自制教具在提升學(xué)生核心素養(yǎng)中的輔助作用

王玉婷

摘要：教具對(duì)于物理課堂教學(xué)活動(dòng)效果有著直接影響，其能將物理教科書中的基本知識(shí)元素直觀地展示出來，使學(xué)生更好的獲得物理知識(shí)素養(yǎng)。借助自制教具可將抽象的摩擦力問題轉(zhuǎn)化成直觀現(xiàn)象，幫助學(xué)生準(zhǔn)確理解物理概念，形成物理觀念。本文將結(jié)合實(shí)踐操作談“探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)，以及自制教具對(duì)“摩擦力”相關(guān)現(xiàn)象的輔助分析。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)；摩擦力；自制教具；直觀顯示

中圖分類號(hào)：G633.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-3315（2021）6-014-002

物理核心素養(yǎng)是學(xué)生在接受物理教育過程中逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展和社會(huì)發(fā)展需要的必備品格和關(guān)鍵能力。新課改引導(dǎo)我們要設(shè)定使學(xué)生獲得物理學(xué)科核心素養(yǎng)為教育教學(xué)的重要目標(biāo)，通過自制教具的使用能促進(jìn)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的形成。當(dāng)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，他們已經(jīng)擁有了一個(gè)科學(xué)的頭腦，并于腦海中形成了初步的物理概念。在自制教具使用中經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)問題并改進(jìn)的活動(dòng)，正是提高學(xué)生探索和解決問題的能力過程。本文將結(jié)合實(shí)踐操作談“探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)，以及自制教具對(duì)“摩擦力”相關(guān)現(xiàn)象的輔助分析。

一、對(duì)“探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐探索

（一）教材實(shí)驗(yàn)及不足

“摩擦力”是初二物理“力學(xué)”知識(shí)模塊的重點(diǎn)，難點(diǎn)知識(shí)。其感念抽象不容易理解，在解決相關(guān)問題時(shí)，常常只能理論分析而少了直觀感受，這節(jié)課中的“探究影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素”實(shí)驗(yàn)是幫助學(xué)生理解摩擦力相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的重要實(shí)驗(yàn)。教學(xué)中，首先通過回憶、重現(xiàn)、體驗(yàn)等手段使學(xué)生猜想出影響滑動(dòng)摩擦力大小的因素可能與接觸面間的壓力大小、接觸面間的粗糙程度和接觸面積大小等有關(guān)，如此即可明確實(shí)驗(yàn)研究中要用到控制變量的研究方法，其中如何測(cè)量滑動(dòng)摩擦力的大小是又一關(guān)鍵問題所在。由于學(xué)生沒有相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備，課本直接告知學(xué)生當(dāng)用彈簧測(cè)力計(jì)水平拉動(dòng)木塊使其做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)力計(jì)的讀數(shù)等于滑動(dòng)摩擦力。

實(shí)驗(yàn)器材（圖1）：木塊、長(zhǎng)木板、彈簧測(cè)力計(jì)、棉線

實(shí)驗(yàn)步驟：1.將彈簧測(cè)力計(jì)秤鉤通過棉線和木塊固定。2.彈簧測(cè)力計(jì)沿水平方向拉動(dòng)木塊，使木塊沿著拉力方向在木板表面做勻速直線運(yùn)動(dòng)。3.讀出此時(shí)測(cè)力計(jì)的示數(shù)，即等于物體所受滑動(dòng)摩擦力的大小。4.控制接觸面的材質(zhì)相同，在木塊上增加砝碼從而改變壓力大小重復(fù)2、3步驟將數(shù)據(jù)記錄于表格中。5.控制接觸面的壓力大小不變，改變木板表面的材質(zhì)從而改變粗糙程度重復(fù)2、3步驟記錄數(shù)據(jù)。6.控制接觸面的粗糙程度和壓力大小都不變，改變拉動(dòng)的速度，記錄彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度、壓力的大小有關(guān)，接觸面越粗糙、壓力越大，滑動(dòng)摩擦力越大，在一定范圍內(nèi)，滑動(dòng)摩擦力的大小與接觸面積的大小無關(guān)。

如此得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論和學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)基本是吻合的，學(xué)生能較好的接受。主要的困惑是在操作中暴露出來的以下問題：1.如何讓木塊做勻速直線運(yùn)動(dòng)？物體運(yùn)動(dòng)是否勻速很難判斷，學(xué)生一般采用慢速拉動(dòng)的辦法，但操作中會(huì)發(fā)現(xiàn)常常出現(xiàn)頓挫現(xiàn)象導(dǎo)致彈簧測(cè)力示數(shù)忽大忽小無法讀數(shù)，所以要做勻速直線運(yùn)動(dòng)是很難的。2.不能研究以不同速度做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)滑動(dòng)摩擦力是否影響。本身拉動(dòng)木塊做運(yùn)速運(yùn)動(dòng)已經(jīng)很難，要拉動(dòng)木塊做不同速度時(shí)的勻速運(yùn)動(dòng)基本不能實(shí)現(xiàn)。3.準(zhǔn)確讀數(shù)較困難。由于是用手控制彈簧測(cè)力計(jì)拉著木塊運(yùn)動(dòng)，這樣就很難保證做勻速直線運(yùn)動(dòng)。而讀數(shù)時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)一直在運(yùn)動(dòng)，學(xué)生的視線要和測(cè)力計(jì)保持同步運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)時(shí)讀數(shù)，數(shù)據(jù)會(huì)有較大誤差?；谝陨蠁栴}，我對(duì)課本實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行如下改進(jìn)。（二）實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案探索

本實(shí)驗(yàn)的原理是當(dāng)木塊處于二力平衡時(shí)通過彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)轉(zhuǎn)化出滑動(dòng)摩擦力的大小，而一個(gè)物體二力平衡時(shí)可以是做勻速直線運(yùn)動(dòng)或者是保持靜止?fàn)顟B(tài)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)的實(shí)際問題為便于在彈簧測(cè)力計(jì)上準(zhǔn)確讀數(shù)，就要讓彈簧測(cè)力計(jì)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)讀數(shù)，即木塊也是處于靜止?fàn)顟B(tài)的，此時(shí)木塊應(yīng)該在水平方向上處于靜止的二力平衡。為使靜止的木塊受到滑動(dòng)摩擦力，就只能拉動(dòng)下面的長(zhǎng)木板，結(jié)合相對(duì)運(yùn)動(dòng)知識(shí)，靜止的木塊實(shí)質(zhì)上是相對(duì)于下面的木塊在做相對(duì)滑動(dòng)使其受到滑動(dòng)摩擦力的。

改進(jìn)探索1：如圖2所示，彈簧測(cè)力計(jì)的提環(huán)固定，秤鉤鉤住木塊，使測(cè)力計(jì)和拉線處于水平狀態(tài)。用手緩慢拉動(dòng)下面的長(zhǎng)木板，我們會(huì)觀察到一開始木塊隨長(zhǎng)木板一起運(yùn)動(dòng)，彈簧測(cè)力計(jì)讀數(shù)逐漸變大，當(dāng)測(cè)力計(jì)示數(shù)達(dá)到一定值時(shí)木塊和木板之間就會(huì)開始產(chǎn)生滑動(dòng)，持續(xù)拉動(dòng)下方的木板而木塊已經(jīng)處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)讀數(shù)方便準(zhǔn)確。這樣改進(jìn)收到以下效果：1.當(dāng)彈簧測(cè)力計(jì)和長(zhǎng)木板之間產(chǎn)生滑動(dòng)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，這樣便于讀數(shù)，減小誤差。2.操作中是拉動(dòng)木板，木塊和木板處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，讀數(shù)時(shí)木塊和測(cè)力計(jì)始終是靜止的。那么木塊相對(duì)于木板的滑動(dòng)速度的改變就可以通過木板的拉動(dòng)的快慢來實(shí)現(xiàn)，即可以先研究當(dāng)其它因素相同時(shí)物體的滑動(dòng)速度對(duì)滑動(dòng)摩擦力是否有影響的內(nèi)容。通過研究即可發(fā)現(xiàn)，木塊所受滑動(dòng)摩擦力的大小與滑動(dòng)的速度無關(guān)，于是在拉動(dòng)長(zhǎng)木板運(yùn)動(dòng)時(shí)就不必控制長(zhǎng)木板做勻速直線運(yùn)動(dòng)，這樣就大大降低了操作的難度。

改進(jìn)探索2：這樣的設(shè)想合情合理，但經(jīng)實(shí)際操作學(xué)生馬上發(fā)現(xiàn)了新的問題：由于彈簧測(cè)力計(jì)自重影響，拉著木塊的棉線有明顯向下的彎曲，導(dǎo)致拉力不能沿著水平方向，如此必然導(dǎo)致讀數(shù)誤差增大，不能準(zhǔn)確反映滑動(dòng)摩擦力的大小。改進(jìn)方案也很簡(jiǎn)單，在測(cè)力計(jì)下方放置木塊等增高物，使得測(cè)力計(jì)和棉線始終處于水平狀態(tài)。

改進(jìn)探索3：利用改進(jìn)后的器材，學(xué)生多次進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。感受到當(dāng)彈簧測(cè)力計(jì)處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)確實(shí)有助于讀數(shù)準(zhǔn)確。由于不必控制木板做勻速直線運(yùn)動(dòng)，操作時(shí)確實(shí)也帶來方便。但操作時(shí)還是發(fā)現(xiàn)新的不足，由于實(shí)驗(yàn)室木板的長(zhǎng)度有限，木塊前方還有用于墊高的木塊阻擋，導(dǎo)致木板在木塊下方滑行的距離太短，因而滑行的時(shí)間太短讀數(shù)較為急促，若在研究速度大小是否影響滑動(dòng)摩擦力大小時(shí)以更快的速度滑行根本就來不及讀數(shù)了。若減慢相對(duì)滑動(dòng)速度來延長(zhǎng)讀數(shù)時(shí)間，操作時(shí)同樣容易產(chǎn)生頓挫現(xiàn)象，給讀數(shù)帶來困難。

鑒于這個(gè)問題，筆者和學(xué)生一起設(shè)計(jì)了改進(jìn)裝置。這是一個(gè)小型傳送帶裝置，它是按照木工砂帶打磨機(jī)仿制而成，傳送帶可以在手電鉆驅(qū)動(dòng)下不停的轉(zhuǎn)動(dòng)。操作時(shí)，將木塊放到水平傳送帶上，彈簧測(cè)力計(jì)掛鉤端鉤住木塊，另一端用鐵夾夾住測(cè)力計(jì)框架固定到立柱上，調(diào)節(jié)高度與木塊保持在同一水平面。使用手電鉆帶動(dòng)傳送帶使其和木塊產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)。這樣改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)：1.用夾具夾住彈簧測(cè)力計(jì)的外框架，可以避免其自重對(duì)拉力方向產(chǎn)生影響，只需調(diào)節(jié)夾具夾到不同的高度便可使測(cè)力計(jì)的拉力保持在水平方向；2.在手電鉆驅(qū)動(dòng)下傳送帶不停的運(yùn)動(dòng)，木塊可以持續(xù)受到滑動(dòng)摩擦力的作用，這樣學(xué)生就有足夠的時(shí)間準(zhǔn)確讀數(shù)；3.傳送帶的轉(zhuǎn)速可以通過手把上的開關(guān)控制手電鉆的轉(zhuǎn)速?gòu)亩玫礁淖?，如此可方便研究不同的滑?dòng)速度對(duì)滑動(dòng)摩擦力大小的影響；4.由于下方的木板換成了傳送帶裝置，在研究接觸面粗糙程度對(duì)滑動(dòng)摩擦力影響時(shí)，更換粗糙程度不同的傳送帶不便操作，于是學(xué)生思考可以在木塊的多個(gè)面貼上棉布、毛巾等不同粗糙程度的材料，實(shí)驗(yàn)時(shí)更換同一木塊的不同面與傳送帶接觸即可，同時(shí)也能保證壓力大小不變。

以上對(duì)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)過程凸顯了理論與實(shí)踐相結(jié)合，體現(xiàn)了學(xué)生核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。學(xué)生沒有停留在知識(shí)點(diǎn)的識(shí)記，而是通過實(shí)驗(yàn)探索實(shí)驗(yàn)結(jié)論的正確性，如此有助于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究能力。對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，教師要能適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生思考，并嘗試改進(jìn)，如此有助于鍛煉學(xué)生的科學(xué)思維。經(jīng)歷不斷的實(shí)踐和改進(jìn)，為學(xué)生創(chuàng)造運(yùn)用知識(shí)的舞臺(tái)，不斷強(qiáng)化學(xué)生探索真理的科學(xué)意識(shí)。所以，對(duì)于課本中的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生實(shí)驗(yàn)不能停留在理論分析，一定要實(shí)際操作，只要我們?cè)诶^承基礎(chǔ)上勇于創(chuàng)新，換個(gè)角度去思考，敢于實(shí)踐，定能收到意外的效果。

二、借助自制教具突破“摩擦力”疑難問題

初中生的抽象分析能力較弱，且在解決問題時(shí)往往還會(huì)被一些已有的錯(cuò)誤經(jīng)驗(yàn)干擾，教學(xué)中常常要通過教具實(shí)物，化抽象為形象，變語言描述為直觀現(xiàn)象，這更適合初中學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，也有助于學(xué)生自行構(gòu)建物理概念，形成物理基本觀念。

例如，在分析傳送帶上物體所受摩擦力時(shí)，以往就是先畫受力分析圖，再結(jié)合摩擦力的概念或力和運(yùn)動(dòng)的關(guān)系來判斷推理?？墒橇W(xué)物理概念本身抽象難懂，摩擦力的大小、方向、作用點(diǎn)這三要素的確定更是難點(diǎn)，解決這類問題時(shí)就可以利用這個(gè)自制教具直觀展示所受摩擦力情況，輔助學(xué)生加深對(duì)摩擦力的理解。

問題情景1：如何認(rèn)識(shí)在水平面上滑動(dòng)物體所受摩擦力？一般使用彈簧拉動(dòng)水平桌面上的木塊，觀察彈簧被拉長(zhǎng)了的現(xiàn)象進(jìn)而分析推理出木塊受到了阻礙拉動(dòng)的力即摩擦力。通過自制教具可將滑動(dòng)摩擦力直觀化。教學(xué)中，將牙刷的刷頭組裝到了木塊上，刷毛向下放置于水平桌面，拉動(dòng)木塊觀察到刷毛發(fā)生了彎曲現(xiàn)象。根據(jù)刷毛彎曲的現(xiàn)象即可判斷受到了滑動(dòng)摩擦力，彎曲方向可以反映所受摩擦力的方向。如此有利于學(xué)生對(duì)摩擦力概念的理解。

問題情景2：一個(gè)物體靜止在斜面上要求分析物體所受摩擦力。問題實(shí)質(zhì)是要研究所受靜摩擦力的情況，如圖4所示可將傳送帶轉(zhuǎn)過一個(gè)角度傾斜固定，將帶刷毛的木塊放到斜面上處于靜止?fàn)顟B(tài)，通過觀察刷毛向上彎曲的現(xiàn)象明確此時(shí)木塊受到沿斜面向上的摩擦力即可。

問題情景3：隨傾斜的傳動(dòng)帶一起斜向上做勻速運(yùn)動(dòng)的木塊所受摩擦力方向向哪里？有學(xué)生認(rèn)為木塊斜向上運(yùn)動(dòng)，摩擦力應(yīng)該是斜向下的。用手電鉆帶動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，使木塊隨之一起斜向上勻速直線運(yùn)動(dòng)，觀察刷毛發(fā)現(xiàn)是向上彎曲的，說明此時(shí)受到的是斜向上的摩擦力。

問題情景4：使木塊隨傳送帶斜向下做勻速直線運(yùn)動(dòng)是否受到摩擦力作用？部分學(xué)生受到情景3問題的影響覺得摩擦力方向應(yīng)該是斜向下的。但通過再次觀察發(fā)現(xiàn)木塊下方的刷毛還是向上彎曲，說明此時(shí)同樣受到斜向上的摩擦力。

借助教具的展示學(xué)生感受到憑感覺是不可靠的，仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)情景2、3、4都是關(guān)于靜摩擦力的分析，情景3和情景4中雖然木塊在運(yùn)動(dòng)，但實(shí)質(zhì)和情景2是一樣的，木塊和傳送帶都是處于相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)木塊受到阻礙沿斜面向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，固而受到沿斜面向上的靜摩擦力。

問題情景5：木塊隨傳送帶一起水平向右勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)（如圖3），對(duì)木塊水平方向受力分析（不計(jì)空氣阻力）。同學(xué)們認(rèn)為既然向右運(yùn)動(dòng)那么一定受到向左的摩擦力。教學(xué)中一般順著學(xué)生的錯(cuò)誤思維用假設(shè)法分析：假設(shè)木塊受到一個(gè)水平向左的摩擦力，那么這個(gè)摩擦力只能是傳送帶施加給它。而木塊要沿水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)，必定還要受到一個(gè)水平向右的力和假設(shè)的摩擦力相平衡，但是找不到施力物體，于是判斷不存在這樣一個(gè)與之平衡的力，而要做勻速直線運(yùn)動(dòng)只能是在水平方向不受力了，最終判斷假設(shè)的摩擦力是不存在。對(duì)于一般的學(xué)生如此高要求的分析在短時(shí)間內(nèi)是理解不了的。

如果借助自制教具問題便會(huì)迎刃而解。啟動(dòng)傳送帶，用手擋住木塊，我們觀察到刷毛彎曲，說明此時(shí)有摩擦力。撤銷阻擋，使木塊隨傳送帶一起做勻速直線運(yùn)動(dòng)，觀察到木塊下方的刷毛變豎直了，進(jìn)而推知此時(shí)木塊在水平方向不受摩擦力作用，最終得出水平方向不受力的結(jié)論。

問題情景6：這種情況屬于情景5的變化拓展，靜止的米袋放到水平向右勻速運(yùn)動(dòng)的傳送帶上，米袋先在傳送帶上滑動(dòng)，后隨傳動(dòng)帶一起做勻速直線運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)分析此過程中摩擦力的情況。學(xué)生常常搞不清滑動(dòng)時(shí)摩擦力的方向，利用這個(gè)教具我們可以重現(xiàn)這一情景。將木塊的刷毛向下慢慢放置到運(yùn)動(dòng)的傳送帶上，注意當(dāng)刷毛和傳動(dòng)帶接觸時(shí)手不要松開，此時(shí)可以觀察到刷毛在傳送帶帶動(dòng)下發(fā)生了彎曲，彎曲方向是和傳送帶運(yùn)動(dòng)方向一致的，即此時(shí)是受到的摩擦力方向是向右的。有了這樣的情景再現(xiàn)，學(xué)生可以正確理解“米袋先在傳送帶上滑動(dòng)”這句話應(yīng)該是“傳送帶在米袋下方向右滑動(dòng)，米袋相對(duì)于傳送帶向左滑動(dòng)”的實(shí)質(zhì)。后續(xù)米袋開始勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)摩擦力的情況與情景5的分析過程是一樣的了。

綜上分析，將抽象的問題直觀化有助學(xué)生更快地理解物理知識(shí)。只要我們教師在教學(xué)中能理論聯(lián)系實(shí)際，勇于實(shí)踐，不斷改進(jìn)和創(chuàng)新出更優(yōu)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和教具，就會(huì)收到意想不到的效果。

參考文獻(xiàn)：

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