朱琴 曾秀

摘 要： 本文旨在對“摩擦力”一課進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，用數(shù)字實(shí)驗(yàn)解決常規(guī)實(shí)驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的疑難實(shí)驗(yàn)問題，利用信息技術(shù)工具便捷地解決物理學(xué)習(xí)問題.通過創(chuàng)設(shè)情境，問題引領(lǐng)，讓學(xué)生經(jīng)歷完整的探究過程，實(shí)現(xiàn)以學(xué)生為主體，發(fā)展培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的目標(biāo).

關(guān)鍵詞： 核心素養(yǎng);摩擦力;教學(xué)設(shè)計(jì)

文章編號(hào)： 1008-4134（2019）23-0042 ? ? 中圖分類號(hào)： G633.7 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（2017年版）（以下簡稱《新課標(biāo)》）指出：注重物理課程對立德樹人根本任務(wù)的落實(shí)，切實(shí)將物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)貫穿在物理課程的設(shè)計(jì)和實(shí)施中.在物理課堂中如何落實(shí)培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的目標(biāo)，是物理教育研究與教學(xué)實(shí)踐討論的熱點(diǎn)，也是以立德樹人及核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的基礎(chǔ)教育改革實(shí)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(xué)背景分析

1.1 課標(biāo)分析

《新課標(biāo)》要求學(xué)生認(rèn)識(shí)重力、彈力與摩擦力.知道滑動(dòng)摩擦和靜摩擦現(xiàn)象，能用動(dòng)摩擦因數(shù)計(jì)算滑動(dòng)摩擦力的大小.

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)解讀》（2017年版）指出，初中物理已經(jīng)學(xué)習(xí)了摩擦力的初步知識(shí)，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(yīng)該和受力分析的需要相吻合.在初中“影響滑動(dòng)摩擦力的因素”知識(shí)的基礎(chǔ)上，把滑動(dòng)摩擦力跟接觸面性質(zhì)的關(guān)系上升為定量要求，要求知道動(dòng)摩擦因數(shù)的概念，并用公式f=μFN

計(jì)算滑動(dòng)摩擦力的大小，理解公式中的FN是接觸面的壓力，性質(zhì)上屬于彈力.關(guān)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(diǎn)，又是后面處理物體的平衡和動(dòng)力學(xué)問題所必需的知識(shí)，是分析力學(xué)問題的基礎(chǔ)之一.對該內(nèi)容的掌握程度直接影響到學(xué)生運(yùn)用牛頓運(yùn)動(dòng)定律、動(dòng)能定理以及摩擦力做功等知識(shí)解決相關(guān)物理問題的能力.摩擦力的有無、方向判斷、大小計(jì)算，對學(xué)生來說都是難點(diǎn).學(xué)習(xí)摩擦力，首先要研究它產(chǎn)生的條件，理解運(yùn)動(dòng)、相對運(yùn)動(dòng)、相對運(yùn)動(dòng)趨勢等概念，學(xué)生才能判斷摩擦力的有無，判斷摩擦力的方向，進(jìn)而討論摩擦力的大小.

1.3 學(xué)情分析

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

從能力層面來講，學(xué)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(rèn)識(shí)上升到理性認(rèn)識(shí)，具備了一定的分析問題、解決問題及對問題進(jìn)行反省的能力，這為本節(jié)學(xué)習(xí)做好了能力準(zhǔn)備.學(xué)生對摩擦力具有比較豐富的感性認(rèn)識(shí)，對做物理實(shí)驗(yàn)興趣較高，但他們學(xué)習(xí)高中物理時(shí)間不長，思維的深度有限，對實(shí)驗(yàn)的目的性理解不強(qiáng)，對設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(dǎo).

從認(rèn)知困難上講，學(xué)生在生活中能接觸到大量有關(guān)摩擦力的現(xiàn)象和問題，在初中也進(jìn)行了初步的學(xué)習(xí)，但對摩擦力的認(rèn)識(shí)和理解還停留在生活經(jīng)驗(yàn)上，甚至有錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，如存在認(rèn)為運(yùn)動(dòng)方向和相對運(yùn)動(dòng)方向是一回事;受靜摩擦力的物體一定是靜止的，受滑動(dòng)摩擦力的物體一定是運(yùn)動(dòng)的等前概念.這就要求教師通過實(shí)驗(yàn)探究和對實(shí)例的分析，徹底澄清錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，讓學(xué)生真正理解摩擦力.

2 重難點(diǎn)分析

教學(xué)重點(diǎn)：靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力的產(chǎn)生條件;靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力的方向判斷;滑動(dòng)摩擦力的大小計(jì)算.

教學(xué)難點(diǎn)：靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力的有無判斷、方向判斷.

3 教學(xué)目標(biāo)

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

經(jīng)歷靜摩擦力的大小實(shí)驗(yàn)探究，掌握靜摩擦力的最大值及其變化范圍;探究滑動(dòng)摩擦力大小的影響因素，總結(jié)出滑動(dòng)摩擦力的計(jì)算公式，并學(xué)會(huì)用其計(jì)算滑動(dòng)摩擦力的大小.

經(jīng)歷系列探究活動(dòng)的過程，體會(huì)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(dòng)，體驗(yàn)科學(xué)探究的過程，體會(huì)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律的樂趣，領(lǐng)悟科學(xué)探究中尊重事實(shí)、大膽猜想、嚴(yán)格求證的科學(xué)態(tài)度.

4 教學(xué)過程

4.1 創(chuàng)設(shè)情境

[教師活動(dòng)]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(xué)生上臺(tái).提出問題：能把書拔開嗎？

[學(xué)生活動(dòng)]兩位力氣大的男同學(xué)上臺(tái)使勁拔書.

[教師活動(dòng)]提出問題并引導(dǎo)學(xué)生作出回答：結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)談?wù)勀Σ亮?并明確教學(xué)要求，繼續(xù)深入研究摩擦力.

[學(xué)生活動(dòng)]結(jié)合初中所學(xué)摩擦力內(nèi)容，回顧生活體驗(yàn)進(jìn)行回答.

[設(shè)計(jì)意圖]在實(shí)際情境中親身體會(huì)摩擦力.回顧所學(xué)知識(shí)，溫故而知新.

4.2 實(shí)驗(yàn)直觀展示圖象，引導(dǎo)學(xué)生建立理想過程模型

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

[學(xué)生活動(dòng)]動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，觀察、思考、討論后回答問題，并請一組同學(xué)進(jìn)行分享.

現(xiàn)象：彈簧測力計(jì)讀數(shù)增大，增大到某一峰值時(shí)木塊啟動(dòng)，木塊啟動(dòng)后彈簧測力計(jì)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(dòng)摩擦力不變，最大靜摩擦力略大于滑動(dòng)摩擦力.

[教師活動(dòng)]傳感器測量活動(dòng)（如圖 2）.教師介紹實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)：用力傳感器代替彈簧測力計(jì)測力，用電機(jī)代替手拉動(dòng)木塊.

教師要強(qiáng)調(diào)木塊從靜止到勻速運(yùn)動(dòng)整個(gè)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(biāo)，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示摩擦力.

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，提出問題; 傳感器測量的摩擦力實(shí)驗(yàn)圖象和我們前面的實(shí)驗(yàn)體會(huì)是否一致？

在學(xué)生回答一致后，教師提問進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生思考：圖象中哪里表示靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力？靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力的大小如何變化？圖象中的尖峰代表什么？滑動(dòng)摩擦力的大小波動(dòng)的原因？最大靜摩擦力和滑動(dòng)摩擦力的大小關(guān)系？

[學(xué)生活動(dòng)]觀察分析圖象特征，思考問題，并回答.在教師的引導(dǎo)中得出結(jié)論：

（1）尖峰之前是靜摩擦力，之后是滑動(dòng)摩擦力.

（2）靜摩擦力的大小隨拉力的增大而增大，滑動(dòng)摩擦力的大小基本不變.

（3）尖峰表示最大靜摩擦力.

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

（5）最大靜摩擦力略大于滑動(dòng)摩擦力.

請一位同學(xué)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(dòng)]提出問題并引導(dǎo)學(xué)生作出回答：靜摩擦力的產(chǎn)生條件？

[學(xué)生活動(dòng)]結(jié)合實(shí)驗(yàn)歸納出產(chǎn)生條件：（1）接觸且有擠壓;（2）粗糙;（3）有相對運(yùn)動(dòng)趨勢.

[教師活動(dòng)]強(qiáng)調(diào)這三個(gè)條件要同時(shí)滿足，缺一不可.

[設(shè)計(jì)意圖]引導(dǎo)學(xué)生用課本實(shí)驗(yàn)，人人動(dòng)手，通過認(rèn)真觀察和分析，認(rèn)識(shí)到靜摩擦力的存在，也為總結(jié)出靜摩擦力產(chǎn)生的條件提供感性認(rèn)識(shí).書本上談到最大靜摩擦力略大于滑動(dòng)摩擦力，但是用彈簧測力計(jì)測摩擦力這一傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)很難觀察到這個(gè)現(xiàn)象，通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，使用傳感器測量讓學(xué)生能直觀地看到最大靜摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足.使用直觀的圖象證明，也增強(qiáng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí).引導(dǎo)學(xué)生把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)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(jìn)而畫出理想情況下的摩擦力圖象，培養(yǎng)學(xué)生抽象、建立理想化模型的能力.引導(dǎo)學(xué)生歸納靜摩擦力產(chǎn)生條件，培養(yǎng)學(xué)生的概括能力.

4.3 對比實(shí)驗(yàn)顯化運(yùn)動(dòng)趨勢，突破靜摩擦力方向判斷教學(xué)難點(diǎn)

[教師活動(dòng)]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(yùn)動(dòng)趨勢？靜摩擦力的方向？

[學(xué)生活動(dòng)]分析思考，回答問題：第二種和第三種情況有相對運(yùn)動(dòng)的趨勢，物體想動(dòng)而沒有動(dòng).

[教師活動(dòng)]教師將手機(jī)磨砂殼面與斜面接觸放在斜面上，手機(jī)靜止;再把手機(jī)膜面接觸斜面放在同一斜面上，手機(jī)下滑.歸納總結(jié)，夯實(shí)基礎(chǔ)：判斷相對運(yùn)動(dòng)趨勢的方法以及靜摩擦力的方向.

[學(xué)生活動(dòng)]觀察對比實(shí)驗(yàn)，聽老師講解，思考并記錄筆記.

判斷相對運(yùn)動(dòng)趨勢的方法：（1）平衡態(tài)法;（2）假設(shè)光滑法.

靜摩擦力的方向：與相對運(yùn)動(dòng)趨勢方向相反.

[設(shè)計(jì)意圖]相對運(yùn)動(dòng)趨勢是一種想動(dòng)而沒動(dòng)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(shè)光滑法能間接推斷相對運(yùn)動(dòng)趨勢的有無和方向.通過演示實(shí)驗(yàn)：把手機(jī)放置在斜面上，但是接觸面由粗糙變?yōu)楣饣?，通過對比實(shí)驗(yàn)來顯化相對運(yùn)動(dòng)趨勢，幫助學(xué)生突破難點(diǎn).

4.4 問題情境引發(fā)認(rèn)知沖突，糾正滑動(dòng)摩擦力方向判斷的錯(cuò)誤認(rèn)知

[教師活動(dòng)]引導(dǎo)學(xué)生類比靜摩擦力產(chǎn)生條件，歸納得出滑動(dòng)摩擦力的產(chǎn)生條件.

[學(xué)生活動(dòng)]運(yùn)用類比的方法得出滑動(dòng)摩擦力的產(chǎn)生條件：（1）接觸且有擠壓;（2）粗糙;（3）有相對運(yùn)動(dòng).

[教師活動(dòng)]先提出問題：同學(xué)們初中學(xué)習(xí)過，應(yīng)該還記得滑動(dòng)摩擦力的方向與相對運(yùn)動(dòng)方向相反，能改成與運(yùn)動(dòng)方向相反嗎？讓學(xué)生小組討論，在學(xué)生猶豫的情況下，演示木塊-木板相對運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)：把物體放在木板上，木板放在桌子上，分別用紅色標(biāo)記出它們此刻的位置，快速拉動(dòng)木板.提出問題：滑動(dòng)摩擦力的方向與物體運(yùn)動(dòng)方向相反嗎？

[學(xué)生活動(dòng)]在教師的引導(dǎo)下，思考問題，仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并分析：物體向右運(yùn)動(dòng)，相對木板向左運(yùn)動(dòng)，物體受到的滑動(dòng)摩擦力向右，滑動(dòng)摩擦力的方向與物體運(yùn)動(dòng)方向相同，與相對運(yùn)動(dòng)方向相反.

[設(shè)計(jì)意圖]學(xué)生往往把物體的相對運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)方向混為一談，針對這個(gè)錯(cuò)誤概念，首先創(chuàng)設(shè)問題情境，產(chǎn)生認(rèn)知沖突.然后呈現(xiàn)物體-木板演示實(shí)驗(yàn)，當(dāng)用手拉動(dòng)木板時(shí)，也帶動(dòng)物體一起運(yùn)動(dòng)，但是物體相對木板向后運(yùn)動(dòng).物體的運(yùn)動(dòng)方向和相對運(yùn)動(dòng)方向不一致，發(fā)生了分離.歸納總結(jié)出滑動(dòng)摩擦力的方向與相對運(yùn)動(dòng)方向相反.通過直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，糾正學(xué)生對運(yùn)動(dòng)方向與相對運(yùn)動(dòng)方向的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，促進(jìn)深度學(xué)習(xí).

4.5 實(shí)驗(yàn)探究滑動(dòng)摩擦力大小影響因素

[教師活動(dòng)]提出問題：滑動(dòng)摩擦力的大小與哪些因素有關(guān)？總結(jié)學(xué)生回答的可能因素：壓力、接觸面粗糙程度、面積、運(yùn)動(dòng)速度等.明確重點(diǎn)研究壓力與滑動(dòng)摩擦力的大小關(guān)系.

[學(xué)生活動(dòng)]對影響因素進(jìn)行合理猜想.

[教師活動(dòng)]提出問題，組織分組討論與集體分享：同學(xué)們能設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案探究滑動(dòng)摩擦力和正壓力的大小關(guān)系嗎？分析學(xué)生提出的常規(guī)方案的缺點(diǎn)，引導(dǎo)改進(jìn)，展示改進(jìn)方案的實(shí)驗(yàn)裝置圖.

[學(xué)生活動(dòng)]思考、討論后回答問題，并請一組同學(xué)進(jìn)行展示.通過學(xué)生之間交流與老師的指導(dǎo)，得出實(shí)驗(yàn)方案：用彈簧測力計(jì)測木塊的滑動(dòng)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(dòng)]實(shí)驗(yàn)操作演示及提醒操作注意事項(xiàng).巡回指導(dǎo)，解決問題.

[學(xué)生活動(dòng)]小組合作，實(shí)驗(yàn)探究，收集數(shù)據(jù)，獲取證據(jù).

[教師活動(dòng)]引導(dǎo)學(xué)生畫出f滑-N圖象，兩組實(shí)驗(yàn)圖象如圖 5，比較兩組學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).提出問題：同學(xué)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(xué)生活動(dòng)]兩組學(xué)生展示小組實(shí)驗(yàn)?zāi)緣K底部材料，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入Excel表格，得出f滑-N圖象.兩組實(shí)驗(yàn)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(dòng)]引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)和陳述實(shí)驗(yàn)結(jié)論：f滑=μN(yùn).比例系數(shù)代表μ，叫做動(dòng)摩擦因數(shù)，代表接觸面的材料的粗糙程度，無單位.

[學(xué)生活動(dòng)]聽老師講解，并記錄筆記.

[教師活動(dòng)]請同學(xué)們課后繼續(xù)探究不同面積，不同速度等因素.

[學(xué)生活動(dòng)]課后繼續(xù)思考探究不同面積，不同速度等因素.

[設(shè)計(jì)意圖]經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和篩選，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力.通過學(xué)生動(dòng)手、動(dòng)腦，團(tuán)隊(duì)合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，增強(qiáng)證據(jù)意識(shí)，培養(yǎng)動(dòng)手、溝通、合作的能力，分析、評估科學(xué)證據(jù)的能力，信息技術(shù)和信息處理能力.基于證據(jù)和邏輯對研究的問題進(jìn)行準(zhǔn)確表述.讓學(xué)生課后繼續(xù)探究，培養(yǎng)學(xué)生主動(dòng)探究的科學(xué)態(tài)度.

5 教學(xué)反思

觀察和實(shí)驗(yàn)是學(xué)生認(rèn)識(shí)物理世界，獲取物理知識(shí)的重要途徑， 是發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維的前提條件，在“摩擦力”教學(xué)中，只有在“以觀察和實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ) ”，結(jié)合教法的改進(jìn)上下功夫， 才能改變其難教、難學(xué)的局面.為了突破難點(diǎn)，在本節(jié)的教學(xué)中，首先注意從實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、改進(jìn)入手，緊緊圍繞教學(xué)目的，循序漸進(jìn)地從演示設(shè)疑、定項(xiàng)觀察、分步研究、加深體驗(yàn)去安排一組順序?qū)嶒?yàn)，以增強(qiáng)學(xué)生的感性知識(shí)為突破口，并融合講授中的分析點(diǎn)撥、歸納綜合等常用的教學(xué)方法，使其有力地為突破教學(xué)的重點(diǎn)、難點(diǎn)服務(wù).

在幫助學(xué)生理解相對運(yùn)動(dòng)趨勢、區(qū)別運(yùn)動(dòng)和相對運(yùn)動(dòng)概念、最大靜摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力的教學(xué)中，通過演示實(shí)驗(yàn)把相對運(yùn)動(dòng)趨勢顯性化，把物體的運(yùn)動(dòng)和相對運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)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(dòng)摩擦力的大小，將抽象的概念和規(guī)律通過具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)圖象展示在學(xué)生面前.

在滑動(dòng)摩擦力的大小和哪些因素有關(guān)的教學(xué)中，教材通過彈簧測力計(jì)水平拉動(dòng)滑塊使滑塊勻速直線運(yùn)動(dòng)，從而得出滑動(dòng)摩擦力的大小等于彈簧測力計(jì)示數(shù).這種理論上可行的辦法實(shí)際操作中則很難完成.筆者通過自制教具創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，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(jié)論，真實(shí)再現(xiàn)一個(gè)探究的全過程.這也符合《新課標(biāo)》所提倡的重視科學(xué)探究能力的培養(yǎng)和信息技術(shù)的應(yīng)用.

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（收稿日期：2019-08-14）