn)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

教師將物塊放在水平軌道的最左端，用細(xì)繩將物塊和彈簧測(cè)力計(jì)相連（注意：保持細(xì)線(xiàn)水平且彈簧測(cè)力計(jì)處于零刻度線(xiàn)處），開(kāi)始緩慢搖動(dòng)手柄。提出問(wèn)題：彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)發(fā)生變化，但物塊為什么不動(dòng)？學(xué)生上臺(tái)試一試，近距離觀察。

生：物塊處于靜止?fàn)顟B(tài)。

師：很好。我們知道物塊靜止是因?yàn)槭芰ζ胶?，那么物塊在水平方向上受到什么力？

生：拉力和摩擦力。

師：拉力由繩子提供，繩子與彈簧測(cè)力計(jì)通過(guò)定滑輪相連。由于定滑輪只改變力的方向，不改變力的大小，因此，彈簧測(cè)力計(jì)上的示數(shù)實(shí)際上是物塊所受拉力的大小，那么摩擦力如何產(chǎn)生？

生：在物塊與水平軌道之間產(chǎn)生了摩擦力，并且摩擦力的方向與拉力方向相反，這樣才能夠保證物塊受力平衡且處于靜止?fàn)顟B(tài)。

師：繩子拉物塊，物塊具有沿繩子方向的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)但沒(méi)有動(dòng)，說(shuō)明物塊與水平軌道之間產(chǎn)生一個(gè)阻礙物塊的力，我們把這個(gè)力稱(chēng)為靜摩擦力。

靜摩擦力的概念：在相互接觸且擠壓的物體之間，且具有一定粗糙程度的接觸面上產(chǎn)生一個(gè)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的力，這個(gè)力就叫作靜摩擦力。

師：繼續(xù)搖動(dòng)手柄，發(fā)現(xiàn)彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)又變化了，但物塊還是沒(méi)有動(dòng)，說(shuō)明拉力與靜摩擦力之間滿(mǎn)足什么關(guān)系呢？

生：靜摩擦力的大小與拉力大小相等，方向相反。

師：非常好。這就是計(jì)算靜摩擦力大小的公式：

f靜=F拉（二力平衡原理）

師：繼續(xù)搖動(dòng)手柄，大家仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)當(dāng)物塊滑動(dòng)的瞬間，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)發(fā)生了什么變化？

生：示數(shù)有所減小。

師：此后運(yùn)動(dòng)的物塊受到的還是靜摩擦力嗎？

生：不是，是滑動(dòng)摩擦力。

師：這說(shuō)明物塊運(yùn)動(dòng)的瞬間所受靜摩擦力具有最大值，我們把這個(gè)最大值稱(chēng)為最大靜摩擦力：

0≤f靜≤fmax

【設(shè)計(jì)意圖】學(xué)生借助實(shí)驗(yàn)儀器，直觀地看到物塊雖然受到拉力作用，但依然靜止在水平軌道上，說(shuō)明物塊與水平軌道之間具有靜摩擦力。通過(guò)這個(gè)現(xiàn)象，學(xué)生很容易理解靜摩擦力，這就是一個(gè)簡(jiǎn)單的思維過(guò)程。后面教師引入學(xué)生熟悉的二力平衡原理，將學(xué)生對(duì)靜摩擦力的現(xiàn)象學(xué)習(xí)引入較復(fù)雜的對(duì)摩擦力的產(chǎn)生條件的學(xué)習(xí)，真正認(rèn)識(shí)靜摩擦力產(chǎn)生的原因。

活動(dòng)二：探究水平面上滑動(dòng)摩擦力與正壓力和接觸面材料的關(guān)系? 這一教學(xué)環(huán)節(jié)以探究策略為主，并體現(xiàn)學(xué)生之間的交流與合作。探究水平面上滑動(dòng)摩擦力與正壓力和接觸面材料的關(guān)系是本節(jié)課的重點(diǎn)和難點(diǎn)，如果由教師演示，學(xué)生會(huì)忽略過(guò)程而只記住結(jié)論，這對(duì)于學(xué)生真正理解滑動(dòng)摩擦力沒(méi)有任何意義。并且學(xué)生對(duì)于具體實(shí)際問(wèn)題也不會(huì)分析，只會(huì)用記住的公式生搬硬套。

【猜想與假設(shè)】

師：還是這個(gè)儀器（圖1），大家繼續(xù)觀察，物塊在拉力的作用下沿水平軌道開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，物塊此時(shí)受到了滑動(dòng)摩擦力，請(qǐng)問(wèn)滑動(dòng)摩擦力的方向向哪？

生：與物體運(yùn)動(dòng)方向相反。

師：同學(xué)們，滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生在物塊與水平軌道之間，所以正確的表述是與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反。

滑動(dòng)摩擦力概念：在相互接觸且擠壓的物體之間，且具有一定粗糙程度的接觸面上產(chǎn)生一個(gè)阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力，這個(gè)力就叫作滑動(dòng)摩擦力。

師：注意看彈簧測(cè)力計(jì)！物塊運(yùn)動(dòng)時(shí)所受拉力變化嗎？

生：始終是不變的。

師：那么這個(gè)拉力與滑動(dòng)摩擦力之間有什么關(guān)系？

生：應(yīng)該相等。

師：依據(jù)什么？

生：不太清楚。

師：大家能說(shuō)出相等已經(jīng)非常棒了！兩者大小確實(shí)相等。為什么呢？同學(xué)們仔細(xì)觀察，豎直軌道向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，物塊也在運(yùn)動(dòng)。手柄轉(zhuǎn)得快，兩者速度都大;手柄轉(zhuǎn)得慢，兩者速度都小。不管如何改變手柄的速度，豎直軌道的速度與物塊的速度都是相同的，所以它們兩個(gè)相對(duì)靜止。因此，選豎直軌道作為參考平面，物塊就是靜止的，物塊靜止受力平衡，所以物塊所受滑動(dòng)摩擦力與拉力大小相等，方向相反。

生：也就是說(shuō)如果選水平軌道，只能判斷滑動(dòng)摩擦力的方向，但無(wú)法將滑動(dòng)摩擦力與拉力建立關(guān)系。

師：是這樣的。參考系的選取不只是一般意義上的地

面，而應(yīng)該根據(jù)問(wèn)題和情境選擇合適的。

生：知道了滑動(dòng)摩擦力的大小有什么意義呢？

師：物塊運(yùn)動(dòng)后，滑動(dòng)摩擦力的大小是已知量，那么你能猜想一下滑動(dòng)摩擦力和什么因素有關(guān)嗎？

生：可能與正壓力有關(guān)？可能與接觸面有關(guān)？

師：如何驗(yàn)證我們的猜想？

【設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案與記錄數(shù)據(jù)】教師提供一些器材：50 g

的鉤碼若干，塑料片，紙片，鼠標(biāo)墊。

師：由于變量不止一個(gè)，所以我們的實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)該是什么？

生：控制變量法。

師：好，如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)?zāi)?？大家自己?dòng)手試一試！

學(xué)生通過(guò)小組討論，寫(xiě)出實(shí)驗(yàn)方案：保持接觸面不變，探究滑動(dòng)摩擦力與物塊質(zhì)量的關(guān)系;保持物塊質(zhì)量不變，探究滑動(dòng)摩擦力與接觸面材料的關(guān)系。

師：很好，大家依據(jù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)方案開(kāi)始動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，注意設(shè)計(jì)合理的表格記錄數(shù)據(jù)，并自己做分析。

學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)（表1），教師輔助答疑。

1）保持接觸面不變（已知G物塊=1.4 N，G鉤碼=0.4 N）。

教師分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看到在誤差允許的范圍內(nèi)。因?yàn)镕1/G1=F2/G2=F3/G3=F4/G4≈0.13=K（定值），并且G=

F正壓力（數(shù)值上），所以F滑動(dòng)摩擦力/F正壓力=0.13=K，F(xiàn)滑動(dòng)摩擦力=

KF正壓力。得出結(jié)論：在接觸面不變的情況下，滑動(dòng)摩擦力與正壓力有關(guān)，滑動(dòng)摩擦力與正壓力成正比。

2）保持物塊質(zhì)量不變。已知G物塊=1.4 N，將物塊依次放在不同的材料上，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，觀察物塊滑動(dòng)后所受滑動(dòng)摩擦力的大小。①水平軌道：F1=0.10 N。②紙面：F2=0.33 N。③塑料板面：F3=0.35 N。④鼠標(biāo)墊面：F4=0.37 N。

教師分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在保持物塊質(zhì)量不變的情況下，接觸面的材料不同，物塊受到的滑動(dòng)摩擦力的大小不同，一般接觸面越粗糙，所受的滑動(dòng)摩擦力越大。把與接觸面的粗糙程度和材料有關(guān)的這個(gè)量稱(chēng)為動(dòng)摩擦因數(shù)，用μ表示。

綜合上述兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以得出，滑動(dòng)摩擦力與動(dòng)摩擦因數(shù)及正壓力有關(guān)，它們之間滿(mǎn)足關(guān)系式：F滑=μF正壓力。

【設(shè)計(jì)意圖】探究滑動(dòng)摩擦力與正壓力及動(dòng)摩擦因數(shù)的關(guān)系是一個(gè)難點(diǎn)。學(xué)生通過(guò)物塊的滑動(dòng)，可以體會(huì)有滑動(dòng)摩擦力的產(chǎn)生，這是一個(gè)簡(jiǎn)單的思維過(guò)程。但學(xué)生思維發(fā)展的難點(diǎn)，是不理解實(shí)驗(yàn)中滑動(dòng)摩擦力等于拉力的大小是借助了一定的參考系的選取，只有說(shuō)清楚這一點(diǎn)，才能打破學(xué)生的思維障礙，將學(xué)生引入較復(fù)雜的探究實(shí)驗(yàn)中。學(xué)生通過(guò)探究的過(guò)程，將簡(jiǎn)單的單點(diǎn)式的思維結(jié)構(gòu)，如滑動(dòng)摩擦力、正壓力、接觸的材料面等已有的零散的概念，借助實(shí)驗(yàn)儀器轉(zhuǎn)變成頭腦中具有相互關(guān)聯(lián)性的多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，即建立三者之間的聯(lián)系：F滑=μF正壓力。

6 結(jié)語(yǔ)

探究策略和交互策略的實(shí)施就是借助活動(dòng)、語(yǔ)言、觀察來(lái)進(jìn)行對(duì)學(xué)生思維的訓(xùn)練和培養(yǎng)。杜威認(rèn)為，思維是教學(xué)的基礎(chǔ)，也是教學(xué)的目的，教學(xué)成功的關(guān)鍵是要能激發(fā)兒童的思維[2]。而將科學(xué)家的探究過(guò)程與物理學(xué)科結(jié)合，也是目前所提倡的體驗(yàn)性認(rèn)知教學(xué)模式的一種創(chuàng)新，這種教學(xué)形式打破了過(guò)去的“灌輸式”“控制式”的教學(xué)模式，體現(xiàn)了“體驗(yàn)”和“交流與互動(dòng)”?！?/p>

參考文獻(xiàn)

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