基于“5E”教学模式的高中物理“摩擦力”教学设计尝试

刘艳梅 徐晓梅

摘  要：“5E”教学模式是一种基于建构主义提出的教学模式，强调在教学过程中充分发挥学生的主体作用，让学生自主建构知识。文章基于“5E”教学模式，对高中物理“摩擦力”课题进行了教学设计。教学设计通过小组合作的方式让学生自主探究摩擦力的方向和大小，交流解释实验结果，并引导学生进行迁移，培养学生的物理学科核心素养。

关键词：“5E”教学模式;摩擦力;自主探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）2-0032-5

“5E”教学模式包括：参与（Engagement）、探究（Exploration）、解释（Explanation）、迁移（Elaboration）、评价（Evaluation）5个环节。“5E”教学模式与传统的教学模式不同，它提倡教师引导学生自主探究并建构知识体系，将以知识传输为导向的传统课堂转变为以培养学生物理学科核心素养为导向的课堂[1]。“摩擦力”课题的重点内容是探究摩擦力的方向和大小。尝试通过在教学过程中实施“5E”教学模式，以小组合作的方式组织学生自主探究“摩擦力”课题，深化学生对“摩擦力”的理解，培养学生的物理学科核心素养。

1    “摩擦力”教学设计尝试

在对教材及学情进行分析的基础上，将教学内容与培养学生物理学科核心素养的要求相结合，制定出教学目标。同时对教学内容的重难点进行分析，并在教学过程中实施“5E”教学模式的各个环节，落实对学生物理学科核心素养的培养。教学设计如图1所示。

1.1    教材分析

“摩擦力”选自人教版高中物理必修1第三章《相互作用》的第三节，其内容主要包括两个部分：探究摩擦力的方向和大小。“摩擦力”不仅是高中力学部分的重点和难点，也是高考的热点。从课程内容来看，摩擦力属于两个物体间的相互作用。从课程前后顺序来看，前两节内容分别是“重力”和“弹力”，本节内容需要明析在计算滑动摩擦力大小的公式中压力不等于重力，其性质属于弹力，因此学生必须以前两节的知识作为学习“摩擦力”的基础。

1.2    学情分析

学生在初中阶段已经初步学习了“摩擦力”，并且生活中对摩擦现象也有一定感知。对于滑动摩擦现象，学生可直接观察出物体发生相对运动。但对于静摩擦现象，物体虽然有相对运动的趋势，却仍处于静止状态，现象比较抽象，学生难以理解。高中物理新课标中要求学生认识摩擦力，知道静摩擦和滑动摩擦现象，并且能用动摩擦因数计算滑动摩擦力的大小。在高中阶段，学生理解摩擦力应该和受力分析相结合，为学习动力学知识打下基础。

1.3    教学目标

将课程目标与培养学生学科核心素养的要求相结合，制定教学目标（见表1）。

1.4    教学重点与难点

（1）重点：

①探究摩擦力的方向和大小;

②判断是否存在静摩擦力;

③计算摩擦力的大小。

（2）难点：

①探究摩擦力的方向和大小的实验过程;

②对物体有相对运动趋势的理解;

③判断是否存在静摩擦力。

1.5    教学过程

1.5.1    参与——创设情境

感知活动：①用水平拉力拉动重物;②在重物底部粘上砂纸，用水平拉力拉动重物。均使重物做速度为v0的匀速直线运动（如图2所示）。

师：为什么拉力F2大于F1？

生：重物底部粘上砂纸，增大了接触面的粗糙程度，使重物受到的阻碍增大。

知识回顾：当两个物体相互接触时，如果它们具有相对运动的趋势或者发生相对运动，在接触面上就会产生阻碍相对运动趋势或者相对运动的力，这种有阻碍作用的力就叫做摩擦力。请结合生活经验列举摩擦现象。

生：传送带运输物资、用手拿杯子、刷牙、推箱子……

师：摩擦力属于常见的力，我们可以从力的三要素出发对摩擦力进行研究。

【设计意图】 参与是“5E”教学模式的起始环节。通过感知活动让学生感知摩擦力，加深对“相对”的理解。在物理教学中通过提高学生的实践意识来培养学生的物理核心素养，从学生熟悉的情境出发，采用生活图片或实践性问题来激活学生的思维，让学生对物理概念有一个初步的认知，并以此为基础开展实验，深化学生对物理观念的理解[2]。

1.5.2    探究——设计实验

采取小组合作的方式，探究摩擦力（静摩擦力、滑动摩擦力）的方向和大小。

（1）探究摩擦力的方向

实验仪器：一把刷毛較柔软的牙刷、一块木板。

实验步骤：将牙刷按压在木板上，逐渐加大推力，沿水平方向向右推动牙刷，使牙刷有相对木板运动的趋势直至发生相对运动，并仔细观察刷毛弯曲的方向。

分析 如图3所示，刷毛上端受到水平向右的推力F，下端与木板的接触面上受到水平向左的摩擦力f。刷毛弯曲的方向就代表刷毛受到的摩擦力的方向。

引导学生总结：摩擦力的作用点位于两个物体的接触面上。摩擦力的方向总是沿着接触面，并且与物体相对运动趋势或者相对运动方向相反。

由于滑动摩擦力的方向在很多情况下与物体运动方向相反，学生在学习滑动摩擦力时，就误以为滑动摩擦力的方向总是与物体运动方向相反，并形成思维定势[3]。

师：进一步探究摩擦力的方向与运动方向是否有关？

实验方案：分别标记出牙刷在木板以及桌面的位置，沿水平方向向右快速拉动木板一段距离。当木板停止运动后，以标记为参考：牙刷相对于木板向左运动，相对于桌面向右运动。

分析 如图4所示，木板受到水平向右的拉力F、桌面给木板水平向左的摩擦力f1以及刷毛给木板水平向左的摩擦力f2三个力。刷毛则受到木板给它的水平向右的摩擦力f3。刷毛弯曲方向向右，与摩擦力f3的方向相同。

结论：刷毛弯曲方向与运动方向相同，因此摩擦力的方向与运动方向无关。

（2）探究摩擦力的大小

设计实验：设计测量摩擦力大小的实验方案，并进行展示交流。

方案一：如图5所示，用拉力水平向左缓慢拉动木板上静止的重物，使重物先对木板有相对运动的趋势后再做匀速直线运动，观察并记录弹簧测力计的示数。

分析 重物在拉力与摩擦力的共同作用下保持平衡状态。只要拉力存在，重物必定受到与拉力大小相等、方向相反的摩擦力。

方案二：如图6所示，将与重物相连的弹簧测力计用细线连接在墙壁上，用拉力F水平向右缓慢拉动木板，使木板做匀速直线运动，观察并记录弹簧测力计的示数。

分析 木板在拉力F、桌面给木板的摩擦力f1、重物给木板的摩擦力f2三个力的共同作用下保持平衡状态。重物在摩擦力f3与墙面对重物的拉力的共同作用下保持平衡状态。

师：在实施实验方案过程中有什么问题吗？尝试同伴间相互交流，解决问题。

生：

方案一：拉动重物在木板上运动时，弹簧测力计的示数不稳定，很难进行读数，并且很难保证让重物做匀速直线运动。

方案二：保持弹簧测力计不动，读数更稳定、准确。

【设计意图】 探究是“5E”教学模式的中心环节。让学生先探究摩擦力的方向再探究其大小，符合学生认识力的感知顺序。通过观察刷毛的弯曲方向得出摩擦力的方向，相较于利用二力平衡知识更直观。将静摩擦力与滑动摩擦力的方向和大小一同探究，不仅避免重复探究方向的问题，还加深了学生对摩擦力“静中有动、动中有静”本质的理解。

1.5.3    解释——搜集信息

师：观察探究摩擦力大小的实验中弹簧测力计示数的变化，有什么发现？

生：当重物有相对运动的趋势时，弹簧测力计的示数慢慢增大。当增大到一定值时，重物发生相对运动，弹簧测力计的示数会略微减小。

引导学生总结：静摩擦力的增大有一定限度，静摩擦力的最大值在数值上等于物体刚开始运动时的拉力，其取值范围为：0

师：猜想有哪些因素会影响摩擦力（静摩擦力、滑动摩擦力）的大小？

生：接触面的粗糙程度、所受压力的大小、物体间接触面积的大小……

实验装置原型如图7所示。利用控制变量法，探究学生猜想的因素是否会影响摩擦力的大小。

（1）改变木板上表面的粗糙程度，观察弹簧测力计的示数;

（2）在重物上方加不同质量的砝码，改变木板所受的压力，观察弹簧测力计的示数;

（3）用重物的不同侧面与木板接触，改变接触面积的大小，观察弹簧测力计的示数。

结论：摩擦力的大小与接触面的粗糙程度、所受压力的大小有关，与接触面积的大小无关。

师：利用第二组实验数据（滑动摩擦力、壓力的数值）作图，观察图像特点。

生：图像是正比例函数。说明滑动摩擦力的大小跟压力成正比。

师：如果用F表示滑动摩擦力的大小，FN表示压力的大小，可得F=μFN。

难点辨析：如图8所示，压力不等于物体所受的重力。压力FN的方向总与接触面垂直并指向受力物体。而重力G的方向始终竖直向下。

【设计意图】 解释是“5E”教学模式的关键环节。通过让学生观察在探究静摩擦力的大小时，弹簧测力计示数的变化，让学生感知物体从有相对运动的趋势到发生相对运动，掌握静摩擦力的变化范围。再运用控制变量法探究影响摩擦力大小的因素，最后通过让学生将滑动摩擦力与压力的数值进行作图，自主得出压力与滑动摩擦力成正比关系。

1.5.4    迁移——学以致用

（1）判断是否存在摩擦力（见表2）

（2）计算摩擦力大小的方法

如图9所示，质量为m1的重物在质量为m2的木板上向左运动，取重物的运动方向为正方向。重物与木板间的动摩擦因数为μ1，木板与地面间的动摩擦因数为μ2，若木板仍处于静止状态，则木板受到地面摩擦力的大小为（       ）

A. μ1m1g+μ2m2g

B. μ1（m1+m2）g

C. μ1m1g

D. μ2m1g

生：选C选项。重物在木板上运动时受到一个方向向右、大小为μ1m1g的滑动摩擦力，因此，木板必将受到一个方向相反、大小相等的摩擦力。但木板仍处于静止（平衡状态），必将受到地面给它的一个方向向右、大小为μ1m1g的静摩擦力。

总结计算摩擦力大小的方法（以物体间具有相对运动趋势为前提），如图10所示。

【设计意图】 迁移是“5E”教学模式的应用环节。通过引入典型例题的方法，让学生在学会应用摩擦力相关知识的基础上进行知识扩展。对判断是否存在摩擦力以及计算摩擦力大小的方法进行总结，为学生提供解决问题的参考途径。

1.5.5    评价——反思、强化 （图11）

【设计意图】 评价是“5E”教学模式的反思环节。将评价贯穿于整个教学过程，教师通过多元的评价方式及时对学生的表现给予评价，引导学生高效完成学习任务的同时，培养学生的物理学科核心素养。

2    教学反思

在教学中采用以小组合作自主探究方式为主的“5E”教学模式，落实了以学生为主体的培养目标。对于本节课的重点、难点内容，在教学过程中要充分调动学生的学习积极性，只有学生有了学习的兴趣，才会积极、主动地探究物理知识;还需要教师帮助学生通过突破相关的典型例题，让学生在巩固的基础上提升理解。教师在引导学生学习“摩擦力”课题时，还应该多结合生活实际，设计出符合学生认知发展规律的教学过程，促进教学相长。

参考文献：

[1]吴敏，刘霁华.基于核心素养培养的物理课堂重构——以“摩擦力”教学为例[J].中学物理教学参考，2018，47（10）：44-46.

[2]姚小琴，蔡才福.创设情境 化解摩擦力难点[J].物理教师，2018，39（9）：81-82.

[3]徐超，盛云生.从2017年江苏高考14题谈静摩擦力与滑动摩擦力的区别[J].物理教学，2018，40（9）：55-56.

[4]曲一线.5年高考3年模拟[M].北京：首都师范大学出版社，2017：19-21.

（栏目编辑    邓   磊）