利用自制教具培养学生的科学探究能力①——以“探究滑动摩擦力大小”为例

宋培文 黄晓华 莫小静 郭长春 谢志刚

(四川省南充高级中学，四川 南充 637900)

1 引言

科学探究是物理学科核心素养的重要方面，实验探究是培养学生科学探究能力的主要途径。良好的实验设计既可以帮助学生理解物理概念和规律，又可以培养学生的科学探究能力，因此设计和改进教材实验是教师带动学生创新、提高课堂效率、培养学生科学探究能力的有效方式。实验的改进和设计必须围绕有利于教学开展，必须做到现象明显、数据测量准确。本文介绍了“滑动摩擦力大小探究器”教具改进的背景、制作、使用，通过猜想、实验设计、实验操作等环节，培养学生的科学探究能力。

2 教材实验设计的不足

“摩擦力”是人教版八年级教材第八章“运动和力”第3节的内容，教材中“探究影响滑动摩擦力大小因素”的实验设计如图1所示，在水平长木板上放一个木块，利用测力计匀速拉动木块，利用二力平衡的原理，改变压力和接触面粗糙程度等因素，测定摩擦力的大小，该实验设计存在以下不足：

图1

(1) 实验中必须使木块的运动为匀速直线运动，才能满足二力平衡的条件，但是用手拉木块，很难使木块在较长的时间内匀速运动。

(2) 木块被拉动后，可能示数还没有稳定，木块就已被拖到了木板边缘，因此需要较长的木板和较大的操作空间。

(3) 弹簧测力计需水平放置，因受重力作用，弹簧与外壳、指针与外壳都存在较大摩擦，导致实验误差较大；弹簧测力计处于运动状态，导致读数难度加大。

(4) 在探究滑动摩擦力是否与接触材料和材料的粗糙程度有关时，铺在木板上的材料不易固定，影响了实验的进行。

3 “探究滑动摩擦力大小”实验装置的改进

3.1 装置简介

针对以上实验设计的不足，笔者设计制作了“滑动摩擦力探究实验器”(图2)。

图2

主要结构包括：支架、水平调节螺钉、皮带轮、手摇把柄、皮带、竖直固定杆、弹簧测力计(高度可调)、定滑轮(高度可调)。配件包括：水平仪、底部粘贴有不同材料的同规格木块(图3)、钩码、细线等。

图3

3.2 实验操作

(1) 将水平仪放在皮带上表面，调节支架底部的4个调节螺钉，使皮带面水平。然后调节弹簧测力计到合适位置，用细线绕过定滑轮与放在皮带上的木块相连，调节定滑轮的高度，确保定滑轮与木块之间的细线处于水平。摇动手摇把柄使皮带运动，读出弹簧测力计示数，根据二力平衡条件可知：弹簧测力计的示数等于滑动摩擦力的大小。

(2) 在实验中增减滑块上钩码的个数，以改变滑块对皮带的正压力，定量探究滑动摩擦力大小与正压力大小的关系。

(3) 通过更换底部粘贴有不同材料的同规格木块，探究滑动摩擦力与接触面材料的关系。

证明 (1)由τCSI⊆τ,clX{x}⊆clCSI(X){x},下证clCSI(X){x}⊆clX{x},只需证XclX{x}⊆XclCSI(X){x}。注意到XclCSI(X){x}=intCSI(X)(X{x})及XclX{x}⊆X{x},于是又只需证XclX{x}∈τCSI即可。

(4) 换用质量和接触面材料相同、接触面积不同的滑块进行实验，研究滑动摩擦力大小与接触面积的关系。

(5) 实验中手摇转柄可自由改变皮带的运动速度，研究滑动摩擦力大小是否与相对运动速度有关。

3.3 创新之处

本实验装置的制作思路来源于教材，而又不拘泥于教材，创新之处如下：

(1) 实验装置虽然仍应用二力平衡的原理，但放弃了难以实现的动态平衡，改为更容易实现的静态平衡。实验中只要木块与地面保持相对静止，就满足二力平衡条件，不受皮带运动状态的影响。

(2) 用皮带代替固定的长木板，既能连续操作使读数长时间保持稳定，又能减小操作空间。

(3) 将弹簧测力计改为竖直固定安装，不仅有助于减小因弹簧自重、指针与外壳的摩擦等带来的系统误差，而且使弹簧测力计由动变静，读数更容易，结果更准确。

(4) 实验中将粗糙程度不同的材料直接粘贴在相同规格木块的下表面，只需更换木块，就能达到改变粗糙程度的目的。既节省了操作时间，又克服了传统实验中更换材料后材料不易固定、不平整的缺点。

(5) 弹簧测力计位置、支架底部高度、定滑轮高度均可调，在测力计背面也加上刻度，这些措施可以使实验效果达到最佳。

(7) 本实验装置制作容易、操作简便、实验现象明显，值得推广。

3.4 拟改进之处

由于皮带材料较硬，该实验装置在使用过程中会出现滑块侧移和弹簧测力计读数变化的情况，拟作如下改进：

(1) 采用变速电动机带动皮带转动，使操作更加方便，电动机逐渐改变转速，以更好地探究摩擦力大小与皮带和木块间相对速度的关系；

(2) 改用DIS(数字化实验系统)的力传感器，更加准确地测量摩擦力的大小；

(3) 选用较柔软的皮带材料使物块更加平稳。

4 利用自制教具优化教学设计，培养学生的科学探究能力

课程标准要求引导学生运用控制变量法等方法设计实验方案，提高自身的科学探究能力。[2]因此在坚持学生主体、教师主导、尊重教学实际的基础上，我们将高中阶段的摩擦力大小探究教学设计如下。

4.1 复习旧知，提出猜想

提出问题：滑动摩擦力大小可能与哪些因素有关？学生已有初中物理学习的基础，很容易提出：压力、接触材料以及接触面的粗糙程度会影响到滑动摩擦力大小。再引导学生猜想出滑动摩擦与压力大小是正比关系，学生猜想是否正确，需要通过实验来验证。

4.2 分组讨论，设计实验

引导学生分组讨论，利用桌上的器材(弹簧测力计、木板、物块等)制定实验方案，分别测量滑动摩擦力和压力的大小。学生根据初中所学的知识和课前预习，可能会提出如下两种方案：

(1) 将长木板放在水平桌面上，把小木块放在长木板上，用弹簧测力计水平拉动小木块，使木块做匀速直线运动，根据二力平衡条件知：滑动摩擦力大小等于弹簧测力计的读数。

(2) 先把弹簧测力计的一端与小木块相连，另一端水平固定，再把木板放在木块下面水平拉出，根据二力平衡条件知：滑动摩擦力大小等于弹簧测力计的读数(图4)。

图4

4.3 改进实验，测量数据

学生经讨论分析后发现第二种方案更合理，但第二种方案也有不足，如实验的空间受到限制、弹簧测力计自身有重量等，引导学生思考改进的措施，然后师生共同分析总结。

教师展示并介绍自制的“摩擦力探究实验器”，学生分组实验，不同的小组使用不同的木块进行实验，多次增减钩码、测量数据，并将结果记录在表1中。

表1

4.4 分享成果，得出结论

4.5 反思

自制教具要合理运用到教学活动中，才可能最大限度地发挥作用。学生在复习初中所学知识的基础上，经历了发现问题、分析问题、提出猜想、设计和改进实验、完成实验、得出结论等完整的科学探究过程，在这个过程中不断优化自己的实验方案，最终引入笔者的自制教具完成实验，锻炼了学生分析问题、解决问题的能力，提高了课堂教学的效率，培养了学生的科学探究能力。

5 结语

物理教学中对实验器材和方案进行改进，源于教材又高于教材，突破教材上实验设计的不足，使实验具有较高的可操作性，节省了教学时间，降低了学习难度，提高了课堂效率。教学活动中合理利用自制教具，引导学生思考，充分发挥学生的主观能动性，体现学生的主体地位，注重物理知识的生成过程，可以不断培养学生的科学思维和科学探究能力。