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基于“5E”教學模式的高中物理“摩擦力”教學設計嘗試

2020-04-10 11:01劉艷梅徐曉梅
物理教學探討 2020年2期
關鍵詞:刷毛測力計重物

劉艷梅 徐曉梅

摘 ?要:“5E”教學模式是一種基于建構主義提出的教學模式,強調在教學過程中充分發(fā)揮學生的主體作用,讓學生自主建構知識。文章基于“5E”教學模式,對高中物理“摩擦力”課題進行了教學設計。教學設計通過小組合作的方式讓學生自主探究摩擦力的方向和大小,交流解釋實驗結果,并引導學生進行遷移,培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)。

關鍵詞:“5E”教學模式;摩擦力;自主探究

中圖分類號:G633.7 文獻標識碼:A ? ?文章編號:1003-6148(2020)2-0032-5

“5E”教學模式包括:參與(Engagement)、探究(Exploration)、解釋(Explanation)、遷移(Elaboration)、評價(Evaluation)5個環(huán)節(jié)?!?E”教學模式與傳統(tǒng)的教學模式不同,它提倡教師引導學生自主探究并建構知識體系,將以知識傳輸為導向的傳統(tǒng)課堂轉變?yōu)橐耘囵B(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)為導向的課堂[1]?!澳Σ亮Α闭n題的重點內容是探究摩擦力的方向和大小。嘗試通過在教學過程中實施“5E”教學模式,以小組合作的方式組織學生自主探究“摩擦力”課題,深化學生對“摩擦力”的理解,培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)。

1 ? ?“摩擦力”教學設計嘗試

在對教材及學情進行分析的基礎上,將教學內容與培養(yǎng)學生物理學科核心素養(yǎng)的要求相結合,制定出教學目標。同時對教學內容的重難點進行分析,并在教學過程中實施“5E”教學模式的各個環(huán)節(jié),落實對學生物理學科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。教學設計如圖1所示。

1.1 ? ?教材分析

“摩擦力”選自人教版高中物理必修1第三章《相互作用》的第三節(jié),其內容主要包括兩個部分:探究摩擦力的方向和大小?!澳Σ亮Α辈粌H是高中力學部分的重點和難點,也是高考的熱點。從課程內容來看,摩擦力屬于兩個物體間的相互作用。從課程前后順序來看,前兩節(jié)內容分別是“重力”和“彈力”,本節(jié)內容需要明析在計算滑動摩擦力大小的公式中壓力不等于重力,其性質屬于彈力,因此學生必須以前兩節(jié)的知識作為學習“摩擦力”的基礎。

1.2 ? ?學情分析

學生在初中階段已經初步學習了“摩擦力”,并且生活中對摩擦現(xiàn)象也有一定感知。對于滑動摩擦現(xiàn)象,學生可直接觀察出物體發(fā)生相對運動。但對于靜摩擦現(xiàn)象,物體雖然有相對運動的趨勢,卻仍處于靜止狀態(tài),現(xiàn)象比較抽象,學生難以理解。高中物理新課標中要求學生認識摩擦力,知道靜摩擦和滑動摩擦現(xiàn)象,并且能用動摩擦因數(shù)計算滑動摩擦力的大小。在高中階段,學生理解摩擦力應該和受力分析相結合,為學習動力學知識打下基礎。

1.3 ? ?教學目標

將課程目標與培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)的要求相結合,制定教學目標(見表1)。

1.4 ? ?教學重點與難點

(1)重點:

①探究摩擦力的方向和大小;

②判斷是否存在靜摩擦力;

③計算摩擦力的大小。

(2)難點:

①探究摩擦力的方向和大小的實驗過程;

②對物體有相對運動趨勢的理解;

③判斷是否存在靜摩擦力。

1.5 ? ?教學過程

1.5.1 ? ?參與——創(chuàng)設情境

感知活動:①用水平拉力拉動重物;②在重物底部粘上砂紙,用水平拉力拉動重物。均使重物做速度為v0的勻速直線運動(如圖2所示)。

師:為什么拉力F2大于F1?

生:重物底部粘上砂紙,增大了接觸面的粗糙程度,使重物受到的阻礙增大。

知識回顧:當兩個物體相互接觸時,如果它們具有相對運動的趨勢或者發(fā)生相對運動,在接觸面上就會產生阻礙相對運動趨勢或者相對運動的力,這種有阻礙作用的力就叫做摩擦力。請結合生活經驗列舉摩擦現(xiàn)象。

生:傳送帶運輸物資、用手拿杯子、刷牙、推箱子……

師:摩擦力屬于常見的力,我們可以從力的三要素出發(fā)對摩擦力進行研究。

【設計意圖】 參與是“5E”教學模式的起始環(huán)節(jié)。通過感知活動讓學生感知摩擦力,加深對“相對”的理解。在物理教學中通過提高學生的實踐意識來培養(yǎng)學生的物理核心素養(yǎng),從學生熟悉的情境出發(fā),采用生活圖片或實踐性問題來激活學生的思維,讓學生對物理概念有一個初步的認知,并以此為基礎開展實驗,深化學生對物理觀念的理解[2]。

1.5.2 ? ?探究——設計實驗

采取小組合作的方式,探究摩擦力(靜摩擦力、滑動摩擦力)的方向和大小。

(1)探究摩擦力的方向

實驗儀器:一把刷毛較柔軟的牙刷、一塊木板。

實驗步驟:將牙刷按壓在木板上,逐漸加大推力,沿水平方向向右推動牙刷,使牙刷有相對木板運動的趨勢直至發(fā)生相對運動,并仔細觀察刷毛彎曲的方向。

分析 如圖3所示,刷毛上端受到水平向右的推力F,下端與木板的接觸面上受到水平向左的摩擦力f。刷毛彎曲的方向就代表刷毛受到的摩擦力的方向。

引導學生總結:摩擦力的作用點位于兩個物體的接觸面上。摩擦力的方向總是沿著接觸面,并且與物體相對運動趨勢或者相對運動方向相反。

由于滑動摩擦力的方向在很多情況下與物體運動方向相反,學生在學習滑動摩擦力時,就誤以為滑動摩擦力的方向總是與物體運動方向相反,并形成思維定勢[3]。

師:進一步探究摩擦力的方向與運動方向是否有關?

實驗方案:分別標記出牙刷在木板以及桌面的位置,沿水平方向向右快速拉動木板一段距離。當木板停止運動后,以標記為參考:牙刷相對于木板向左運動,相對于桌面向右運動。

分析 如圖4所示,木板受到水平向右的拉力F、桌面給木板水平向左的摩擦力f1以及刷毛給木板水平向左的摩擦力f2三個力。刷毛則受到木板給它的水平向右的摩擦力f3。刷毛彎曲方向向右,與摩擦力f3的方向相同。

結論:刷毛彎曲方向與運動方向相同,因此摩擦力的方向與運動方向無關。

(2)探究摩擦力的大小

設計實驗:設計測量摩擦力大小的實驗方案,并進行展示交流。

方案一:如圖5所示,用拉力水平向左緩慢拉動木板上靜止的重物,使重物先對木板有相對運動的趨勢后再做勻速直線運動,觀察并記錄彈簧測力計的示數(shù)。

分析 重物在拉力與摩擦力的共同作用下保持平衡狀態(tài)。只要拉力存在,重物必定受到與拉力大小相等、方向相反的摩擦力。

方案二:如圖6所示,將與重物相連的彈簧測力計用細線連接在墻壁上,用拉力F水平向右緩慢拉動木板,使木板做勻速直線運動,觀察并記錄彈簧測力計的示數(shù)。

分析 木板在拉力F、桌面給木板的摩擦力f1、重物給木板的摩擦力f2三個力的共同作用下保持平衡狀態(tài)。重物在摩擦力f3與墻面對重物的拉力的共同作用下保持平衡狀態(tài)。

師:在實施實驗方案過程中有什么問題嗎?嘗試同伴間相互交流,解決問題。

生:

方案一:拉動重物在木板上運動時,彈簧測力計的示數(shù)不穩(wěn)定,很難進行讀數(shù),并且很難保證讓重物做勻速直線運動。

方案二:保持彈簧測力計不動,讀數(shù)更穩(wěn)定、準確。

【設計意圖】 探究是“5E”教學模式的中心環(huán)節(jié)。讓學生先探究摩擦力的方向再探究其大小,符合學生認識力的感知順序。通過觀察刷毛的彎曲方向得出摩擦力的方向,相較于利用二力平衡知識更直觀。將靜摩擦力與滑動摩擦力的方向和大小一同探究,不僅避免重復探究方向的問題,還加深了學生對摩擦力“靜中有動、動中有靜”本質的理解。

1.5.3 ? ?解釋——搜集信息

師:觀察探究摩擦力大小的實驗中彈簧測力計示數(shù)的變化,有什么發(fā)現(xiàn)?

生:當重物有相對運動的趨勢時,彈簧測力計的示數(shù)慢慢增大。當增大到一定值時,重物發(fā)生相對運動,彈簧測力計的示數(shù)會略微減小。

引導學生總結:靜摩擦力的增大有一定限度,靜摩擦力的最大值在數(shù)值上等于物體剛開始運動時的拉力,其取值范圍為:0

師:猜想有哪些因素會影響摩擦力(靜摩擦力、滑動摩擦力)的大?。?/p>

生:接觸面的粗糙程度、所受壓力的大小、物體間接觸面積的大小……

實驗裝置原型如圖7所示。利用控制變量法,探究學生猜想的因素是否會影響摩擦力的大小。

(1)改變木板上表面的粗糙程度,觀察彈簧測力計的示數(shù);

(2)在重物上方加不同質量的砝碼,改變木板所受的壓力,觀察彈簧測力計的示數(shù);

(3)用重物的不同側面與木板接觸,改變接觸面積的大小,觀察彈簧測力計的示數(shù)。

結論:摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度、所受壓力的大小有關,與接觸面積的大小無關。

師:利用第二組實驗數(shù)據(jù)(滑動摩擦力、壓力的數(shù)值)作圖,觀察圖像特點。

生:圖像是正比例函數(shù)。說明滑動摩擦力的大小跟壓力成正比。

師:如果用F表示滑動摩擦力的大小,F(xiàn)N表示壓力的大小,可得F=μFN。

難點辨析:如圖8所示,壓力不等于物體所受的重力。壓力FN的方向總與接觸面垂直并指向受力物體。而重力G的方向始終豎直向下。

【設計意圖】 解釋是“5E”教學模式的關鍵環(huán)節(jié)。通過讓學生觀察在探究靜摩擦力的大小時,彈簧測力計示數(shù)的變化,讓學生感知物體從有相對運動的趨勢到發(fā)生相對運動,掌握靜摩擦力的變化范圍。再運用控制變量法探究影響摩擦力大小的因素,最后通過讓學生將滑動摩擦力與壓力的數(shù)值進行作圖,自主得出壓力與滑動摩擦力成正比關系。

1.5.4 ? ?遷移——學以致用

(1)判斷是否存在摩擦力(見表2)

(2)計算摩擦力大小的方法

如圖9所示,質量為m1的重物在質量為m2的木板上向左運動,取重物的運動方向為正方向。重物與木板間的動摩擦因數(shù)為μ1,木板與地面間的動摩擦因數(shù)為μ2,若木板仍處于靜止狀態(tài),則木板受到地面摩擦力的大小為( ? ? ? )

A. μ1m1g+μ2m2g

B. μ1(m1+m2)g

C. μ1m1g

D. μ2m1g

生:選C選項。重物在木板上運動時受到一個方向向右、大小為μ1m1g的滑動摩擦力,因此,木板必將受到一個方向相反、大小相等的摩擦力。但木板仍處于靜止(平衡狀態(tài)),必將受到地面給它的一個方向向右、大小為μ1m1g的靜摩擦力。

總結計算摩擦力大小的方法(以物體間具有相對運動趨勢為前提),如圖10所示。

【設計意圖】 遷移是“5E”教學模式的應用環(huán)節(jié)。通過引入典型例題的方法,讓學生在學會應用摩擦力相關知識的基礎上進行知識擴展。對判斷是否存在摩擦力以及計算摩擦力大小的方法進行總結,為學生提供解決問題的參考途徑。

1.5.5 ? ?評價——反思、強化 (圖11)

【設計意圖】 評價是“5E”教學模式的反思環(huán)節(jié)。將評價貫穿于整個教學過程,教師通過多元的評價方式及時對學生的表現(xiàn)給予評價,引導學生高效完成學習任務的同時,培養(yǎng)學生的物理學科核心素養(yǎng)。

2 ? ?教學反思

在教學中采用以小組合作自主探究方式為主的“5E”教學模式,落實了以學生為主體的培養(yǎng)目標。對于本節(jié)課的重點、難點內容,在教學過程中要充分調動學生的學習積極性,只有學生有了學習的興趣,才會積極、主動地探究物理知識;還需要教師幫助學生通過突破相關的典型例題,讓學生在鞏固的基礎上提升理解。教師在引導學生學習“摩擦力”課題時,還應該多結合生活實際,設計出符合學生認知發(fā)展規(guī)律的教學過程,促進教學相長。

參考文獻:

[1]吳敏,劉霽華.基于核心素養(yǎng)培養(yǎng)的物理課堂重構——以“摩擦力”教學為例[J].中學物理教學參考,2018,47(10):44-46.

[2]姚小琴,蔡才福.創(chuàng)設情境 化解摩擦力難點[J].物理教師,2018,39(9):81-82.

[3]徐超,盛云生.從2017年江蘇高考14題談靜摩擦力與滑動摩擦力的區(qū)別[J].物理教學,2018,40(9):55-56.

[4]曲一線.5年高考3年模擬[M].北京:首都師范大學出版社,2017:19-21.

(欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊)

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