基于學生思維發展順序的摩擦力課堂教學

杜娟　王林

摘? 要 學生的思維發展水平經歷由低級到高級的認知過程。使用探究策略和交互策略，借助實驗儀器進行摩擦力教學，目的就是用這種方法將學生對原有摩擦力的現象學習提升到對摩擦力本質的學習，學會解決實際問題。

關鍵詞 摩擦力;學生思維發展;實驗儀器;高中物理

中圖分類號：G633.7? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）01-0076-03

1 前言

皮亞杰的認知發展階段論認為，在兒童成長過程中，認知發展是有階段性的，不同階段之間的認知水平有著質的區別[1]。同理，學生在學習具體物理知識過程中，其思維水平也經歷由低級認知到高級思維的一系列階段，教師可以根據學生對具體物理問題的回答來進行判斷和評價，從而監控學生的思維層次[1]。

高中學生的認知發展是有階段性的，符合這一理論，可以根據學生的思維發展由簡單到復雜的順序來設計教學過程，因為教學就是一個從簡單到復雜的過程，這與學生的思維發展順序是相一致的，通過這個過程可以實現學生思維結構的轉變，實際上也就是實現了預設的教學目標。下面以人教版《高中物理》（必修一）第三章第三節“摩擦力”為例來說明。

2 教學目標

知識與技能? 知道什么是靜摩擦力，會用二力平衡原理判斷其大小和方向;知道最大靜摩擦力;知道滑動摩擦力的概念、產生條件，會判斷其方向，會運用滑動摩擦力的公式進行計算;能夠用所學摩擦力的知識解決實際問題。

過程與方法? 通過觀察實驗現象得出實驗規律;通過對控制變量法在探究實驗中的運用，學會使用物理方法，學會設計實驗;能夠通過探究的過程總結摩擦力的概念和特點，學會分析實際問題。

情感態度與價值觀? 通過探究實驗的形式，讓學生參與思考分析、記錄數據、整理結論的過程，培養學生實事求是、嚴謹的科學態度;通過分組實驗的形式，培養學生的合作意識，培養學生學習的主動性和積極性。

3 學情分析

通過初中階段的學習，學生對摩擦力有一些感性認識，如“箱子推而不動”“手握瓶子不會掉下”，從這些現象中能夠分析出是因為有靜摩擦力的存在;而且已經通過定性的研究，知道滑動摩擦力和表面有關。這些都是學生所具備的前概念，因此，借助實驗得出摩擦力概念的難度不是很大;但是由實驗現象總結實驗規律對于學生來說有一定的難度，需要教師引導。在教學中，教師要學會用物理的思想引導學生去分析問題，通過學生的親身實踐體會探索真知的必要性。

4 教學策略

探究策略? 采用科學探究的教學形式讓學生體會運用物理思維解決物理問題的過程。借助實驗儀器（圖1）為學生思維發展創造條件，通過實驗儀器定性的描述摩擦力，定量地計算摩擦力。

交互策略? 通過師生對話的形式引出問題，帶領學生思考問題，引導學生通過舊知和實驗現象總結實驗規律。以學生合作為主，以教師指導為輔，讓學生互相交流，合作制訂實驗計劃，進行實驗操作，得出實驗結論。

5 教學設計

活動一：通過實驗認識靜摩擦力? 這一教學環節以實施交互策略為主，學生剛開始接觸新的實驗儀器，教師需要通過提問和實驗現象引導學生學會觀察實驗現象，總結實驗規律。

教師將物塊放在水平軌道的最左端，用細繩將物塊和彈簧測力計相連（注意：保持細線水平且彈簧測力計處于零刻度線處），開始緩慢搖動手柄。提出問題：彈簧測力計示數發生變化，但物塊為什么不動？學生上臺試一試，近距離觀察。

生：物塊處于靜止狀態。

師：很好。我們知道物塊靜止是因為受力平衡，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，繩子與彈簧測力計通過定滑輪相連。由于定滑輪只改變力的方向，不改變力的大小，因此，彈簧測力計上的示數實際上是物塊所受拉力的大小，那么摩擦力如何產生？

生：在物塊與水平軌道之間產生了摩擦力，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狀態。

師：繩子拉物塊，物塊具有沿繩子方向的運動趨勢但沒有動，說明物塊與水平軌道之間產生一個阻礙物塊的力，我們把這個力稱為靜摩擦力。

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生一個阻礙相對運動趨勢的力，這個力就叫作靜摩擦力。

師：繼續搖動手柄，發現彈簧測力計的示數又變化了，但物塊還是沒有動，說明拉力與靜摩擦力之間滿足什么關系呢？

生：靜摩擦力的大小與拉力大小相等，方向相反。

師：非常好。這就是計算靜摩擦力大小的公式：

f靜=F拉（二力平衡原理）

師：繼續搖動手柄，大家仔細觀察，發現當物塊滑動的瞬間，彈簧測力計的示數發生了什么變化？

生：示數有所減小。

師：此后運動的物塊受到的還是靜摩擦力嗎？

生：不是，是滑動摩擦力。

師：這說明物塊運動的瞬間所受靜摩擦力具有最大值，我們把這個最大值稱為最大靜摩擦力：

0≤f靜≤fmax

【設計意圖】學生借助實驗儀器，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，說明物塊與水平軌道之間具有靜摩擦力。通過這個現象，學生很容易理解靜摩擦力，這就是一個簡單的思維過程。后面教師引入學生熟悉的二力平衡原理，將學生對靜摩擦力的現象學習引入較復雜的對摩擦力的產生條件的學習，真正認識靜摩擦力產生的原因。

活動二：探究水平面上滑動摩擦力與正壓力和接觸面材料的關系? 這一教學環節以探究策略為主，并體現學生之間的交流與合作。探究水平面上滑動摩擦力與正壓力和接觸面材料的關系是本節課的重點和難點，如果由教師演示，學生會忽略過程而只記住結論，這對于學生真正理解滑動摩擦力沒有任何意義。并且學生對于具體實際問題也不會分析，只會用記住的公式生搬硬套。

【猜想與假設】

師：還是這個儀器（圖1），大家繼續觀察，物塊在拉力的作用下沿水平軌道開始運動，物塊此時受到了滑動摩擦力，請問滑動摩擦力的方向向哪？

生：與物體運動方向相反。

師：同學們，滑動摩擦力產生在物塊與水平軌道之間，所以正確的表述是與物體相對運動方向相反。

滑動摩擦力概念：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生一個阻礙相對運動的力，這個力就叫作滑動摩擦力。

師：注意看彈簧測力計！物塊運動時所受拉力變化嗎？

生：始終是不變的。

師：那么這個拉力與滑動摩擦力之間有什么關系？

生：應該相等。

師：依據什么？

生：不太清楚。

師：大家能說出相等已經非常棒了！兩者大小確實相等。為什么呢？同學們仔細觀察，豎直軌道向前運動的同時，物塊也在運動。手柄轉得快，兩者速度都大;手柄轉得慢，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，所以它們兩個相對靜止。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，所以物塊所受滑動摩擦力與拉力大小相等，方向相反。

生：也就是說如果選水平軌道，只能判斷滑動摩擦力的方向，但無法將滑動摩擦力與拉力建立關系。

師：是這樣的。參考系的選取不只是一般意義上的地

面，而應該根據問題和情境選擇合適的。

生：知道了滑動摩擦力的大小有什么意義呢？

師：物塊運動后，滑動摩擦力的大小是已知量，那么你能猜想一下滑動摩擦力和什么因素有關嗎？

生：可能與正壓力有關？可能與接觸面有關？

師：如何驗證我們的猜想？

【設計實驗方案與記錄數據】教師提供一些器材：50 g

的鉤碼若干，塑料片，紙片，鼠標墊。

師：由于變量不止一個，所以我們的實驗方法應該是什么？

生：控制變量法。

師：好，如何設計實驗呢？大家自己動手試一試！

學生通過小組討論，寫出實驗方案：保持接觸面不變，探究滑動摩擦力與物塊質量的關系;保持物塊質量不變，探究滑動摩擦力與接觸面材料的關系。

師：很好，大家依據這個實驗方案開始動手實驗，注意設計合理的表格記錄數據，并自己做分析。

學生動手實驗并記錄數據（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）。

教師分析實驗數據，可以看到在誤差允許的范圍內。因為F1/G1=F2/G2=F3/G3=F4/G4≈0.13=K（定值），并且G=

F正壓力（數值上），所以F滑動摩擦力/F正壓力=0.13=K，F滑動摩擦力=

KF正壓力。得出結論：在接觸面不變的情況下，滑動摩擦力與正壓力有關，滑動摩擦力與正壓力成正比。

2）保持物塊質量不變。已知G物塊=1.4 N，將物塊依次放在不同的材料上，轉動手柄，觀察物塊滑動后所受滑動摩擦力的大小。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鼠標墊面：F4=0.37 N。

教師分析實驗數據，在保持物塊質量不變的情況下，接觸面的材料不同，物塊受到的滑動摩擦力的大小不同，一般接觸面越粗糙，所受的滑動摩擦力越大。把與接觸面的粗糙程度和材料有關的這個量稱為動摩擦因數，用μ表示。

綜合上述兩個實驗可以得出，滑動摩擦力與動摩擦因數及正壓力有關，它們之間滿足關系式：F滑=μF正壓力。

【設計意圖】探究滑動摩擦力與正壓力及動摩擦因數的關系是一個難點。學生通過物塊的滑動，可以體會有滑動摩擦力的產生，這是一個簡單的思維過程。但學生思維發展的難點，是不理解實驗中滑動摩擦力等于拉力的大小是借助了一定的參考系的選取，只有說清楚這一點，才能打破學生的思維障礙，將學生引入較復雜的探究實驗中。學生通過探究的過程，將簡單的單點式的思維結構，如滑動摩擦力、正壓力、接觸的材料面等已有的零散的概念，借助實驗儀器轉變成頭腦中具有相互關聯性的多點結構，即建立三者之間的聯系：F滑=μF正壓力。

6 結語

探究策略和交互策略的實施就是借助活動、語言、觀察來進行對學生思維的訓練和培養。杜威認為，思維是教學的基礎，也是教學的目的，教學成功的關鍵是要能激發兒童的思維[2]。而將科學家的探究過程與物理學科結合，也是目前所提倡的體驗性認知教學模式的一種創新，這種教學形式打破了過去的“灌輸式”“控制式”的教學模式，體現了“體驗”和“交流與互動”。■

參考文獻

[1]王較過，趙歡苗.SOLO分類理論在物理教學設計中的應用[J].當代教師教育，2012（1）：57-62.

[2]王婧，盛美玲.杜威反思性思維理論對物理教學的啟示[J].現代教育科學：普教研究，2009（6）：64-65.

[3]何賽君.高中物理教學設計的研究[J].中國電化教育，2002（8）：39-41.

[4]林建富.“摩擦力”教學案例分析[J].教學與管理：理論版，2003（11）：58-59.