用DIS系统辅助学生迷思概念的转变

摘" 要：如何转变学生的迷思概念是物理教学中的一个难点。本文通过总结已有研究，使用DIS系统辅助实施“转变学生对摩擦力错误认知”的相关实验，以丰富学生的直接经验与感性认识。该实验通过帮助学生感受平衡、静摩擦力、最大静摩擦力与滑动摩擦力以及运动中的摩擦力，逐步加深他们对摩擦力的认识，有助于有效教学的实施和学生迷思概念的转变。

关键词：DIS实验；迷思概念；摩擦力

1" 引言

DIS系统在经历了十余年的探索与实践后已逐步走进中学物理课堂，它凭借其省时高效的优点受到广大物理教师的青睐。起初，DIS系统只作为可以代替传统杨明伍实验仪器的新型学生分组实验仪器。但随着核心素养导向教育的到来，教师在物理教学中已经改变了只在实验课上才用仪器做实验的教学模式。在日常的物理概念与物理规律的教学中，教师为了能丰富学生的感性认识、培养学生的科学探究意识、帮助学生养成实事求是的科学态度，通过实验来学习与探究规律已成为物理课堂的新常态。尤其是对学生可能存在的错误前概念，或在学习新课后容易形成的迷思概念，教师更要注意在课堂上通过设计相关实验和操作DIS系统来转变学生已有的迷思概念，并防止学生形成新的迷思概念。

学生在高中物理“摩擦力”的学习中常常会产生大量的迷思概念，这严重影响了学生正确判断摩擦力的存在及其方向。如果教师在课前就能了解学生在课后可能会存在哪些问题，那在教学设计时就可以为避免迷思概念的形成做出努力。那么，教师在课前要如何得知学生课后可能存在的问题呢？除了利用自身的经验外，教师还可以利用已有的相关研究进行全面学习，这也是教育研究的意义所在。

2" 与摩擦力有关的迷思概念总结

笔者对以往与摩擦力有关的迷思概念研究进行了对比与总结，概括出如下“三方面，八条目”。

2.1" 对摩擦力相关概念的理解

条目一：学生只是从字面上理解静摩擦力和滑动摩擦力，认为相对地面静止的物体受到的摩擦力一定是静

摩擦力，相对地面运动的物体受到的摩擦力一定是滑动摩擦力。［1］

条目二：学生对最大静摩擦力的认识不深刻，认为物体受到的静摩擦力是一个定值，静摩擦力就是最大静摩擦力，或认为滑动摩擦力一定比静摩擦力大。

2.2" 对摩擦力产生条件的理解

条目一：学生对摩擦力的产生条件理解得不全面，没有全面考虑

“接触并挤压、接触面粗糙、有相对运动或相对运动趋势”的情况；有时还存在误解，认为速度、接触面积大小等因素也会影响滑动摩擦力的大小。［2］

条目二：学生对相对运动趋势和相对运动的理解不深刻，常常只以地面为参考系考查物体的相对运动，而忽视与其相互作用的物体。

条目三：学生认为静摩擦力与滑动摩擦力都与重力有关，有时直接认为重力就是压力，认为重力越大、摩擦力越大；在滑动摩擦力的计算中，习惯性地列出公式f＝μmg。［3］

条目四：摩擦力是被动力，因而学生认为摩擦力的存在与否由外力决定。若没有除摩擦力以外的其他外力直接作用在物体上，物体则不受摩擦力；若有外力直接作用在物体上，物体则一定会产生相对运动或相对运动趋势，受到摩擦力，且摩擦力的方向与外力的方向相反。

2.3" 对摩擦力作用效果的理解

条目一：学生认为摩擦力只能充当阻力角色，不能作为动力；若可以作为动力，则摩擦力也应该被称为主动力。

条目二：学生对“摩擦力是被动力”的理解不深刻，习惯性地使用二力平衡解决问题。例如，学生认为在竖直方向上，无论受力情况如何，所受摩擦力的方向一定和重力的方向相反；认为“因受到沿斜面向上的外力而静止在斜面上”的物体，其静摩擦力的方向一定沿着斜面向下。

由此可见，学生此处

形成迷思概念的

原因复杂且多样

，教师在教学过程中应给予足够的重视。

3" 学生在学习摩擦力时的困难原因探析

3.1" 初中摩擦力问题的简单化对学生学习态度与知识理解的影响

初中阶段的学习仅涉及滑动摩擦力，并且基本不涉及多个物体间的相对运动情况。探究滑动摩擦力的影响因素也常常是“伪探究”。学生不需要过多思考，只凭记忆就可以轻松解答有关问题。在高中阶段，学生如果依然保持“摩擦力很简单，只需要记忆结论就可以学会”的态度，甚至认为自己已经会了而不认真学习，那么势必会在课后练习时出现疑问。而且，静摩擦力的有无和方向判断是一个学习难点。初中阶段的物理学习很少会遇到不确定的问题，有没有摩擦力基本是显而易见的，摩擦力方向也容易判断。在高中阶段，静摩擦力与之前不同。判断静摩擦力有无时，“相对运动趋势”一词中的“趋势”本就是不可见的，学生初学时很难判断出是否有“趋势”，对于静摩擦力方向的判断便也无从下手。

3.2" 受学习顺序的影响，学生使用规律解决问题的意识不够

学生在学习牛顿第二定律后，常会遇到大量与牛顿第二定律结合的摩擦力问题。很多时候，解题的过程涉及根据物体的运动状态来判断摩擦力的方向，在学生最初学习摩擦力时，教师是无法全面讲解这一方法的。故在初学摩擦力时，学生很难对摩擦力的判断方法有全面的了解；后续教学中，教师若没有重新帮助学生搭建有关摩擦力的知识体系，容易使学生产生迷思概念。错误概念一旦形成，很容易形成思维定式，学生在解决问题时可能会习惯性地调用已有的错误观念而忽视客观规律，使自己处在“看答案能看懂，自己做就出错”的被动境地，导致学习物理的信心备受打击。因此，在最初教学时，教师就应当借助实验，这比纯粹的数学公式更使人信服，更有利于学生物理学习思维的转变。

4" 用DIS系统辅助学生转变迷思概念

在有关学生对摩擦力的迷思概念认知转变的教学中，教师应将理论推导与实验验证相结合，丰富学生的感性认识，使学生获得足够的直接经验以冲破原有错误认知的束缚。教师应用实验数据证明规律的正确性，让学生相信规律，更多地使用规律而非常识解决物理问题，这对学生转变自己物理学习的态度也大有裨益。

4.1" 感受平衡、静摩擦力、最大静摩擦力与滑动摩擦力

在此部分，笔者选择的实验研究对象是小物块，运用叠块模型测量小物块的摩擦力。在2020年北京高考物理卷第11题中出现过这样的实验装置（见图1），此处通过拉动下方木板，来探究最大静摩擦力与滑动摩擦力的关系。［4］DIS实验系统也配有专门的实验器材，使用的是配有牵引电动机的导轨。在导轨上放一个表面粗糙的垫板，将物块放在垫板上，与图1本质相同，只是用电动机的拉力代替图1中的手动拉力。

虽然该实验可以探究摩擦力的相关规律，但是实验操作过程很迅速，学生的参与感并不强。学生没有深刻感受到摩擦力从静摩擦力变为最大静摩擦力，以至最终变为滑动摩擦力的整个过程。所以在实验过程中，教师可以放慢物块受力变化的过程，最好能够体现出“由量变到质变”的感觉，这样会使学生的参与感和体验感增强。

因此，笔者使用力传感器测量物块下垫板所受的拉力，将钩码和曲别针等作为配重物，把外力作用在小物块上，通过逐个增加曲别针的方式，以显示出“在增加第n个曲别针时小物块并未滑动，而一旦增加第n＋1个曲别针时物块立即滑动”的变化过程。实验装置图如图2所示。力传感器挂钩上的棉线另一端套在垫板的钉子上，使棉线初始处于松弛状态。将鱼线系在小物块左侧的铁环上，跨过多用力学轨道的滑轮，末端系成环形以挂配重物。可以先在鱼线末端挂5个曲别针，确保它能够稳定地跨过定滑轮。

实验过程如下。

第一步，称量小物块的质量，估算拉动小物块所需的配重物质量。笔者所用的物块质量为111.45 g，物块与垫板之间的静摩擦系数约为0.7，所以所需配重物的质量应在78 g左右。

第二步，进入DIS系统的通用软件模式，将力传感器调零。点击“开始记录”，记录此时力传感器的示数，为0.06 N。

第三步，在曲别针下方挂50 g的钩码，记录此时力传感器的示数，为0.07 N。能够发现与上次记录数据无较大差距，说明此时棉线并未绷紧，垫板上下表面所受的静摩擦力平衡。

第四步，在钩码下方再挂10 g的钩码，记录此时力传感器的示数为0.21 N。注意挂钩码时尽量不要施加外力，如不方便在钩码下方再挂钩码，可以使用质量相近的弹簧作为配重物。

第五步，此时配重物已达到60 g左右，为得到较多实验数据，先挂5个曲别针，记录数据，再挂5个曲别针，记录数据，分别为0.23 N和0.26 N。

第六步，上述步骤得到的数据0.26 N加上垫板下表面所受的静摩擦力，和粗略计算的最大静摩擦力已经比较接近，因此在接下来的实验中，每次增加一个曲别针，并记录数据。

第七步，当笔者增加到第17个曲别针时，力传感器示数已达到0.30 N，在增加第18个曲别针后小物块滑动，在滑离下方垫板前记录数据，为0.22 N。

第八步，保持配重不变，让小物块多滑几次，以获得滑动摩擦力的平均值。完整的数据记录表格如表1所示。

第九步，在计算表格右侧增加“变量x”，代表记录的次数，使用软件作出记录次数与力传感器示数关系的“F1-x”图（见图3）。

由图3可知，静摩擦力的大小会随着受力情况的变化而变化，这是摩擦力是被动力的表现之一。最大静摩擦力变为滑动摩擦力是一个突变的过程，第18个曲别针就是“压死骆驼的最后一根稻草”。

垫板滑动时力传感器的示数与垫板静止并受最大静摩擦力时力传感器的示数

相差约为33%。日常题目中最大静摩擦力与滑动摩擦力常常被认为近似相等，似乎不应该有这么大的差距。图1中的最大静摩擦力约为10 N，滑动摩擦力在7 N左右，相差30%，说明实际情况就是如此。在平时的练习中，我们有时对问题做了近似处理，此时问题是模型化的。当然，材料的不同也会影响最大静摩擦力与滑动摩擦力的差距。

教师在完成实验过后，还需进行理论分析。在本实验中，垫板起初受到小物块和轨道的静摩擦力，随着棉线绷紧还受到棉线的拉力。后来小物块相对垫板发生运动，垫板上方受到的摩擦力为滑动摩擦力。因此静止的物体也可以受到滑动摩擦力。

4.2" 感受运动中的摩擦力

只研究平衡问题不足以帮助学生全面认识静摩擦力与滑动摩擦力，因此，感受运动中的摩擦力是必不可少的，此部分最好结合牛顿第二定律来解释。教师可以在牛顿第二定律的应用环节演示此实验，补充学生对摩擦力的认识。

笔者利用长纸箱、书本、组合发圈和小物块作为实验器材，组装了实验装置如图4所示，构成了简易的三层叠块模型，笔者使用了两个力传感器，分别拉动组合发圈中其中一圈的两端，使得整体受力较为均匀，以使物块沿直线运动。

实验过程如下。

第一步，进入DIS系统的通用软件模式，将力传感器调零。设置自动记录采集时间为0.5 s，点击“开始记录”，得到的数据如表2所示。

第二步，手握两个传感器，做先加速后减速的直线运动，停止运动后点击“结束”（用手机录制实验过程）。

第三步，在“计算表格”右侧增加“变量F3”，点击公式，设置自由公式“F3＝F1＋F2”。

第四步，利用软件绘图功能绘制“F3-t”图。

第五步，设置自动记录采集时间为0.2 s，重复上述操作，最终得到的数据如表3所示。

本实验可以增强学生对牛顿第二定律的认识。由于书的运动状态是变加速运动，我们只能通过定性分析出叠块模型先做变加速运动，后做变减速运动。需要学生注意的是，

书的加速和减速并非由于手的拉力先增大后减小，

而是因为书所受的合力先向左增大，后向右增大。如果书只受到手的拉力作用，那么应先做加速度逐渐增大的加速运动，再做加速度逐渐减小的加速运动，此时两段都是加速运动，与有摩擦时的运动存在本质区别。该实验说明，学生在考查某物体的加速度时，应该分析清楚物体所受的合力，尽管有时某些力可能是未知的。

将手机拍摄的实验过程视频导入到ScreenToGif编辑器中，系统会将视频自动分为500帧，就可以逐帧播放叠块的运动过程，这比简短的视频更加直观清晰。本文选取了几帧图片，用PowerPoint的“下移一层”功能将各张图片的叠块部分组合在一起（见图5）。经过对比，我们可以很明显地看出，最上方的小木块相对于书没有运动，而书和物块整体相对于长纸箱向左运动（初始时刻书的最右端与纸箱的最右端是平齐的）。虽然“书物整体”与长纸箱都相对于桌面向左运动，但是它们的加速度不同，而小物块和书的加速度时刻保持相同。

根据实验结果的理论分析，小物块的加速度先向左再向右。由于小物块在水平方向上只受到阻力的作用，且其与下方的书之间无相对运动，因此它的加速度由静摩擦力提供，静摩擦力先作为动力、后作为阻力。书在水平方向上受到拉力、小物块给予的静摩擦力和长纸箱给予的滑动摩擦力。在加速阶段，小物块对书的静摩擦力方向向右，长纸箱对书的滑动摩擦力方向也向右；而在减速阶段，小物块对书的静摩擦力方向向左，但长纸箱对书的滑动摩擦力方向还是向右的（因为书始终相对于长纸箱向左运动）。最后对于长纸箱，水平方向上受到两个力，一是书对它的滑动摩擦力，方向始终向左；二是桌面对它的滑动摩擦力，方向始终向右。由此可见，三个物体所受摩擦力的情况各不相同。我们也可以利用前面得出的具体数据，在测量物体质量后，依据牛顿第二定律得出各个物体在某时刻的加速度，这便是一道生动的、以摩擦力为核心的叠块模型问题。

5" 结语

除摩擦力外，学生高中物理的学习中还有很多重要的概念和规律也很复杂，学生往往会形成大量的迷思概念，并难以转变。教师在教学中应该注意收集学生在学习过程中存在的问题，采取适当的措施解决问题，以辅助学生转变迷思概念，打造高效的物理课堂。

参考文献

［1］陈欣，皮飞鹏，梁文懿.用四阶测试卷诊断高三学生摩擦力迷思概念［J］.物理教学，2022，44（3）：17-20.

［2］陈欣.用四阶测试卷诊断高三学生的物理迷思概念——以摩擦力为例［D］.广州：广州大学，2020：48.

［3］王小兰，陈瑞安，李春密.静摩擦力的“迷思概念”纠正研究［J］.中学物理，2014，32（17）：32-34.

［4］吴广国，邹斌.测量静摩擦力大小实验中需要关注的三个问题——兼谈2020年高考北京卷物理第11题的解析［J］.中学物理教学参考，2021，50（10）：49-51.