基于核心素养引导学生优化设计物理实验

摘 要：本文以“研究影响滑动摩擦力大小的因素”实验为例，介绍了教师如何根据核心素养的要求，指导学生进行自主创新设计。这有助于强化学生的物理观念，引导他们更深入地理解物理概念，并培养他们的科学思维。通过这样的教学方法，教师能够帮助学生实现从单纯的解题向解决实际问题的转变，从而促进其核心素养的发展。

关键词：物理实验；摩擦力；核心素养

《义务教育物理课程标准（2022年版）》中提到，物理课程要培养的核心素养，主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任。［1］这就要求教师在日常的实验教学中，不仅要将学生置于主体地位，还要关注教材中可能存在的设计缺陷。教师应引导学生进行自主创新设计，帮助他们找到适合自己的探究方法。通过以核心素养为导向的物理实验设计，学生可以在实践中提高动手能力，同时在思考和解决问题的过程中深化对物理问题的理解。

本文以人教版《义务教育教科书 物理 八年级 下册》的实验教学内容“研究影响滑动摩擦力大小的因素”为例，详细阐述了教师如何指导学生针对现有物理实验的不足进行优化设计。

1 原有实验

在“研究影响滑动摩擦力大小的因素”实验中，首先，学生需要完成一个基础实验——“测量滑动摩擦力”，以理解二力平衡的条件，掌握二力平衡的应用，如图1所示。接着，学生将运用控制变量法和二力平衡原理，进一步研究影响滑动摩擦力大小的因素，如图2所示。

学生在教师的引导下，学习实验原理和操作步骤，然后进行实验操作，得到实验数据，如表1所示。

2 引导学生发现原有实验的不足之处

2.1 教学片段1

教师：请同学们观察实验数据，归纳出影响滑动摩擦力大小的因素。

学生根据数据，归纳实验结论。

学生1：比较第1、2组数据可以得出，在接触面粗糙程度相同时，压力越大，滑动摩擦力越大。

学生2：比较第1、3、4组数据可以得出，在压力大小相同时，接触面越粗糙，滑动摩擦力越大。

教师：仅凭一次实验，可以得出具有普遍性的实验结论吗？

学生1：不能，应该多次重复以上实验，使实验结论更加具有普遍性。

教师：很好。请问在操作过程中有哪些步骤是不容易操作的，或者是会引起较大误差的？

学生3：在实验过程中很难做到匀速拉动木块，木块实际受到的摩擦力和弹簧测力计示数不相等，而且拉动木块时弹簧测力计还会晃动，读数误差比较大。

教师：同学们观察非常细心，那么有什么方法可以解决这些问题呢？请大家课后查阅资料，下节实践课来分享解决方案。

2.2 教学片段2

教师：上节课留下的问题，同学们找到解决的方案了吗？

学生4：通过查阅资料，我们发现，按照图3重新设计实验方案，可以实现即使不匀速拉动物体A，物体B在水平方向上也能保持受力平衡，如图4所示。在这种情况下，由于物体B保持静止，弹簧测力计对物体B施加的水平向左的拉力F_左等于物体A给它水平向右的摩擦力f，即F_左＝f。因为f是滑动摩擦力，它只与压力的大小、接触面的粗糙程度有关，而与速度v无关。因此，即使物体A的运动不是匀速的，物体B受到的滑动摩擦力f的大小也不会改变。这一改进为实验操作带来了极大的便利性。

教师对学生4的方案给予了高度的肯定。这表明，通过自主的课外学习，同学们的知识和技能能够获得显著的提升。

3 引导学生对实验方案进行优化

3.1 教学片段3——提出问题

教师：请同学们仔细观察图3，思考以下几个问题。

第一，水平拉动物体A时，物体A受到几个摩擦力的作用？

第二，图3中水平放置的弹簧测力计，它能否呈理想的水平状态，为什么？

第三，当接触面的粗糙程度一定时，在物体的压力、质量和重力中，到底哪些因素会影响滑动摩擦力的大小？

学生5：我认为图3的方案还存在以下问题。

第一，实验过程中，物体A会受到地面和物体B共同施加的摩擦力，不易拉动物体A。

第二，实验过程中，弹簧测力计本身的重力会让物体B受到的拉力F_左略微偏离水平方向。

学生6：关于教师提出的第三个问题，在接触面的粗糙程度一定时，压力越大，滑动摩擦力越大，压力才是影响因素。但是，我不明白为什么质量和重力就不是影响的因素？

教师：从学生5提出的问题中，我们了解到图3的方案存在明显的不足。此外，还有两个关键点需要我们关注。首先，当探究滑动摩擦力的大小是否与接触面的粗糙程度有关时，我们需要准备多个粗糙程度不同的物体与物体B接触，这在操作上可能不太方便。其次，对于学生6的疑问，我们是否可以设计一套实验装置，使得在两个接触物体的质量（即重力）保持不变的情况下，它们之间的压力可以发生改变？对此感兴趣的同学可以尝试沿着这些思路对实验方案进行优化或创新，并与大家分享你们的成果。

3.2 学生对实验方案进行优化设计

在教师的引导下，部分学生利用周末或假期对实验方案进行优化并制作相应的实验装置。

学生7：我们设计的实验方案如下。

第一，针对学生5提出的第一个问题，为了减小地面摩擦力对实验结果的影响，我们建议使用小车代替木板。

第二，针对学生5提出的第二个问题，为了减少弹簧测力计的重力对实验结果的影响，我们可以将弹簧测力计竖直悬挂，并使用一个定滑轮将弹簧测力计受到的水平方向的力转换为竖直向下的拉力。［2］

学生8：我们从儿时的益智玩具中得到启发，当磁体放在铁板上时，磁体对铁板的压力大于磁体的重力。

为了解答同学6的疑问，我们将小车表面平均分成三部分，如图5所示。

具体操作如下：首先，在小车的左边部分贴上较光滑的薄膜；接着，在右边部分贴上铁皮；最后，在中间和右边部分的铁皮上再贴上磨砂纸（即在右边部分，底层是铁皮，顶层是磨砂纸）。

学生9：为了提高实验的稳定性，我们特别采用了电动机代替人工拉动物体A。此外，电动机的动力系统中还接入了一个滑动变阻器，它能够调节电动机的转速，进而改变小车的运动速度。这样的设计使我们能够探究滑动摩擦力大小与物体运动速度之间的关系。

本实验所需器材包括：弹簧测力计、磁体、低速可调电动机、干电池、导线、滑动变阻器、开关、电流表、带轮子的小车、细绳、铁架台、磨砂纸、薄膜和铁皮。

3.3 自制实验装置

学生设计出了如图6所示的实验方案，并制作出相应的实验装置如图7所示。

3.4 实验探究

按照图6所示实验装置示意图把器材组装完毕后，开启电动机。电动机拉动小车向左运动，让磁体M依次通过①②③区域，记录弹簧测力计的示数，如表2所示（磁体M的重力为4.6N）。

接下来，我们通过改变滑动变阻器接入电路的阻值大小，改变了小车的运动速度，并重复上述实验。我们发现，所得数据与表2中的数据基本一致。通过比较实验数据，我们可以得出以下结论：在压力大小相同时，接触面越粗糙，滑动摩擦力越大（比较数据①和②）；在接触面的粗糙程度相同时，压力越大，滑动摩擦力也越大（比较数据②和③）。此外，我们还发现滑动摩擦力的大小与物体的运动速度无关。这些结论与传统实验的结论一致。

4 结语

在物理课程资源的开发过程中，学生在教师的指导下自行设计和开发实验器材是一种重要的途径。通过这种方式，物理教师能够引导学生优化实验方案，将课堂的主导权最大程度地交给学生。这不仅让学生有机会自己发现问题、提出质疑，还能鼓励他们主动寻找解决问题的方法。这样的教学方法有助于学生真正体验到物理学科的美妙和乐趣，同时培养他们正确的科学态度和责任感。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022：4.

［2］张钦泉.“研究影响滑动摩擦力大小的因素”的实验与改进［J］.物理通报，2019，（22）：102-105.