基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的滑動摩擦力概念教學(xué)的策略與實踐

陳力 魏新才

摘? ?要：物理概念是學(xué)生認(rèn)識物理世界的基礎(chǔ)，也是核心素養(yǎng)的重要組成部分。根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論，物理概念建立的過程具有邏輯性和層次性，那么教師在設(shè)計教學(xué)活動時就應(yīng)該結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)和認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，在大量的事實經(jīng)驗和科學(xué)概念之間為學(xué)生逐級地搭建認(rèn)知進(jìn)級的“階”。機(jī)械運動和相互作用是最重要的物理觀念之一，滑動摩擦力是其中一個重要的基本概念。筆者以教科版高中物理必修一第2章第3節(jié)“滑動摩擦力”概念教學(xué)為例，具體說明“學(xué)習(xí)進(jìn)階”在課堂教學(xué)設(shè)計中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)進(jìn)階;滑動摩擦力;物理概念

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）3-0004-5

周光召先生曾說過“科學(xué)教育不應(yīng)該傳授給學(xué)生支離破碎、脫離生活的抽象理論和事實，而是應(yīng)當(dāng)慎重選擇一些重要的科學(xué)概念，用恰當(dāng)、生動的方法，幫助他們建立一個對世界完整的理解?！被谖锢韺W(xué)科中概念教學(xué)的特點，即建立在豐富的事實經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，從“基礎(chǔ)概念”到“基本概念”，再到“重要概念”，然后到“主題核心概念”，最后逐漸升級到“學(xué)科核心概念”，有序地引導(dǎo)學(xué)生建立完整的知識體系。通過學(xué)科核心概念層次性的生成過程，為學(xué)生未來科學(xué)素養(yǎng)的提升提供有力的“支架”。

1? ? 學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的簡介

“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的概念最早由美國國家研究委員會（NRC）提出。盡管不同的研究者對“學(xué)習(xí)進(jìn)階”的定義不同，但都突出體現(xiàn)了“階”在學(xué)生構(gòu)建知識體系過程中的重要性，即學(xué)習(xí)不是一蹴而就的，而是通過一系列的由淺入深、由簡到繁的思維層級構(gòu)成的，這些思維層級就好比學(xué)生認(rèn)知“攀巖”過程中的“腳踏點”。只有科學(xué)地選取“腳踏點”，建筑“物理大廈”才有實現(xiàn)的可能性。

北京師范大學(xué)物理教育研究團(tuán)隊結(jié)合我國物理概念教育實踐的現(xiàn)狀，以物理概念的認(rèn)知程度作為進(jìn)階的自變量，將物理概念學(xué)習(xí)分為五個層級，即：事實經(jīng)驗、映射、關(guān)聯(lián)、概念、整合，各層級具體描述見表1。

2? ? 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的滑動摩擦力教學(xué)的進(jìn)階策略

2.1? ? 基于事實經(jīng)驗，注重與科學(xué)概念的實質(zhì)性聯(lián)系

物理概念的建立需要創(chuàng)設(shè)情境。學(xué)生在學(xué)習(xí)物理概念之前，已經(jīng)形成了大量與科學(xué)概念有關(guān)的經(jīng)驗性常識。在這些事實經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生通過對經(jīng)驗現(xiàn)象的推理、概括、歸納得出共同屬性，進(jìn)而完成事實經(jīng)驗到科學(xué)概念的轉(zhuǎn)變。

2.2? ? 基于“踮踮腳夠得到”的原則，促進(jìn)學(xué)生的思維成長

為了能夠有效地促進(jìn)學(xué)生思維的發(fā)展，在教學(xué)中為學(xué)生搭建臺階是很有必要的。如果臺階過少，會增加學(xué)生的思維跨度，容易讓學(xué)生產(chǎn)生畏難心理，影響教學(xué)進(jìn)度;如果臺階過多，會導(dǎo)致學(xué)生變相地被老師“牽著走”，從而減少了學(xué)生獨立思考的機(jī)會，因此在教學(xué)中應(yīng)該貫徹“踮踮腳夠得到”的原則，有效促進(jìn)學(xué)生的思維成長。

2.3? ? 基于學(xué)科的基本概念，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)概念體系的發(fā)展

2019年全國III 卷理科綜合考試中，第14題“楞次定律是哪個定律在電磁感應(yīng)現(xiàn)象中的體現(xiàn)呢？”學(xué)生得分率比較低，究其原因就在于學(xué)生對科學(xué)概念的理解往往是碎片化的，缺乏建構(gòu)各個科學(xué)概念關(guān)聯(lián)的思維過程。學(xué)生對楞次定律的理解往往停留在“判斷感應(yīng)電流方向”的層面上，教師甚至總結(jié)出“增反減同”“增離減靠”“來拒去留”“增縮減擴(kuò)”等口訣幫助學(xué)生做題時能快速作出判斷，然而卻忽略了楞次定律的本質(zhì)內(nèi)容，即產(chǎn)生感應(yīng)電流的過程必須遵守能量守恒定律?？茖W(xué)教育應(yīng)通過具體的科學(xué)概念促進(jìn)學(xué)生對核心概念的深入理解，并在核心概念的統(tǒng)領(lǐng)下加強(qiáng)具體科學(xué)概念之間的聯(lián)系，逐步建立科學(xué)概念體系。

3? ? 基于學(xué)習(xí)進(jìn)階理論的滑動摩擦力教學(xué)的進(jìn)階途徑

3.1? ? 進(jìn)階起點分析

“滑動摩擦力”是高中物理必修一第2章第

3節(jié)的內(nèi)容，其實是初中知識的延伸和拓展。在初中階段，學(xué)生對滑動摩擦力已經(jīng)有了一定的認(rèn)識和了解。但大多數(shù)學(xué)生對滑動摩擦力缺乏正確的認(rèn)識，例如，認(rèn)為“滑動摩擦力的方向與運動方向相反”，“受滑動摩擦力的物體一定是運動的”，“正壓力等于物體的重力”，“對相對性缺乏感性認(rèn)識”，等等。教師就應(yīng)該在生活經(jīng)驗和課堂實驗的雙重引導(dǎo)下，有針對性地設(shè)計教學(xué)問題，為學(xué)生搭建臺階，讓學(xué)生真正掌握滑動摩擦力的內(nèi)涵。

3.2? ? 進(jìn)階過程

3.2.1? ? 創(chuàng)設(shè)情境，補(bǔ)充事實經(jīng)驗，導(dǎo)入新課

自動人行步道在現(xiàn)代生活中特別常見，如航站樓、超市、高鐵站等，如圖1所示。教師播放相關(guān)視頻，視頻中一個小朋友問媽媽“為什么我們一站上來就能動起來呢？”教師將該問題順勢拋給學(xué)生。學(xué)生根據(jù)已有的力的作用效果以及摩擦力的知識，可以想到是因為摩擦力的作用，但具體是滑動摩擦力還是靜摩擦力學(xué)生卻模棱兩可，無法給出正確的解釋。

設(shè)置目的：引入常見的生活場景，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)知沖突，為新概念的引入和建立提供事實依據(jù)。

3.2.2? ? 創(chuàng)設(shè)情境，引出滑動摩擦力

教師：力看不見摸不著，什么力才是滑動摩擦力呢？請大家伸出手，我們先一起來感受一下滑動摩擦力。

【學(xué)生活動】 手壓在桌面上向前推（如圖2）。

教師：大家有什么感覺嗎？

學(xué)生：推起來有點費力，好像有什么在阻礙我的手向前推……

教師：哦……有點阻礙的作用。那么，在物理學(xué)中就稱“當(dāng)兩個物體間有相對運動時，在接觸面上產(chǎn)生的阻礙物體相對運動的力就是滑動摩擦力?！?/p>

設(shè)置目的：（1）學(xué)生通過自己的真實體驗，感受到滑動摩擦力的存在，降低了概念理解上的難度，為滑動摩擦力概念學(xué)習(xí)從“事實經(jīng)驗”層級上升到“映射”層級搭建了強(qiáng)有力的“階”;（2）由于滑動摩擦力產(chǎn)生的條件還沒有得出，而教材上關(guān)于滑動摩擦力的概念說明長達(dá)61個字（如圖3），對學(xué)生來說既枯燥又難以理解，所以在此并不過多地強(qiáng)調(diào)滑動摩擦力的概念，只是引出滑動摩擦力而已。

關(guān)于“滑動摩擦力”定義的描述

3.2.3? ? 進(jìn)階過程：創(chuàng)設(shè)情境，通過演示實驗和分組實驗探究滑動摩擦力的方向和大小

（1）探究活動：探究滑動摩擦力的方向

請學(xué)生們用刷子在自己的手背上刷一刷，判斷刷子所受滑動摩擦力的方向。由于缺乏相對性的概念，學(xué)生很容易得出“滑動摩擦力的方向與運動方向相反”的錯誤結(jié)論。為此，教師設(shè)計了三組實驗依次向?qū)W生們演示（如圖4）：（a）手不動刷子動;（b）刷子不動，手動;（c）擦黑板。教師在演示（b）（c）兩個實驗時，同時引導(dǎo)學(xué)生思考“刷子和黑板都沒有動，是否受到滑動摩擦力的作用以及各自所受滑動摩擦力的方向”。學(xué)生恍然大悟，進(jìn)而得出 “滑動摩擦力的方向與相對運動方向相反”的正確結(jié)論。

通過上面3個演示實驗，雖然學(xué)生對滑動摩擦力的方向已經(jīng)有了正確的認(rèn)識，但是對“相對運動”仍然缺乏形象、深刻的認(rèn)識。為此，教師可以利用Flash動畫將這種“相對性”形象地展示出來（如圖5），進(jìn)而讓學(xué)生正確判斷出各個物體所受滑動摩擦力的方向。

設(shè)置目的：滑動摩擦力方向的判斷是本節(jié)課的難點。在常規(guī)教學(xué)設(shè)計中，一般都是先探究滑動摩擦力的大小，再探究滑動摩擦力的方向。但是筆者認(rèn)為，在探究滑動摩擦力大小的實驗中也會涉及到物塊所受滑動摩擦力方向的判斷，這對學(xué)生而言，在思維上存在“跨層級”問題。因此，在本教學(xué)設(shè)計中，先探究滑動摩擦力的方向，再探究滑動摩擦力的大小。教師通過不同的演示實驗，層層遞進(jìn)，引導(dǎo)學(xué)生體會“相對性”進(jìn)而得出正確結(jié)論。

（2） 探究活動：探究滑動摩擦力的大小

在探究滑動摩擦力大小的活動中，讓學(xué)生帶著對以下五個任務(wù)問題的思考，嘗試設(shè)計實驗方案，逐級地構(gòu)建出準(zhǔn)確測量木塊所受滑動摩擦力大小的實驗裝置并完成表格。

任務(wù)一：回憶滑動摩擦力的大小與哪些因素有關(guān)？

任務(wù)二：思考應(yīng)該采用什么樣的實驗方法？

任務(wù)三：實驗方法具體實施的步驟。

任務(wù)四：設(shè)計實驗方案，如何準(zhǔn)確測量木塊所受滑動摩擦力的大??？

任務(wù)五：分析實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論。

實驗數(shù)據(jù)表格設(shè)計見表2、表3。

但由于受到初中探究滑動摩擦力大小的實驗方案的影響，學(xué)生很容易設(shè)計出如圖6（a）所示的實驗裝置。在此，教師先要對學(xué)生積極地參與思維活動予以肯定，然后鼓勵學(xué)生深入思考該實驗方案在實驗操作上有哪些弊端。學(xué)生經(jīng)過思考，很快聯(lián)想到“勻速拉動很難實現(xiàn)”，“拉動過程中彈簧測力計的示數(shù)很難準(zhǔn)確讀取”，等等。從而改進(jìn)實驗裝置，如圖6（b）所示。

對于公式f=μN(yùn)，教師應(yīng)該提供豐富的情境引導(dǎo)學(xué)生深入理解各個物理量的含義。例如：“動摩擦因數(shù)μ是否取決于滑動摩擦力f和正壓力N？μ與哪些因素有關(guān)？正壓力一定等于物體的重力嗎？”采用圖7所示的情境與裝置進(jìn)行討論;在圖6（b）所示的實驗中，如何才能準(zhǔn)確測量木板下表面所受滑動摩擦力的大小呢？

設(shè)置目的：在教師的引導(dǎo)下，學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題的過程，認(rèn)識如何在事實經(jīng)驗的基礎(chǔ)上通過抽象、概括、推理、論證等過程形成知識。學(xué)生通過分組實驗科學(xué)探究的方式來獲取知識、發(fā)展能力。通過對實驗結(jié)論的討論，加深學(xué)生對概念規(guī)律的認(rèn)識，利于學(xué)生對知識的應(yīng)用，防止思維碎片化。

（3）實驗：總結(jié)滑動摩擦力產(chǎn)生的條件，理解滑動摩擦力概念

學(xué)生通過分組實驗，探究得出滑動摩擦力大小的計算公式后，教師再引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識以及實驗體會，總結(jié)滑動摩擦力的產(chǎn)生條件，在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生回歸課本，理解課本中（圖3）關(guān)于滑動摩擦力的概念說明。

設(shè)置目的：遵循知識生成的過程，這樣設(shè)計，一方面可以降低知識難度，另一方面可以訓(xùn)練學(xué)生的邏輯推理和歸納總結(jié)能力。

3.2.4? ? 進(jìn)階過程：應(yīng)用、留疑、整合

（1） 知識應(yīng)用：學(xué)生利用所學(xué)知識分析在新課導(dǎo)入環(huán)節(jié)小朋友提出的問題“為什么人一站上自動人行步道就能動起來呢？”學(xué)生在分析原因時進(jìn)行分類分析，按照類型將自動人行步道分為水平和傾斜兩種類型，按照運動過程將人的運動分為加速和勻速兩個階段。

（2）對于人在傾斜自動人行步道上的勻速階段的受力情況，超出了學(xué)生在本節(jié)課上所學(xué)知識的范圍，但為下節(jié)“靜摩擦力”的學(xué)習(xí)做了思維上的鋪墊。

（3）學(xué)生討論、總結(jié)：在知識、方法和情感體驗等方面大家都學(xué)到了什么？

設(shè)置目的：在概念教學(xué)中，知識和知識獲取的策略兩者同等重要。因為，在解決不同的任務(wù)時，策略性的知識更容易被遷移，因此努力提升課堂教學(xué)中學(xué)生思維的質(zhì)和量，才是概念教學(xué)的重難點。

三尺講臺，神圣無邊。講臺不是教師自編自演的舞臺，而是匠心獨運為學(xué)生逐級搭建從“混沌”走向“科學(xué)”臺階的平臺。核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展并非一時之功，連小“階”成大“階”，學(xué)生尋“階”而上，最終構(gòu)建屬于每個學(xué)生自己的“物理大廈”。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯? ? 趙保鋼）