高中摩擦力教學(xué)難點(diǎn)成因及對(duì)策

郭 強(qiáng)

(寧夏銀川市第二中學(xué),寧夏 銀川 750001)

摩擦力是高中物理的“必備知識(shí)”,是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)和發(fā)展學(xué)生關(guān)鍵能力的重要載體.摩擦力也是高中物理受力分析和后續(xù)學(xué)習(xí)的重要基礎(chǔ),而摩擦力的學(xué)習(xí)更是一個(gè)難點(diǎn),尤其在綜合性較強(qiáng)的問(wèn)題中往往會(huì)因?yàn)槟Σ亮Ψ治霾划?dāng)而導(dǎo)致出錯(cuò).在摩擦力教學(xué)中研究學(xué)生易錯(cuò)之處,分析教學(xué)難點(diǎn)成因,并找到有效教學(xué)對(duì)策,提高這一內(nèi)容的教學(xué)質(zhì)量,使學(xué)生在物理學(xué)習(xí)中獲得較好的體驗(yàn)感,凸顯物理學(xué)科育人價(jià)值.

1 摩擦力教學(xué)難點(diǎn)

在摩擦力教學(xué)中,發(fā)現(xiàn)學(xué)生在以下四個(gè)方面容易出錯(cuò).

第一,摩擦力有無(wú)的判斷.摩擦力產(chǎn)生條件較多,且有些條件較抽象,學(xué)生沒(méi)有經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)推理分析,僅憑直觀感覺(jué)容易判斷出錯(cuò).

第二,摩擦力方向的判斷.判斷摩擦力方向時(shí)學(xué)生受運(yùn)動(dòng)方向、物體疊加、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等非本質(zhì)因素的干擾而出錯(cuò).

第三,摩擦力大小的計(jì)算.學(xué)生計(jì)算摩擦力時(shí)學(xué)生習(xí)慣性用f=μFN計(jì)算包括靜摩擦力在內(nèi)的所有摩擦力的大小,且認(rèn)為FN=mg總成立,導(dǎo)致摩擦力大小計(jì)算錯(cuò)誤.

第四,摩擦力作用效果分析.由于原有經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致的思維定式,學(xué)生認(rèn)為摩擦力總是阻力,使物體減速.

2 摩擦力教學(xué)難點(diǎn)成因

學(xué)生普遍覺(jué)得摩擦力難學(xué),教師普遍覺(jué)得摩擦力難教,造成這一現(xiàn)實(shí)教學(xué)困惑的原因較多.

2.1 摩擦力概念過(guò)于抽象

摩擦力雖然生活中處處有,學(xué)生能感受到摩擦力作用效果,但是產(chǎn)生摩擦力的條件比較抽象,學(xué)生學(xué)習(xí)難度較大.滑動(dòng)摩擦力產(chǎn)生條件兩物體間有相對(duì)運(yùn)動(dòng),摩擦力方向與相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反,學(xué)生常將相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)方向混淆.靜摩擦力概念中,物體是否有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)方向,都難以判斷.

2.2 概念表述冗長(zhǎng)

摩擦力概念文字表述比較長(zhǎng)、層級(jí)較多,一般分兩個(gè)層級(jí)才定義摩擦力的概念,且要將摩擦力的產(chǎn)生條件和作用效果在概念中表述清楚.以滑動(dòng)摩擦力概念為例,一般先定義滑動(dòng)摩擦,然后再提出在滑動(dòng)摩擦中產(chǎn)生阻礙物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力叫摩擦力,導(dǎo)致學(xué)生理解時(shí)思維鏈條較長(zhǎng),容易造成學(xué)習(xí)困惑.

2.3 錯(cuò)誤前概念太多

學(xué)習(xí)摩擦力之前學(xué)生根據(jù)已有的生活經(jīng)驗(yàn)在頭腦中產(chǎn)生了較多的錯(cuò)誤前概念,主要有:運(yùn)動(dòng)方向就是相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向;摩擦力是阻力,使物體減速;運(yùn)動(dòng)物體受到的摩擦力一定是滑動(dòng)摩擦力,靜止物體受到的摩擦力一定是靜摩擦力;摩擦力的大小一定是f=μFN=μmg.

2.4 摩擦力的應(yīng)用綜合性強(qiáng)

與摩擦力應(yīng)用有關(guān)的物理問(wèn)題往往綜合性較強(qiáng),關(guān)聯(lián)的知識(shí)較多.尤其是涉及到物體多運(yùn)動(dòng)過(guò)程時(shí),與受力分析、牛頓運(yùn)動(dòng)定律、勻變速直線運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)度較高,運(yùn)用的知識(shí)點(diǎn)多,思維鏈條較長(zhǎng),尤其當(dāng)物塊在傳送帶、長(zhǎng)木板上運(yùn)動(dòng)時(shí),需要判斷物體所受摩擦力方向大小有沒(méi)有發(fā)生變化,甚至有可能需要分類討論.在一些復(fù)雜的問(wèn)題中,有時(shí)還需要根據(jù)牛頓第三定律轉(zhuǎn)化研究對(duì)象.

3 應(yīng)對(duì)策略

3.1 強(qiáng)化概念構(gòu)建

基礎(chǔ)知識(shí)是解決問(wèn)題的前提,要突破摩擦力教學(xué)疑難需要強(qiáng)化概念構(gòu)建、夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí),促進(jìn)學(xué)生深刻理解概念的內(nèi)涵及外延.

以學(xué)生乘坐高鐵為例,上車后拖著木箱往向車廂尾部走去,列車開(kāi)動(dòng)后車速較大,讓學(xué)生分析箱子的運(yùn)動(dòng)方向和相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向.相對(duì)運(yùn)動(dòng)是列車為參考系,箱子相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向向后,而運(yùn)動(dòng)方向則是以地面為參考系,車運(yùn)動(dòng)的速度大于人拖著箱子向后的速度,箱子運(yùn)動(dòng)方向向前.然后總結(jié)得出“相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的判斷以摩擦力施力物體為參考系,運(yùn)動(dòng)方向則是以地面為參考系,摩擦力施力物體未必是地面”.另外,學(xué)習(xí)滑動(dòng)摩擦力計(jì)算公式時(shí),需要特別強(qiáng)調(diào)f=μFN是滑動(dòng)摩擦力專用公式,FN是接觸面的正壓力,未必等于研究對(duì)象的重力,并列舉正壓力等于重力、不等于重力的例子,比如物體放在水平面上分別在水平推力、斜向上推力、斜向下推力的作用下運(yùn)動(dòng),將物體放在斜面上運(yùn)動(dòng)等,并在學(xué)習(xí)牛頓第三定律后,利用二力平衡和牛頓第三定律分析為何物體置于水平面上在水平力作用下f=μFN=μmg,讓學(xué)生掌握滑動(dòng)摩擦力計(jì)算公式的本質(zhì),避免學(xué)生計(jì)算摩擦力大小時(shí)誤用f=μmg.

3.2 創(chuàng)設(shè)情境增強(qiáng)體驗(yàn)

越是難的學(xué)習(xí)內(nèi)容,越要構(gòu)建情境,增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn),化解物理知識(shí)的抽象程度,降低學(xué)生理解知識(shí)的難度.通過(guò)學(xué)生能夠親身體驗(yàn)的探究活動(dòng)、游戲,學(xué)生能夠更好掌握知識(shí).情境創(chuàng)設(shè)可以從學(xué)生熟悉的生活實(shí)例或者實(shí)驗(yàn)探究?jī)蓚€(gè)視角入手,使物理教學(xué)貼近學(xué)生原有經(jīng)驗(yàn)、貼近學(xué)生學(xué)生學(xué)習(xí)需求.

關(guān)于走路時(shí)的摩擦力,學(xué)生有不少誤解,最為典型的就是認(rèn)為走路時(shí)的摩擦力是滑動(dòng)摩擦力.課堂上可以讓學(xué)生上臺(tái),用慢動(dòng)作走路,然后教師對(duì)學(xué)生走路的慢動(dòng)作進(jìn)行分解、分析,并讓其它同學(xué)模仿、感受走路時(shí)摩擦力何時(shí)產(chǎn)生?在那一只腳產(chǎn)生(是相對(duì)地面運(yùn)動(dòng)的腳運(yùn)動(dòng)的腳還是靜止的腳)?通過(guò)體驗(yàn)學(xué)生可以明確知道人走路時(shí),是相對(duì)于地面靜止的腳有向后蹬的動(dòng)作導(dǎo)致該腳有相對(duì)地面向后滑動(dòng)的趨勢(shì)從而受到向前的靜摩擦力,而人向前邁步的腳沒(méi)有受到摩擦力.

以學(xué)生乘坐高鐵創(chuàng)設(shè)情境,制造認(rèn)知沖突,突破學(xué)生“相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向即為運(yùn)動(dòng)方向”的原有錯(cuò)誤認(rèn)知.在研究汽車與地面之間的摩擦力時(shí)候可以利用電動(dòng)玩具小車,按照?qǐng)D1所示,在一塊薄木板下放若干圓柱形鉛筆,電動(dòng)小車置于木板之上,啟動(dòng)小車,木板向后運(yùn)動(dòng),小車向前,可知木板受到小車給的向后的摩擦力力,小車受到向前的木板給的摩擦力.為了進(jìn)一步研究清楚小車前輪、后輪所受摩擦力的區(qū)別,可以進(jìn)一步按照?qǐng)D2所示進(jìn)行探究,將兩塊木板置于圓木鉛筆之上,兩木板上分別是后驅(qū)小車的前輪、后輪,啟動(dòng)小車,其前輪下的木板向前,受到向前的摩擦力,前輪(從動(dòng)輪)受到的摩擦力向后(是阻力),后輪下的木板向后,其受到向后的摩擦力,后輪(主動(dòng)輪)受到向前的摩擦力(是動(dòng)力).本探究在學(xué)生學(xué)習(xí)牛頓第三定律后進(jìn)行,分析過(guò)程更順暢,學(xué)生更容易接受,具有更好的教學(xué)效果.

3.3 用反例創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突

認(rèn)知沖突在物理教學(xué)中具有重要的價(jià)值.在物理教學(xué)中預(yù)設(shè)認(rèn)知沖突,讓學(xué)生通過(guò)課程的學(xué)習(xí)不僅簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)、接受物理知識(shí),更在沖突過(guò)程中形成懷疑,在認(rèn)知上、在心理上產(chǎn)生不平衡,達(dá)到“憤悱”的心理狀態(tài),使學(xué)生在頭腦中形成質(zhì)疑和批判,形成積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)狀態(tài),激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力和學(xué)習(xí)興趣[1].利用反例構(gòu)建認(rèn)知沖突,不僅可以快速否定論斷,且打破原有認(rèn)知平衡,讓學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解更透徹.反例可以來(lái)源于生活實(shí)例,也可以是學(xué)生解決問(wèn)題積累的情境.

摩擦力教學(xué)中學(xué)生原有錯(cuò)誤認(rèn)知及反例如表1所示.

表1 學(xué)生認(rèn)知錯(cuò)誤及反例

3.4 變式教學(xué)掌握本質(zhì)

物理教學(xué)中變式教學(xué)是促進(jìn)學(xué)生掌握知識(shí)本質(zhì)、發(fā)展思維品質(zhì)的重要手段,也是突破教學(xué)疑難的常用策略.采用從簡(jiǎn)單情境開(kāi)始,循序漸進(jìn)逐步提升問(wèn)題思維難度、情境復(fù)雜程度,有利于讓學(xué)生掌握知識(shí)與方法,提升遷移能力.物理變式教學(xué)由于自身特點(diǎn),可以循序漸進(jìn)、由易到難,并通過(guò)“變”與“不變”的凸顯、反復(fù)和對(duì)照,使得細(xì)致、精微的方法要素得以在變式的平臺(tái)上有序地呈現(xiàn) 并展開(kāi)教學(xué)[2].在摩擦力習(xí)題教學(xué)中,適合開(kāi)展變式教學(xué),促進(jìn)學(xué)生在各種相似、相近情境的對(duì)照中夯實(shí)基礎(chǔ)、掌握知識(shí)本質(zhì).以物塊在傳送帶上的運(yùn)動(dòng)為例可以開(kāi)展如下變式教學(xué).

第一,如圖3所示,傳送帶以速度v勻速運(yùn)轉(zhuǎn),動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,物塊質(zhì)量為m.讓學(xué)生分析物塊剛放在傳送帶時(shí)所受摩擦力性質(zhì)及方向.

圖3 水平傳送帶 圖4 傾斜傳送帶

第二,傳送帶夠長(zhǎng),判斷物塊與傳送帶共速后物塊所受摩擦力情況.

第三,傳送帶傾角為θ,動(dòng)摩擦因數(shù)為μ,將物塊無(wú)初速放在斜面底端,如圖4所示,分析物塊所受摩擦力情況.

第四,傳送帶夠長(zhǎng),分物塊與傾斜傳送帶共速后,物塊所受摩擦力可能的情況.

第五,假設(shè)傳送帶傾角θ=37°,動(dòng)摩擦因數(shù)μ=0.5,物塊以6 m/s的速度從底端滑上傳送帶,若傳送帶順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn)的速度為6 m/s,傳送帶長(zhǎng)5 m,將求物塊到達(dá)傳送帶頂端的時(shí)間.

第六,將上一問(wèn)中傳送帶順指針運(yùn)轉(zhuǎn)的速度改為4 m/s,求物塊到達(dá)傳送帶頂端的時(shí)間.

教學(xué)中需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境,利用反例打破原有認(rèn)知平衡,實(shí)現(xiàn)先破后立,讓學(xué)生透徹理解摩擦力的概念、產(chǎn)生條件、方向判斷方法、突破錯(cuò)誤前概念,構(gòu)建真知.摩擦力學(xué)懂弄通后受力分析才會(huì)少出錯(cuò),后續(xù)學(xué)習(xí)和問(wèn)題解決才能順利進(jìn)行.教學(xué)難點(diǎn)的突破,摸清學(xué)情至關(guān)重要,知道學(xué)生存在哪些錯(cuò)誤前概念,學(xué)生在何處容易出錯(cuò),并針對(duì)學(xué)生的錯(cuò)誤和困惑采取有針對(duì)性的教學(xué)策略,改善學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn),促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)效率的提升,有效突破教學(xué)疑難,為后續(xù)物理學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ).