核心素养视角下的“摩擦力”教学设计

朱琴 曾秀

摘 要： 本文旨在对“摩擦力”一课进行教学设计，用数字实验解决常规实验难以实现的疑难实验问题，利用信息技术工具便捷地解决物理学习问题.通过创设情境，问题引领，让学生经历完整的探究过程，实现以学生为主体，发展培养学生物理核心素养的目标.

关键词： 核心素养;摩擦力;教学设计

文章编号： 1008-4134（2019）23-0042     中图分类号： G633.7     文献标识码： B

《普通高中物理课程标准》（2017年版）（以下简称《新课标》）指出：注重物理课程对立德树人根本任务的落实，切实将物理学科核心素养的培养贯穿在物理课程的设计和实施中.在物理课堂中如何落实培养学生物理核心素养的目标，是物理教育研究与教学实践讨论的热点，也是以立德树人及核心素养为导向的基础教育改革实践中亟待突破和解决的重要问题.本文以“摩擦力”一课为例，探讨核心素养的“落地”问题.

1 教学背景分析

1.1 课标分析

《新课标》要求学生认识重力、弹力与摩擦力.知道滑动摩擦和静摩擦现象，能用动摩擦因数计算滑动摩擦力的大小.

《普通高中物理课程标准解读》（2017年版）指出，初中物理已经学习了摩擦力的初步知识，高中物理对物体受力分析的要求要高一些.高中物理课程对摩擦力的理解，应该和受力分析的需要相吻合.在初中“影响滑动摩擦力的因素”知识的基础上，把滑动摩擦力跟接触面性质的关系上升为定量要求，要求知道动摩擦因数的概念，并用公式f=μFN

计算滑动摩擦力的大小，理解公式中的FN是接触面的压力，性质上属于弹力.关于静摩擦现象，知道最大靜摩擦的概念.

1.2 教材分析

“摩擦力”是人教版《物理》必修1第三章“相互作用”的第3节，既是本章的重点，又是后面处理物体的平衡和动力学问题所必需的知识，是分析力学问题的基础之一.对该内容的掌握程度直接影响到学生运用牛顿运动定律、动能定理以及摩擦力做功等知识解决相关物理问题的能力.摩擦力的有无、方向判断、大小计算，对学生来说都是难点.学习摩擦力，首先要研究它产生的条件，理解运动、相对运动、相对运动趋势等概念，学生才能判断摩擦力的有无，判断摩擦力的方向，进而讨论摩擦力的大小.

1.3 学情分析

从知识层面来讲，学生在初中已经学习了什么是摩擦现象及其分类、影响滑动摩擦力大小的因素、静摩擦力等简单知识，学习了重力和常见的弹力，知道二力平衡，这为本节课的学习打下了知识基础.

从能力层面来讲，学生已有初步的比较和分类、分析和归纳、具体和抽象的思维能力，能把感性认识上升到理性认识，具备了一定的分析问题、解决问题及对问题进行反省的能力，这为本节学习做好了能力准备.学生对摩擦力具有比较丰富的感性认识，对做物理实验兴趣较高，但他们学习高中物理时间不长，思维的深度有限，对实验的目的性理解不强，对设计实验方案，处理数据的能力还有欠缺，因此需要教师作较全面的指导.

从认知困难上讲，学生在生活中能接触到大量有关摩擦力的现象和问题，在初中也进行了初步的学习，但对摩擦力的认识和理解还停留在生活经验上，甚至有错误的认识，如存在认为运动方向和相对运动方向是一回事;受静摩擦力的物体一定是静止的，受滑动摩擦力的物体一定是运动的等前概念.这就要求教师通过实验探究和对实例的分析，彻底澄清错误认识，让学生真正理解摩擦力.

2 重难点分析

教学重点：静摩擦力和滑动摩擦力的产生条件;静摩擦力和滑动摩擦力的方向判断;滑动摩擦力的大小计算.

教学难点：静摩擦力和滑动摩擦力的有无判断、方向判断.

3 教学目标

观察演示实验，联系生活情境，理解静摩擦和滑动摩擦现象，静摩擦力和滑动摩擦力的产生条件，最大静摩擦力与滑动摩擦力之间的关系，了解滑动摩擦因数的影响因素.

经历静摩擦力的大小实验探究，掌握静摩擦力的最大值及其变化范围;探究滑动摩擦力大小的影响因素，总结出滑动摩擦力的计算公式，并学会用其计算滑动摩擦力的大小.

经历系列探究活动的过程，体会到突出主要因素，忽略次要因素的思维方法.

通过系列探究活动，体验科学探究的过程，体会实验中发现规律的乐趣，领悟科学探究中尊重事实、大胆猜想、严格求证的科学态度.

4 教学过程

4.1 创设情境

[教师活动]拔书比赛：教师事先将两本物理书隔页互插，请两位力气大的学生上台.提出问题：能把书拔开吗？

[学生活动]两位力气大的男同学上台使劲拔书.

[教师活动]提出问题并引导学生作出回答：结合生活经验谈谈摩擦力.并明确教学要求，继续深入研究摩擦力.

[学生活动]结合初中所学摩擦力内容，回顾生活体验进行回答.

[设计意图]在实际情境中亲身体会摩擦力.回顾所学知识，温故而知新.

4.2 实验直观展示图象，引导学生建立理想过程模型

[教师活动]弹簧测力计拉木块活动（如图 1）.讲解实验操作，提出问题，组织学生分组实验，讨论以下问题并分享：用弹簧测力计水平拉动小木块，小木块由静止到匀速运动的过程中，受力情况如何？其中摩擦力的性质、大小和方向有变化吗？

[学生活动]动手实验，观察、思考、讨论后回答问题，并请一组同学进行分享.

现象：弹簧测力计读数增大，增大到某一峰值时木块启动，木块启动后弹簧测力计读数立即变小后保持不变.

原因：静摩擦力随拉力的增大而增大，滑动摩擦力不变，最大静摩擦力略大于滑动摩擦力.

[教师活动]传感器测量活动（如图 2）.教师介绍实验装置的改进：用力传感器代替弹簧测力计测力，用电机代替手拉动木块.

教师要强调木块从静止到匀速运动整个过程可以近似看成是平衡态，因此摩擦力的大小就可以通过力传感器测量出来.介绍图象的横纵坐标，横坐标表示时间，纵坐标表示摩擦力.

进行实验操作，提出问题; 传感器测量的摩擦力实验图象和我们前面的实验体会是否一致？

在学生回答一致后，教师提问进一步引导学生思考：图象中哪里表示静摩擦力和滑动摩擦力？静摩擦力和滑动摩擦力的大小如何变化？图象中的尖峰代表什么？滑动摩擦力的大小波动的原因？最大静摩擦力和滑动摩擦力的大小关系？

[学生活动]观察分析图象特征，思考问题，并回答.在教师的引导中得出结论：

（1）尖峰之前是静摩擦力，之后是滑动摩擦力.

（2）静摩擦力的大小随拉力的增大而增大，滑动摩擦力的大小基本不变.

（3）尖峰表示最大静摩擦力.

（4）滑动摩擦的大小波动原因是接触面粗糙程度不同导致的，假定各处粗糙程度一样，滑动摩擦力的图象就是一条直线.

（5）最大静摩擦力略大于滑动摩擦力.

请一位同学在黑板上画出接触面粗糙程度一样的情况下的摩擦力图象（如图 3）.

[教师活动]提出问题并引导学生作出回答：静摩擦力的产生条件？

[学生活动]结合实验归纳出产生条件：（1）接触且有挤压;（2）粗糙;（3）有相对运动趋势.

[教师活动]强调这三个条件要同时满足，缺一不可.

[设计意图]引导学生用课本实验，人人动手，通过认真观察和分析，认识到静摩擦力的存在，也为总结出静摩擦力产生的条件提供感性认识.书本上谈到最大静摩擦力略大于滑动摩擦力，但是用弹簧测力計测摩擦力这一传统实验很难观察到这个现象，通过数字化实验，使用传感器测量让学生能直观地看到最大静摩擦力大于滑动摩擦力，解决了传统实验的不足.使用直观的图象证明，也增强学生的证据意识.引导学生把实验现象与实验数据相结合，基于数据分析简化问题，忽略次要因素建立理想的过程模型，进而画出理想情况下的摩擦力图象，培养学生抽象、建立理想化模型的能力.引导学生归纳静摩擦力产生条件，培养学生的概括能力.

4.3 对比实验显化运动趋势，突破静摩擦力方向判断教学难点

[教师活动]图片展示（如图4）：不同情况下的静止物体.提出问题：怎么判断物体有无相对运动趋势？静摩擦力的方向？

[学生活动]分析思考，回答问题：第二种和第三种情况有相对运动的趋势，物体想动而没有动.

[教师活动]教师将手机磨砂壳面与斜面接触放在斜面上，手机静止;再把手机膜面接触斜面放在同一斜面上，手机下滑.归纳总结，夯实基础：判断相对运动趋势的方法以及静摩擦力的方向.

[学生活动]观察对比实验，听老师讲解，思考并记录笔记.

判断相对运动趋势的方法：（1）平衡态法;（2）假设光滑法.

静摩擦力的方向：与相对运动趋势方向相反.

[设计意图]相对运动趋势是一种想动而没动的状态，无法直接用肉眼观察到，通过二力平衡原理和假设光滑法能间接推断相对运动趋势的有无和方向.通过演示实验：把手机放置在斜面上，但是接触面由粗糙变为光滑，通过对比实验来显化相对运动趋势，帮助学生突破难点.

4.4 问题情境引发认知冲突，纠正滑动摩擦力方向判断的错误认知

[教师活动]引导学生类比静摩擦力产生条件，归纳得出滑动摩擦力的产生条件.

[学生活动]运用类比的方法得出滑动摩擦力的产生条件：（1）接触且有挤压;（2）粗糙;（3）有相对运动.

[教师活动]先提出问题：同学们初中学习过，应该还记得滑动摩擦力的方向与相对运动方向相反，能改成与运动方向相反吗？让学生小组讨论，在学生犹豫的情况下，演示木块-木板相对运动实验：把物体放在木板上，木板放在桌子上，分别用红色标记出它们此刻的位置，快速拉动木板.提出问题：滑动摩擦力的方向与物体运动方向相反吗？

[学生活动]在教师的引导下，思考问题，仔细观察实验现象并分析：物体向右运动，相对木板向左运动，物体受到的滑动摩擦力向右，滑动摩擦力的方向与物体运动方向相同，与相对运动方向相反.

[设计意图]学生往往把物体的相对运动和运动方向混为一谈，针对这个错误概念，首先创设问题情境，产生认知冲突.然后呈现物体-木板演示实验，当用手拉动木板时，也带动物体一起运动，但是物体相对木板向后运动.物体的运动方向和相对运动方向不一致，发生了分离.归纳总结出滑动摩擦力的方向与相对运动方向相反.通过直观的实验现象，纠正学生对运动方向与相对运动方向的错误认识，促进深度学习.

4.5 实验探究滑动摩擦力大小影响因素

[教师活动]提出问题：滑动摩擦力的大小与哪些因素有关？总结学生回答的可能因素：压力、接触面粗糙程度、面积、运动速度等.明确重点研究压力与滑动摩擦力的大小关系.

[学生活动]对影响因素进行合理猜想.

[教师活动]提出问题，组织分组讨论与集体分享：同学们能设计实验方案探究滑动摩擦力和正压力的大小关系吗？分析学生提出的常规方案的缺点，引导改进，展示改进方案的实验装置图.

[学生活动]思考、讨论后回答问题，并请一组同学进行展示.通过学生之间交流与老师的指导，得出实验方案：用弹簧测力计测木块的滑动摩擦力，通过加砝码来改变木块与木板间的压力大小.

[教师活动]实验操作演示及提醒操作注意事项.巡回指导，解决问题.

[学生活动]小组合作，实验探究，收集数据，获取证据.

[教师活动]引导学生画出f滑-N图象，两组实验图象如图 5，比较两组学生的实验数据.提出问题：同学们看到什么规律了？比例系数一样吗？比例系数代表什么？

[学生活动]两组学生展示小组实验木块底部材料，将实验数据输入Excel表格，得出f滑-N图象.两组实验图象的比例系数分别为K1=0.29和K2=0.71，比例系数不同.分析f滑-N图象，得出f滑与N成正比，f滑=kN.

[教师活动]引导学生总结和陈述实验结论：f滑=μN.比例系数代表μ，叫做动摩擦因数，代表接触面的材料的粗糙程度，无单位.

[学生活动]听老师讲解，并记录笔记.

[教师活动]请同学们课后继续探究不同面积，不同速度等因素.

[学生活动]课后继续思考探究不同面积，不同速度等因素.

[设计意图]经历实验方案的设计和筛选，培养学生的实验探究能力.通过学生动手、动脑，团队合作进行实验探究，增强证据意识，培养动手、沟通、合作的能力，分析、评估科学证据的能力，信息技术和信息处理能力.基于证据和逻辑对研究的问题进行准确表述.让学生课后继续探究，培养学生主动探究的科学态度.

5 教学反思

观察和实验是学生认识物理世界，获取物理知识的重要途径， 是发展学生科学思维的前提条件，在“摩擦力”教学中，只有在“以观察和实验为基础 ”，结合教法的改进上下功夫， 才能改变其难教、难学的局面.为了突破难点，在本节的教学中，首先注意从实验的设计、改进入手，紧紧围绕教学目的，循序渐进地从演示设疑、定项观察、分步研究、加深体验去安排一组顺序实验，以增强学生的感性知识为突破口，并融合讲授中的分析点拨、归纳综合等常用的教学方法，使其有力地为突破教学的重点、难点服务.

在帮助学生理解相对运动趋势、区别运动和相对运动概念、最大静摩擦力大于滑动摩擦力的教学中，通过演示实验把相对运动趋势显性化，把物体的运动和相对运动方向进行分离，通过传感器记录的摩擦力图象观察最大静摩擦力和滑动摩擦力的大小，将抽象的概念和规律通过具体的实验现象和数据图象展示在学生面前.

在滑动摩擦力的大小和哪些因素有关的教学中，教材通过弹簧测力计水平拉动滑块使滑块匀速直线运动，从而得出滑动摩擦力的大小等于弹簧测力计示数.这种理论上可行的办法实际操作中则很难完成.笔者通过自制教具创新实验，课堂上利用Excel记录数据，定量分析数据，建立图象，得出结论，真实再现一个探究的全过程.这也符合《新课标》所提倡的重视科学探究能力的培养和信息技术的应用.

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]李春密.中学物理实验教学研究[M].北京：北京师范大学出版社，2018.

[3]金晨，李春密.基于模型建构教学的《平抛运动》教学设计[J].中学物理，2018，36（21）：46-49.

[4]吴敏，刘霁华.基于核心素养培養的物理课堂重构——以“摩擦力”教学为例[J].中学物理教学参考，2018，47（19）：44-46.

（收稿日期：2019-08-14）