基于学生思维发展顺序的摩擦力课堂教学

杜娟　王林

摘  要 學生的思维发展水平经历由低级到高级的认知过程。使用探究策略和交互策略，借助实验仪器进行摩擦力教学，目的就是用这种方法将学生对原有摩擦力的现象学习提升到对摩擦力本质的学习，学会解决实际问题。

关键词 摩擦力;学生思维发展;实验仪器;高中物理

中图分类号：G633.7    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）01-0076-03

1 前言

皮亚杰的认知发展阶段论认为，在儿童成长过程中，认知发展是有阶段性的，不同阶段之间的认知水平有着质的区别[1]。同理，学生在学习具体物理知识过程中，其思维水平也经历由低级认知到高级思维的一系列阶段，教师可以根据学生对具体物理问题的回答来进行判断和评价，从而监控学生的思维层次[1]。

高中学生的认知发展是有阶段性的，符合这一理论，可以根据学生的思维发展由简单到复杂的顺序来设计教学过程，因为教学就是一个从简单到复杂的过程，这与学生的思维发展顺序是相一致的，通过这个过程可以实现学生思维结构的转变，实际上也就是实现了预设的教学目标。下面以人教版《高中物理》（必修一）第三章第三节“摩擦力”为例来说明。

2 教学目标

知识与技能  知道什么是静摩擦力，会用二力平衡原理判断其大小和方向;知道最大静摩擦力;知道滑动摩擦力的概念、产生条件，会判断其方向，会运用滑动摩擦力的公式进行计算;能够用所学摩擦力的知识解决实际问题。

过程与方法  通过观察实验现象得出实验规律;通过对控制变量法在探究实验中的运用，学会使用物理方法，学会设计实验;能够通过探究的过程总结摩擦力的概念和特点，学会分析实际问题。

情感态度与价值观  通过探究实验的形式，让学生参与思考分析、记录数据、整理结论的过程，培养学生实事求是、严谨的科学态度;通过分组实验的形式，培养学生的合作意识，培养学生学习的主动性和积极性。

3 学情分析

通过初中阶段的学习，学生对摩擦力有一些感性认识，如“箱子推而不动”“手握瓶子不会掉下”，从这些现象中能够分析出是因为有静摩擦力的存在;而且已经通过定性的研究，知道滑动摩擦力和表面有关。这些都是学生所具备的前概念，因此，借助实验得出摩擦力概念的难度不是很大;但是由实验现象总结实验规律对于学生来说有一定的难度，需要教师引导。在教学中，教师要学会用物理的思想引导学生去分析问题，通过学生的亲身实践体会探索真知的必要性。

4 教学策略

探究策略  采用科学探究的教学形式让学生体会运用物理思维解决物理问题的过程。借助实验仪器（图1）为学生思维发展创造条件，通过实验仪器定性的描述摩擦力，定量地计算摩擦力。

交互策略  通过师生对话的形式引出问题，带领学生思考问题，引导学生通过旧知和实验现象总结实验规律。以学生合作为主，以教师指导为辅，让学生互相交流，合作制订实验计划，进行实验操作，得出实验结论。

5 教学设计

活动一：通过实验认识静摩擦力  这一教学环节以实施交互策略为主，学生刚开始接触新的实验仪器，教师需要通过提问和实验现象引导学生学会观察实验现象，总结实验规律。

教师将物块放在水平轨道的最左端，用细绳将物块和弹簧测力计相连（注意：保持细线水平且弹簧测力计处于零刻度线处），开始缓慢摇动手柄。提出问题：弹簧测力计示数发生变化，但物块为什么不动？学生上台试一试，近距离观察。

生：物块处于静止状态。

师：很好。我们知道物块静止是因为受力平衡，那么物块在水平方向上受到什么力？

生：拉力和摩擦力。

师：拉力由绳子提供，绳子与弹簧测力计通过定滑轮相连。由于定滑轮只改变力的方向，不改变力的大小，因此，弹簧测力计上的示数实际上是物块所受拉力的大小，那么摩擦力如何产生？

生：在物块与水平轨道之间产生了摩擦力，并且摩擦力的方向与拉力方向相反，这样才能够保证物块受力平衡且处于静止状态。

师：绳子拉物块，物块具有沿绳子方向的运动趋势但没有动，说明物块与水平轨道之间产生一个阻碍物块的力，我们把这个力称为静摩擦力。

静摩擦力的概念：在相互接触且挤压的物体之间，且具有一定粗糙程度的接触面上产生一个阻碍相对运动趋势的力，这个力就叫作静摩擦力。

师：继续摇动手柄，发现弹簧测力计的示数又变化了，但物块还是没有动，说明拉力与静摩擦力之间满足什么关系呢？

生：静摩擦力的大小与拉力大小相等，方向相反。

师：非常好。这就是计算静摩擦力大小的公式：

f静=F拉（二力平衡原理）

师：继续摇动手柄，大家仔细观察，发现当物块滑动的瞬间，弹簧测力计的示数发生了什么变化？

生：示数有所减小。

师：此后运动的物块受到的还是静摩擦力吗？

生：不是，是滑动摩擦力。

师：这说明物块运动的瞬间所受静摩擦力具有最大值，我们把这个最大值称为最大静摩擦力：

0≤f静≤fmax

【设计意图】学生借助实验仪器，直观地看到物块虽然受到拉力作用，但依然静止在水平轨道上，说明物块与水平轨道之间具有静摩擦力。通过这个现象，学生很容易理解静摩擦力，这就是一个简单的思维过程。后面教师引入学生熟悉的二力平衡原理，将学生对静摩擦力的现象学习引入较复杂的对摩擦力的产生条件的学习，真正认识静摩擦力产生的原因。

活动二：探究水平面上滑动摩擦力与正压力和接触面材料的关系  这一教学环节以探究策略为主，并体现学生之间的交流与合作。探究水平面上滑动摩擦力与正压力和接触面材料的关系是本节课的重点和难点，如果由教师演示，学生会忽略过程而只记住结论，这对于学生真正理解滑动摩擦力没有任何意义。并且学生对于具体实际问题也不会分析，只会用记住的公式生搬硬套。

【猜想與假设】

师：还是这个仪器（图1），大家继续观察，物块在拉力的作用下沿水平轨道开始运动，物块此时受到了滑动摩擦力，请问滑动摩擦力的方向向哪？

生：与物体运动方向相反。

师：同学们，滑动摩擦力产生在物块与水平轨道之间，所以正确的表述是与物体相对运动方向相反。

滑动摩擦力概念：在相互接触且挤压的物体之间，且具有一定粗糙程度的接触面上产生一个阻碍相对运动的力，这个力就叫作滑动摩擦力。

师：注意看弹簧测力计！物块运动时所受拉力变化吗？

生：始终是不变的。

师：那么这个拉力与滑动摩擦力之间有什么关系？

生：应该相等。

师：依据什么？

生：不太清楚。

师：大家能说出相等已经非常棒了！两者大小确实相等。为什么呢？同学们仔细观察，竖直轨道向前运动的同时，物块也在运动。手柄转得快，两者速度都大;手柄转得慢，两者速度都小。不管如何改变手柄的速度，竖直轨道的速度与物块的速度都是相同的，所以它们两个相对静止。因此，选竖直轨道作为参考平面，物块就是静止的，物块静止受力平衡，所以物块所受滑动摩擦力与拉力大小相等，方向相反。

生：也就是说如果选水平轨道，只能判断滑动摩擦力的方向，但无法将滑动摩擦力与拉力建立关系。

师：是这样的。参考系的选取不只是一般意义上的地

面，而应该根据问题和情境选择合适的。

生：知道了滑动摩擦力的大小有什么意义呢？

师：物块运动后，滑动摩擦力的大小是已知量，那么你能猜想一下滑动摩擦力和什么因素有关吗？

生：可能与正压力有关？可能与接触面有关？

师：如何验证我们的猜想？

【设计实验方案与记录数据】教师提供一些器材：50 g

的钩码若干，塑料片，纸片，鼠标垫。

师：由于变量不止一个，所以我们的实验方法应该是什么？

生：控制变量法。

师：好，如何设计实验呢？大家自己动手试一试！

学生通过小组讨论，写出实验方案：保持接触面不变，探究滑动摩擦力与物块质量的关系;保持物块质量不变，探究滑动摩擦力与接触面材料的关系。

师：很好，大家依据这个实验方案开始动手实验，注意设计合理的表格记录数据，并自己做分析。

学生动手实验并记录数据（表1），教师辅助答疑。

1）保持接触面不变（已知G物块=1.4 N，G钩码=0.4 N）。

教师分析实验数据，可以看到在误差允许的范围内。因为F1/G1=F2/G2=F3/G3=F4/G4≈0.13=K（定值），并且G=

F正压力（数值上），所以F滑动摩擦力/F正压力=0.13=K，F滑动摩擦力=

KF正压力。得出结论：在接触面不变的情况下，滑动摩擦力与正压力有关，滑动摩擦力与正压力成正比。

2）保持物块质量不变。已知G物块=1.4 N，将物块依次放在不同的材料上，转动手柄，观察物块滑动后所受滑动摩擦力的大小。①水平轨道：F1=0.10 N。②纸面：F2=0.33 N。③塑料板面：F3=0.35 N。④鼠标垫面：F4=0.37 N。

教师分析实验数据，在保持物块质量不变的情况下，接触面的材料不同，物块受到的滑动摩擦力的大小不同，一般接触面越粗糙，所受的滑动摩擦力越大。把与接触面的粗糙程度和材料有关的这个量称为动摩擦因数，用μ表示。

综合上述两个实验可以得出，滑动摩擦力与动摩擦因数及正压力有关，它们之间满足关系式：F滑=μF正压力。

【设计意图】探究滑动摩擦力与正压力及动摩擦因数的关系是一个难点。学生通过物块的滑动，可以体会有滑动摩擦力的产生，这是一个简单的思维过程。但学生思维发展的难点，是不理解实验中滑动摩擦力等于拉力的大小是借助了一定的参考系的选取，只有说清楚这一点，才能打破学生的思维障碍，将学生引入较复杂的探究实验中。学生通过探究的过程，将简单的单点式的思维结构，如滑动摩擦力、正压力、接触的材料面等已有的零散的概念，借助实验仪器转变成头脑中具有相互关联性的多点结构，即建立三者之间的联系：F滑=μF正压力。

6 结语

探究策略和交互策略的实施就是借助活动、语言、观察来进行对学生思维的训练和培养。杜威认为，思维是教学的基础，也是教学的目的，教学成功的关键是要能激发儿童的思维[2]。而将科学家的探究过程与物理学科结合，也是目前所提倡的体验性认知教学模式的一种创新，这种教学形式打破了过去的“灌输式”“控制式”的教学模式，体现了“体验”和“交流与互动”。■

参考文献

[1]王较过，赵欢苗.SOLO分类理论在物理教学设计中的应用[J].当代教师教育，2012（1）：57-62.

[2]王婧，盛美玲.杜威反思性思维理论对物理教学的启示[J].现代教育科学：普教研究，2009（6）：64-65.

[3]何赛君.高中物理教学设计的研究[J].中国电化教育，2002（8）：39-41.

[4]林建富.“摩擦力”教学案例分析[J].教学与管理：理论版，2003（11）：58-59.