自制教具在提升学生核心素养中的辅助作用

王玉婷

摘要：教具对于物理课堂教学活动效果有着直接影响，其能将物理教科书中的基本知识元素直观地展示出来，使学生更好的获得物理知识素养。借助自制教具可将抽象的摩擦力问题转化成直观现象，帮助学生准确理解物理概念，形成物理观念。本文将结合实践操作谈“探究影响滑动摩擦力大小的因素”实验教具的改进，以及自制教具对“摩擦力”相关现象的辅助分析。

关键词：核心素养；摩擦力；自制教具；直观显示

中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1006-3315（2021）6-014-002

物理核心素养是学生在接受物理教育过程中逐步形成的适应个人终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力。新课改引导我们要设定使学生获得物理学科核心素养为教育教学的重要目标，通过自制教具的使用能促进学生物理核心素养的形成。当学生进行实验时，他们已经拥有了一个科学的头脑，并于脑海中形成了初步的物理概念。在自制教具使用中经历发现问题并改进的活动，正是提高学生探索和解决问题的能力过程。本文将结合实践操作谈“探究影响滑动摩擦力大小的因素”实验教具的改进，以及自制教具对“摩擦力”相关现象的辅助分析。

一、对“探究影响滑动摩擦力大小的因素”实验的实践探索

（一）教材实验及不足

“摩擦力”是初二物理“力学”知识模块的重点，难点知识。其感念抽象不容易理解，在解决相关问题时，常常只能理论分析而少了直观感受，这节课中的“探究影响滑动摩擦力大小的因素”实验是帮助学生理解摩擦力相关知识点的重要实验。教学中，首先通过回忆、重现、体验等手段使学生猜想出影响滑动摩擦力大小的因素可能与接触面间的压力大小、接触面间的粗糙程度和接触面积大小等有关，如此即可明确实验研究中要用到控制变量的研究方法，其中如何测量滑动摩擦力的大小是又一关键问题所在。由于学生没有相关知识储备，课本直接告知学生当用弹簧测力计水平拉动木块使其做匀速直线运动时，测力计的读数等于滑动摩擦力。

实验器材（图1）：木块、长木板、弹簧测力计、棉线

实验步骤：1.将弹簧测力计秤钩通过棉线和木块固定。2.弹簧测力计沿水平方向拉动木块，使木块沿着拉力方向在木板表面做匀速直线运动。3.读出此时测力计的示数，即等于物体所受滑动摩擦力的大小。4.控制接触面的材质相同，在木块上增加砝码从而改变压力大小重复2、3步骤将数据记录于表格中。5.控制接触面的压力大小不变，改变木板表面的材质从而改变粗糙程度重复2、3步骤记录数据。6.控制接触面的粗糙程度和压力大小都不变，改变拉动的速度，记录弹簧测力计的示数。

实验结论：滑动摩擦力的大小与接触面的粗糙程度、压力的大小有关，接触面越粗糙、压力越大，滑动摩擦力越大，在一定范围内，滑动摩擦力的大小与接触面积的大小无关。

如此得出的实验结论和学生的生活经验基本是吻合的，学生能较好的接受。主要的困惑是在操作中暴露出来的以下问题：1.如何让木块做匀速直线运动？物体运动是否匀速很难判断，学生一般采用慢速拉动的办法，但操作中会发现常常出现顿挫现象导致弹簧测力示数忽大忽小无法读数，所以要做匀速直线运动是很难的。2.不能研究以不同速度做匀速直线运动时对滑动摩擦力是否影响。本身拉动木块做运速运动已经很难，要拉动木块做不同速度时的匀速运动基本不能实现。3.准确读数较困难。由于是用手控制弹簧测力计拉着木块运动，这样就很难保证做匀速直线运动。而读数时弹簧测力计一直在运动，学生的视线要和测力计保持同步运动，在运动时读数，数据会有较大误差。基于以上问题，我对课本实验方案进行如下改进。（二）实验改进方案探索

本实验的原理是当木块处于二力平衡时通过弹簧测力计的示数转化出滑动摩擦力的大小，而一个物体二力平衡时可以是做匀速直线运动或者是保持静止状态，结合实验的实际问题为便于在弹簧测力计上准确读数，就要让弹簧测力计处于静止状态时读数，即木块也是处于静止状态的，此时木块应该在水平方向上处于静止的二力平衡。为使静止的木块受到滑动摩擦力，就只能拉动下面的长木板，结合相对运动知识，静止的木块实质上是相对于下面的木块在做相对滑动使其受到滑动摩擦力的。

改进探索1：如图2所示，弹簧测力计的提环固定，秤钩钩住木块，使测力计和拉线处于水平状态。用手缓慢拉动下面的长木板，我们会观察到一开始木块随长木板一起运动，弹簧测力计读数逐渐变大，当测力计示数达到一定值时木块和木板之间就会开始产生滑动，持续拉动下方的木板而木块已经处于静止状态，此时读数方便准确。这样改进收到以下效果：1.当弹簧测力计和长木板之间产生滑动时，弹簧测力计处于静止状态，这样便于读数，减小误差。2.操作中是拉动木板，木块和木板处于相对运动状态，读数时木块和测力计始终是静止的。那么木块相对于木板的滑动速度的改变就可以通过木板的拉动的快慢来实现，即可以先研究当其它因素相同时物体的滑动速度对滑动摩擦力是否有影响的内容。通过研究即可发现，木块所受滑动摩擦力的大小与滑动的速度无关，于是在拉动长木板运动时就不必控制长木板做匀速直线运动，这样就大大降低了操作的难度。

改进探索2：这样的设想合情合理，但经实际操作学生马上发现了新的问题：由于弹簧测力计自重影响，拉着木块的棉线有明显向下的弯曲，导致拉力不能沿着水平方向，如此必然导致读数误差增大，不能准确反映滑动摩擦力的大小。改进方案也很简单，在测力计下方放置木块等增高物，使得测力计和棉线始终处于水平状态。

改進探索3：利用改进后的器材，学生多次进行了实验。感受到当弹簧测力计处于静止状态时确实有助于读数准确。由于不必控制木板做匀速直线运动，操作时确实也带来方便。但操作时还是发现新的不足，由于实验室木板的长度有限，木块前方还有用于垫高的木块阻挡，导致木板在木块下方滑行的距离太短，因而滑行的时间太短读数较为急促，若在研究速度大小是否影响滑动摩擦力大小时以更快的速度滑行根本就来不及读数了。若减慢相对滑动速度来延长读数时间，操作时同样容易产生顿挫现象，给读数带来困难。

鉴于这个问题，笔者和学生一起设计了改进装置。这是一个小型传送带装置，它是按照木工砂带打磨机仿制而成，传送带可以在手电钻驱动下不停的转动。操作时，将木块放到水平传送带上，弹簧测力计挂钩端钩住木块，另一端用铁夹夹住测力计框架固定到立柱上，调节高度与木块保持在同一水平面。使用手电钻带动传送带使其和木块产生相对滑动。这样改进的优点：1.用夹具夹住弹簧测力计的外框架，可以避免其自重对拉力方向产生影响，只需调节夹具夹到不同的高度便可使测力计的拉力保持在水平方向；2.在手电钻驱动下传送带不停的运动，木块可以持续受到滑动摩擦力的作用，这样学生就有足够的时间准确读数；3.传送带的转速可以通过手把上的开关控制手电钻的转速从而得到改变，如此可方便研究不同的滑动速度对滑动摩擦力大小的影响；4.由于下方的木板换成了传送带装置，在研究接触面粗糙程度对滑动摩擦力影响时，更换粗糙程度不同的传送带不便操作，于是学生思考可以在木块的多个面贴上棉布、毛巾等不同粗糙程度的材料，实验时更换同一木块的不同面与传送带接触即可，同时也能保证压力大小不变。

以上对实验的改进过程凸显了理论与实践相结合，体现了学生核心素养的养成。学生没有停留在知识点的识记，而是通过实验探索实验结论的正确性，如此有助于培养学生实验探究能力。对实验中出现的问题，教师要能适当引导学生思考，并尝试改进，如此有助于锻炼学生的科学思维。经历不断的实践和改进，为学生创造运用知识的舞台，不断强化学生探索真理的科学意识。所以，对于课本中的演示实验和学生实验不能停留在理论分析，一定要实际操作，只要我们在继承基础上勇于创新，换个角度去思考，敢于实践，定能收到意外的效果。

二、借助自制教具突破“摩擦力”疑难问题

初中生的抽象分析能力较弱，且在解决问题时往往还会被一些已有的错误经验干扰，教学中常常要通过教具实物，化抽象为形象，变语言描述为直观现象，这更适合初中学生的学习特点，也有助于学生自行构建物理概念，形成物理基本观念。

例如，在分析传送带上物体所受摩擦力时，以往就是先画受力分析图，再结合摩擦力的概念或力和运动的关系来判断推理。可是力学物理概念本身抽象难懂，摩擦力的大小、方向、作用点这三要素的确定更是难点，解决这类问题时就可以利用这个自制教具直观展示所受摩擦力情况，辅助学生加深对摩擦力的理解。

问题情景1：如何认识在水平面上滑动物体所受摩擦力？一般使用弹簧拉动水平桌面上的木块，观察弹簧被拉长了的现象进而分析推理出木块受到了阻碍拉动的力即摩擦力。通过自制教具可将滑动摩擦力直观化。教学中，将牙刷的刷头组装到了木块上，刷毛向下放置于水平桌面，拉动木块观察到刷毛发生了弯曲现象。根据刷毛弯曲的现象即可判断受到了滑动摩擦力，弯曲方向可以反映所受摩擦力的方向。如此有利于学生对摩擦力概念的理解。

问题情景2：一个物体静止在斜面上要求分析物体所受摩擦力。问题实质是要研究所受静摩擦力的情况，如图4所示可将传送带转过一个角度倾斜固定，将带刷毛的木块放到斜面上处于静止状态，通过观察刷毛向上弯曲的现象明确此时木块受到沿斜面向上的摩擦力即可。

问题情景3：随倾斜的传动带一起斜向上做匀速运动的木块所受摩擦力方向向哪里？有学生认为木块斜向上运动，摩擦力应该是斜向下的。用手电钻带动传送带转动，使木块随之一起斜向上匀速直线运动，观察刷毛发现是向上弯曲的，说明此时受到的是斜向上的摩擦力。

问题情景4：使木块随传送带斜向下做匀速直线运动是否受到摩擦力作用？部分学生受到情景3问题的影响觉得摩擦力方向应该是斜向下的。但通过再次观察发现木块下方的刷毛还是向上弯曲，说明此时同样受到斜向上的摩擦力。

借助教具的展示学生感受到凭感觉是不可靠的，仔细分析实验现象，发现情景2、3、4都是关于静摩擦力的分析，情景3和情景4中虽然木块在运动，但实质和情景2是一样的，木块和传送带都是处于相对静止状态，这时木块受到阻碍沿斜面向下的运动趋势，固而受到沿斜面向上的静摩擦力。

问题情景5：木块随传送带一起水平向右匀速直线运动时（如图3），对木块水平方向受力分析（不计空气阻力）。同学们认为既然向右运动那么一定受到向左的摩擦力。教学中一般顺着学生的错误思维用假设法分析：假设木块受到一个水平向左的摩擦力，那么这个摩擦力只能是传送带施加给它。而木块要沿水平方向做匀速直线运动，必定还要受到一个水平向右的力和假设的摩擦力相平衡，但是找不到施力物体，于是判断不存在这样一个与之平衡的力，而要做匀速直线运动只能是在水平方向不受力了，最终判断假设的摩擦力是不存在。对于一般的学生如此高要求的分析在短时间内是理解不了的。

如果借助自制教具问题便会迎刃而解。启动传送带，用手挡住木块，我们观察到刷毛弯曲，说明此时有摩擦力。撤销阻挡，使木块随传送带一起做匀速直线运动，观察到木块下方的刷毛变竖直了，进而推知此时木块在水平方向不受摩擦力作用，最终得出水平方向不受力的结论。

问题情景6：这种情况属于情景5的变化拓展，静止的米袋放到水平向右匀速运动的传送带上，米袋先在传送带上滑动，后随传动带一起做匀速直线运动，请分析此过程中摩擦力的情况。学生常常搞不清滑动时摩擦力的方向，利用这个教具我们可以重现这一情景。将木块的刷毛向下慢慢放置到运动的传送带上，注意当刷毛和传动带接触时手不要松开，此时可以观察到刷毛在传送带带动下发生了弯曲，弯曲方向是和传送带运动方向一致的，即此时是受到的摩擦力方向是向右的。有了这样的情景再现，学生可以正确理解“米袋先在传送带上滑动”这句话应该是“传送带在米袋下方向右滑动，米袋相对于传送带向左滑动”的实質。后续米袋开始匀速直线运动时摩擦力的情况与情景5的分析过程是一样的了。

综上分析，将抽象的问题直观化有助学生更快地理解物理知识。只要我们教师在教学中能理论联系实际，勇于实践，不断改进和创新出更优的实验设计和教具，就会收到意想不到的效果。

参考文献：

[1]孙丰富，朱召友.“探究影响滑动摩擦力大小因素”的实验改进，物理教师，2014

[2]刘炳升，李荣.义务教育教科书物理，南京：江苏科学技术出版社