利用自制教具培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力①
——以“探究滑動摩擦力大小”為例

宋培文 黃曉華 莫小靜 郭長春 謝志剛

(四川省南充高級中學(xué)，四川 南充 637900)

1 引言

科學(xué)探究是物理學(xué)科核心素養(yǎng)的重要方面，實驗探究是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的主要途徑。良好的實驗設(shè)計既可以幫助學(xué)生理解物理概念和規(guī)律，又可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，因此設(shè)計和改進教材實驗是教師帶動學(xué)生創(chuàng)新、提高課堂效率、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的有效方式。實驗的改進和設(shè)計必須圍繞有利于教學(xué)開展，必須做到現(xiàn)象明顯、數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確。本文介紹了“滑動摩擦力大小探究器”教具改進的背景、制作、使用，通過猜想、實驗設(shè)計、實驗操作等環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

2 教材實驗設(shè)計的不足

“摩擦力”是人教版八年級教材第八章“運動和力”第3節(jié)的內(nèi)容，教材中“探究影響滑動摩擦力大小因素”的實驗設(shè)計如圖1所示，在水平長木板上放一個木塊，利用測力計勻速拉動木塊，利用二力平衡的原理，改變壓力和接觸面粗糙程度等因素，測定摩擦力的大小，該實驗設(shè)計存在以下不足：

圖1

(1) 實驗中必須使木塊的運動為勻速直線運動，才能滿足二力平衡的條件，但是用手拉木塊，很難使木塊在較長的時間內(nèi)勻速運動。

(2) 木塊被拉動后，可能示數(shù)還沒有穩(wěn)定，木塊就已被拖到了木板邊緣，因此需要較長的木板和較大的操作空間。

(3) 彈簧測力計需水平放置，因受重力作用，彈簧與外殼、指針與外殼都存在較大摩擦，導(dǎo)致實驗誤差較大；彈簧測力計處于運動狀態(tài)，導(dǎo)致讀數(shù)難度加大。

(4) 在探究滑動摩擦力是否與接觸材料和材料的粗糙程度有關(guān)時，鋪在木板上的材料不易固定，影響了實驗的進行。

3 “探究滑動摩擦力大小”實驗裝置的改進

3.1 裝置簡介

針對以上實驗設(shè)計的不足，筆者設(shè)計制作了“滑動摩擦力探究實驗器”(圖2)。

圖2

主要結(jié)構(gòu)包括：支架、水平調(diào)節(jié)螺釘、皮帶輪、手搖把柄、皮帶、豎直固定桿、彈簧測力計(高度可調(diào))、定滑輪(高度可調(diào))。配件包括：水平儀、底部粘貼有不同材料的同規(guī)格木塊(圖3)、鉤碼、細線等。

圖3

3.2 實驗操作

(1) 將水平儀放在皮帶上表面，調(diào)節(jié)支架底部的4個調(diào)節(jié)螺釘，使皮帶面水平。然后調(diào)節(jié)彈簧測力計到合適位置，用細線繞過定滑輪與放在皮帶上的木塊相連，調(diào)節(jié)定滑輪的高度，確保定滑輪與木塊之間的細線處于水平。搖動手搖把柄使皮帶運動，讀出彈簧測力計示數(shù)，根據(jù)二力平衡條件可知：彈簧測力計的示數(shù)等于滑動摩擦力的大小。

(2) 在實驗中增減滑塊上鉤碼的個數(shù)，以改變滑塊對皮帶的正壓力，定量探究滑動摩擦力大小與正壓力大小的關(guān)系。

(3) 通過更換底部粘貼有不同材料的同規(guī)格木塊，探究滑動摩擦力與接觸面材料的關(guān)系。

證明 (1)由τCSI?τ,clX{x}?clCSI(X){x},下證clCSI(X){x}?clX{x},只需證XclX{x}?XclCSI(X){x}。注意到XclCSI(X){x}=intCSI(X)(X{x})及XclX{x}?X{x},于是又只需證XclX{x}∈τCSI即可。

(4) 換用質(zhì)量和接觸面材料相同、接觸面積不同的滑塊進行實驗，研究滑動摩擦力大小與接觸面積的關(guān)系。

(5) 實驗中手搖轉(zhuǎn)柄可自由改變皮帶的運動速度，研究滑動摩擦力大小是否與相對運動速度有關(guān)。

3.3 創(chuàng)新之處

本實驗裝置的制作思路來源于教材，而又不拘泥于教材，創(chuàng)新之處如下：

(1) 實驗裝置雖然仍應(yīng)用二力平衡的原理，但放棄了難以實現(xiàn)的動態(tài)平衡，改為更容易實現(xiàn)的靜態(tài)平衡。實驗中只要木塊與地面保持相對靜止，就滿足二力平衡條件，不受皮帶運動狀態(tài)的影響。

(2) 用皮帶代替固定的長木板，既能連續(xù)操作使讀數(shù)長時間保持穩(wěn)定，又能減小操作空間。

(3) 將彈簧測力計改為豎直固定安裝，不僅有助于減小因彈簧自重、指針與外殼的摩擦等帶來的系統(tǒng)誤差，而且使彈簧測力計由動變靜，讀數(shù)更容易，結(jié)果更準(zhǔn)確。

(4) 實驗中將粗糙程度不同的材料直接粘貼在相同規(guī)格木塊的下表面，只需更換木塊，就能達到改變粗糙程度的目的。既節(jié)省了操作時間，又克服了傳統(tǒng)實驗中更換材料后材料不易固定、不平整的缺點。

(5) 彈簧測力計位置、支架底部高度、定滑輪高度均可調(diào)，在測力計背面也加上刻度，這些措施可以使實驗效果達到最佳。

(7) 本實驗裝置制作容易、操作簡便、實驗現(xiàn)象明顯，值得推廣。

3.4 擬改進之處

由于皮帶材料較硬，該實驗裝置在使用過程中會出現(xiàn)滑塊側(cè)移和彈簧測力計讀數(shù)變化的情況，擬作如下改進：

(1) 采用變速電動機帶動皮帶轉(zhuǎn)動，使操作更加方便，電動機逐漸改變轉(zhuǎn)速，以更好地探究摩擦力大小與皮帶和木塊間相對速度的關(guān)系；

(2) 改用DIS(數(shù)字化實驗系統(tǒng))的力傳感器，更加準(zhǔn)確地測量摩擦力的大小；

(3) 選用較柔軟的皮帶材料使物塊更加平穩(wěn)。

4 利用自制教具優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

課程標(biāo)準(zhǔn)要求引導(dǎo)學(xué)生運用控制變量法等方法設(shè)計實驗方案，提高自身的科學(xué)探究能力。[2]因此在堅持學(xué)生主體、教師主導(dǎo)、尊重教學(xué)實際的基礎(chǔ)上，我們將高中階段的摩擦力大小探究教學(xué)設(shè)計如下。

4.1 復(fù)習(xí)舊知，提出猜想

提出問題：滑動摩擦力大小可能與哪些因素有關(guān)？學(xué)生已有初中物理學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，很容易提出：壓力、接觸材料以及接觸面的粗糙程度會影響到滑動摩擦力大小。再引導(dǎo)學(xué)生猜想出滑動摩擦與壓力大小是正比關(guān)系，學(xué)生猜想是否正確，需要通過實驗來驗證。

4.2 分組討論，設(shè)計實驗

引導(dǎo)學(xué)生分組討論，利用桌上的器材(彈簧測力計、木板、物塊等)制定實驗方案，分別測量滑動摩擦力和壓力的大小。學(xué)生根據(jù)初中所學(xué)的知識和課前預(yù)習(xí)，可能會提出如下兩種方案：

(1) 將長木板放在水平桌面上，把小木塊放在長木板上，用彈簧測力計水平拉動小木塊，使木塊做勻速直線運動，根據(jù)二力平衡條件知：滑動摩擦力大小等于彈簧測力計的讀數(shù)。

(2) 先把彈簧測力計的一端與小木塊相連，另一端水平固定，再把木板放在木塊下面水平拉出，根據(jù)二力平衡條件知：滑動摩擦力大小等于彈簧測力計的讀數(shù)(圖4)。

圖4

4.3 改進實驗，測量數(shù)據(jù)

學(xué)生經(jīng)討論分析后發(fā)現(xiàn)第二種方案更合理，但第二種方案也有不足，如實驗的空間受到限制、彈簧測力計自身有重量等，引導(dǎo)學(xué)生思考改進的措施，然后師生共同分析總結(jié)。

教師展示并介紹自制的“摩擦力探究實驗器”，學(xué)生分組實驗，不同的小組使用不同的木塊進行實驗，多次增減鉤碼、測量數(shù)據(jù)，并將結(jié)果記錄在表1中。

表1

4.4 分享成果，得出結(jié)論

4.5 反思

自制教具要合理運用到教學(xué)活動中，才可能最大限度地發(fā)揮作用。學(xué)生在復(fù)習(xí)初中所學(xué)知識的基礎(chǔ)上，經(jīng)歷了發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、提出猜想、設(shè)計和改進實驗、完成實驗、得出結(jié)論等完整的科學(xué)探究過程，在這個過程中不斷優(yōu)化自己的實驗方案，最終引入筆者的自制教具完成實驗，鍛煉了學(xué)生分析問題、解決問題的能力，提高了課堂教學(xué)的效率，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究能力。

5 結(jié)語

物理教學(xué)中對實驗器材和方案進行改進，源于教材又高于教材，突破教材上實驗設(shè)計的不足，使實驗具有較高的可操作性，節(jié)省了教學(xué)時間，降低了學(xué)習(xí)難度，提高了課堂效率。教學(xué)活動中合理利用自制教具，引導(dǎo)學(xué)生思考，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，體現(xiàn)學(xué)生的主體地位，注重物理知識的生成過程，可以不斷培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。