基于核心素養的高中物理概念教學設計

王偉全 費金有

摘要：物理概念是高中物理教學的核心內容之一，文章以“摩擦力”一課為例，設計了基于物理學科核心素養的教學方案，并探討了如何發展學生的核心素養。

關鍵詞：核心素養 ?高中物理 ?摩擦力

一、內容分析

摩擦力是高中力學三類常見的力之一，是受力分析的基礎，為后面牛頓運動定理、動能定理的學習打下知識基礎，所以本節課在整個高中物理學習中具有重要的地位和作用。

二、教學目標

第一，認識摩擦力。學生應知道滑動摩擦力和靜摩擦力現象，能用動摩擦因數計算滑動摩擦力的大小。

第二，體會控制變量法的物理思維。學生應學會利用二力平衡的方法求解靜摩擦力的方向和大小。

第三，通過實驗探究影響滑動摩擦力大小的因素，培養學生的科學探究能力。

第四，調查生活中利用或避免摩擦力的實例，讓學生形成“物理來源于生活，應用于生活”的意識。

三、教學方法

第一，通過靜摩擦力的產生條件和方向，類比得出滑動摩擦力的產生條件和方向。

第二，運用創設情境——提出問題——自主探究——交流討論——歸納總結的流程進行教學。

四、教學過程

（一）靜摩擦力

教師演示實驗：用彈簧測力計沿水平方向拉木塊，手拿瓶子，并提出問題：“靜摩擦力產生的條件是什么？”

經過啟發學生思考，引導學生討論，學生能得出結論，摩擦力的產生有兩個條件：兩個物體相互接觸且有彈力，兩個物體之間有相互運動趨勢。

（二）滑動摩擦力

比較靜摩擦力和滑動摩擦力，得出滑動摩擦力的產生條件與方向。

教師提出問題：“滑動摩擦力的大小與哪些因素有關？”同時介紹演示實驗——將木塊放在傳送帶上并與彈簧秤相連，打開電源時，傳送帶勻速運動，而木塊保持靜止。

在學生以小組為單位完成實驗后，教師可引導學生得出結論：滑動摩擦力大小和接觸面之間的正壓力成正比，與物體之間的接觸材料和接觸面的粗糙程度有關。

（三）靜摩擦力與滑動摩擦力的關系

教師提出問題：“在相同的條件下，最大靜摩擦力和滑動摩擦力誰更大呢？”然后提供兩種實驗方案：方案一，用記憶彈簧秤比對;方案二，用動態力傳感器顯示。

教師演示實驗，用小電機拉木塊，木塊從靜止狀態到勻速運動。通過兩個方案的探究得到了同樣的結論——滑動摩擦力比最大靜摩擦力稍小。

（四）聯系生活與實際

教師提出問題：“生活有哪些摩擦力，如果摩擦力消失了，世界將會變成什么樣？”

在學生回答后，教師指導學生理論聯系實際，建立起摩擦力與生活的聯系。

教師再次提問：“摩擦力是有益的還是有害的？”同時列舉有益摩擦力和有害摩擦力。

五、教學評價

在“摩擦力”一課的教學設計中，教師圍繞教學目標設計了教學過程和教學活動，滲透了核心素養的基本理念。貫穿整節課的探究實驗和隨堂實驗不僅創設了學習情境，還加深了學生對知識的理解，發展了學生的科學思維，增強了學生的實踐意識，提高了學生科學探究的能力，全方位培養了學生的核心素養。

六、課堂實錄

教師說道：“上節課我們學習了彈力，知道彈力是因為相互接觸的物體，因為擠壓發生形變，在接觸面上產生的恢復形變的一種力，請同學們伸出手掌，按在桌面上下壓，你們能感受到桌面對手掌的彈力嗎？”

學生齊聲回答：“能。”

教師繼續說：“好的，接著完成下一個動作，保持壓力不變，沿著桌面推手掌，有沒有感到一種阻礙手掌啟動和運動的力？這個力時時相伴我們，卻容易被我們忽視，這就是摩擦力。”

教師繼續引導學生：“在剛才的實驗中，阻礙手掌啟動的力產生在兩個相對靜止，但是有運動趨勢的物體之間，它叫靜摩擦力;當手掌啟動以后，阻礙手掌運動的力發生在兩個相互接觸，又有相對運動的物體之間，我們把這個力叫滑動摩擦力。今天，我們就一起來認識它們。”

此時，學生都躍躍欲試，異常興奮。教師說道：“我們先來看靜摩擦力，和前面學習彈力一樣，要想認識一個力，就要從它的產生條件、大小和方向說起。我們把木塊放在水平長木板上，用彈簧測力計沿水平方向拉木塊。同學們請看，彈簧測力計有了讀數，而木塊依然靜止。現在，我輕輕拿起一個瓶子，靜止在半空不動，這兩個我們生活中常見的景象中，能探尋到有關靜摩擦力的哪些信息呢？回顧剛才的實驗，彈簧測力計給木塊施加了哪個方向的拉力？木塊想往哪個方向運動？”

學生1回答：“向左。”

教師追問：“那么為什么木塊沒有運動呢？”

學生2回答：“因為與木板的摩擦力。”

教師繼續說：“請同學們再看，當我撤去拉力時，摩擦力還存在嗎？”

學生齊答：“不存在。”

教師說：“從剛才的現象中，我們不難發現，當施加向左的拉力時，木塊想往左運動，這時摩擦力出現了;當撤去拉力，木塊待在原地不動時，摩擦力消失了。我們是不是可以得到一個結論？”

學生齊答：“摩擦力與相對運動趨勢有關。”

教師繼續說：“同學們再看，當我拿起瓶子，在重力的作用下，為什么瓶子沒有下落呢？”

學生3回答：“因為手與瓶子之間存在摩擦力。”

教師問：“摩擦力是什么方向？”

學生3回答：“是向上的。”

教師再問：“如果我把手松開一點，松到手和瓶子之間的彈力等于0時，瓶子掉下去了，那么從這個現象中，我們又能得到什么結論？”

學生3回答：“摩擦力可能與彈力有關。”

教師繼續引導：“剛才同學們說出了摩擦力產生的兩個條件，兩個物體相互接觸且有彈力，便有了相互運動趨勢，那么是不是只有這兩個條件就可以了呢？”

此時，教師請男女生各一名上來做游戲，用兩雙不同的筷子將相同重量的砝碼夾到砝碼盤中，看誰夾得快。

比賽結束后，教師說道：“一般來說，男同學的力氣要比女同學大，怎么男同學夾了半天也夾不進去呢？你們仔細觀察筷子就會發現，男同學是光滑的塑料筷，女同學是粗糙的竹筷。這樣看來，靜摩擦力產生的第三個條件就是接觸面間必須粗糙。”

教師說：“我們再看靜摩擦力的大小和方向，回到剛才的木塊實驗，木塊受到木板對他的靜摩擦力是什么方向呢？”

學生答：“向右，因為如果摩擦力方向和拉力方向一致的話，木塊肯定運動起來了，但是木塊是靜止的，所以靜摩擦力肯定在阻礙拉力作用。可見，拉力和靜摩擦力是一對平衡力。”

教師問：“沒錯，木塊受到向左的拉力，它靜止不動，而它受到的靜摩擦力必定向右。所以靜摩擦力和物體相對運動趨勢相反。”

教師繼續引導：“我們回到剛才的實驗，請注意彈簧測力計示數。當木塊靜止不動時，拉力和靜摩擦力總是保持二力平衡，拉力增大，靜摩擦力也增大，那么它能不能無限制地繼續增大呢？”

教師接著說：“繼續增大拉力，木塊終于移動了。這個現象說明靜摩擦力不能一直增大，有個最大值，這就是最大靜摩擦力。所以靜摩擦力的大小在0與最大靜摩擦力之間。”

教師說：“如果物體和地面之間發生了相對滑動，又是怎樣的一番情景呢？這就是我們要進入的第二個話題——滑動摩擦力。”

教師說：“回到剛才的實驗，我們增大拉力，木塊不動，受到的還是靜摩擦力，繼續增大拉力，木塊運動起來了，這時的彈簧測力計仍然有示數，這說明木塊運動的過程依然受到木板的摩擦力，這個摩擦力就是滑動摩擦力。”

教師問：“滑動摩擦力，我們在初中已經有了接觸，請同學們回憶一下并互相討論下，滑動摩擦力產生的條件是什么，它的方向有什么特點？”

學生回答：“滑動摩擦力產生條件是兩物體接觸且有彈力，兩物體間發生相對運動，接觸面粗糙;滑動摩擦力的方向與物體的運動方向相反。”

教師肯定道：“很好，同學們有沒有發現滑動摩擦力產生條件和靜摩擦力產生條件有些類似，它們的不同之處在哪里呢？”

教師說：“到了高中我們要進一步定量的描述滑動摩擦力和接觸面之間的壓力到底有什么關系？現在請同學們用微型電機傳送帶來探究一下。”

此時，學生完成實驗，記錄數據。

教師問道：“同學們，觀察記錄的數據表格，你們有什么發現？”

學生回答：“物體所受的滑動摩擦力和壓力成正比，比例系數接近一個定值。”

教師解釋：“在誤差允許的范圍內，我們可以認為比例系數是一個定值，我們把它稱為動摩擦因數。滑動摩擦力大小和接觸面之間的正壓力成正比，比例常數我們稱為動摩擦因數，與物體之間的接觸材料和接觸面的粗糙程度有關。”

教師問道：“學完了滑動摩擦力，請同學們思考這樣一個問題，在相同的條件下，最大靜摩擦力和滑動摩擦力誰大呢？我們用記憶彈簧秤比對，當拉力達到某一數值時木塊開始滑動，此時拉力會突然變小。滑動以后的示數有沒有最大靜摩擦力大？”

學生回答：“沒有。”

教師繼續說：“接下來，大家看大屏幕，這可以看出最大靜摩擦力比滑動摩擦力要大。”

實驗結束后，我們得到了同樣的結論，那就是滑動摩擦力比最大靜摩擦力稍小。

教師引導學生：“我們身邊存在大大小小、形形色色的摩擦力，只要注意觀察便能找出許多，你能舉出幾個例子嗎？再構想一下，如果這個世界沒有摩擦力，將是怎樣的一番情景？”

學生1回答：“溜冰、拖動桌子的時候都能感受到摩擦力，汽車輪胎與地面也有摩擦力，如果沒有摩擦力，每天都會有車禍發生。”

學生2回答：“人走路的時候也有摩擦力，打籃球的時候，如果沒有摩擦力，手就抓不住籃球了。”

教師繼續說：“可以說，摩擦力在生活中處處存在。”接著，教師可展示劉翔跨欄和F1賽車的視頻，分析劉翔起跑后的后蹬腳和賽車啟動后驅動輪所受摩擦力的情況。”

教師總結：“摩擦力有時是有益，有時是有害的。所以在生活中，我們要學會利用摩擦力解決問題。”

參考文獻：

[1]廖伯琴.《普通高中物理課程標準》（2017年版）要點解讀[J].物理教學，2020（2）.

（作者單位：吉林師范大學）