用DIS系統(tǒng)輔助學(xué)生迷思概念的轉(zhuǎn)變

摘" 要：如何轉(zhuǎn)變學(xué)生的迷思概念是物理教學(xué)中的一個難點。本文通過總結(jié)已有研究，使用DIS系統(tǒng)輔助實施“轉(zhuǎn)變學(xué)生對摩擦力錯誤認知”的相關(guān)實驗，以豐富學(xué)生的直接經(jīng)驗與感性認識。該實驗通過幫助學(xué)生感受平衡、靜摩擦力、最大靜摩擦力與滑動摩擦力以及運動中的摩擦力，逐步加深他們對摩擦力的認識，有助于有效教學(xué)的實施和學(xué)生迷思概念的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：DIS實驗；迷思概念；摩擦力

1" 引言

DIS系統(tǒng)在經(jīng)歷了十余年的探索與實踐后已逐步走進中學(xué)物理課堂，它憑借其省時高效的優(yōu)點受到廣大物理教師的青睞。起初，DIS系統(tǒng)只作為可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)楊明伍實驗儀器的新型學(xué)生分組實驗儀器。但隨著核心素養(yǎng)導(dǎo)向教育的到來，教師在物理教學(xué)中已經(jīng)改變了只在實驗課上才用儀器做實驗的教學(xué)模式。在日常的物理概念與物理規(guī)律的教學(xué)中，教師為了能豐富學(xué)生的感性認識、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究意識、幫助學(xué)生養(yǎng)成實事求是的科學(xué)態(tài)度，通過實驗來學(xué)習(xí)與探究規(guī)律已成為物理課堂的新常態(tài)。尤其是對學(xué)生可能存在的錯誤前概念，或在學(xué)習(xí)新課后容易形成的迷思概念，教師更要注意在課堂上通過設(shè)計相關(guān)實驗和操作DIS系統(tǒng)來轉(zhuǎn)變學(xué)生已有的迷思概念，并防止學(xué)生形成新的迷思概念。

學(xué)生在高中物理“摩擦力”的學(xué)習(xí)中常常會產(chǎn)生大量的迷思概念，這嚴重影響了學(xué)生正確判斷摩擦力的存在及其方向。如果教師在課前就能了解學(xué)生在課后可能會存在哪些問題，那在教學(xué)設(shè)計時就可以為避免迷思概念的形成做出努力。那么，教師在課前要如何得知學(xué)生課后可能存在的問題呢？除了利用自身的經(jīng)驗外，教師還可以利用已有的相關(guān)研究進行全面學(xué)習(xí)，這也是教育研究的意義所在。

2" 與摩擦力有關(guān)的迷思概念總結(jié)

筆者對以往與摩擦力有關(guān)的迷思概念研究進行了對比與總結(jié)，概括出如下“三方面，八條目”。

2.1" 對摩擦力相關(guān)概念的理解

條目一：學(xué)生只是從字面上理解靜摩擦力和滑動摩擦力，認為相對地面靜止的物體受到的摩擦力一定是靜

摩擦力，相對地面運動的物體受到的摩擦力一定是滑動摩擦力。［1］

條目二：學(xué)生對最大靜摩擦力的認識不深刻，認為物體受到的靜摩擦力是一個定值，靜摩擦力就是最大靜摩擦力，或認為滑動摩擦力一定比靜摩擦力大。

2.2" 對摩擦力產(chǎn)生條件的理解

條目一：學(xué)生對摩擦力的產(chǎn)生條件理解得不全面，沒有全面考慮

“接觸并擠壓、接觸面粗糙、有相對運動或相對運動趨勢”的情況；有時還存在誤解，認為速度、接觸面積大小等因素也會影響滑動摩擦力的大小。［2］

條目二：學(xué)生對相對運動趨勢和相對運動的理解不深刻，常常只以地面為參考系考查物體的相對運動，而忽視與其相互作用的物體。

條目三：學(xué)生認為靜摩擦力與滑動摩擦力都與重力有關(guān)，有時直接認為重力就是壓力，認為重力越大、摩擦力越大；在滑動摩擦力的計算中，習(xí)慣性地列出公式f＝μmg。［3］

條目四：摩擦力是被動力，因而學(xué)生認為摩擦力的存在與否由外力決定。若沒有除摩擦力以外的其他外力直接作用在物體上，物體則不受摩擦力；若有外力直接作用在物體上，物體則一定會產(chǎn)生相對運動或相對運動趨勢，受到摩擦力，且摩擦力的方向與外力的方向相反。

2.3" 對摩擦力作用效果的理解

條目一：學(xué)生認為摩擦力只能充當(dāng)阻力角色，不能作為動力；若可以作為動力，則摩擦力也應(yīng)該被稱為主動力。

條目二：學(xué)生對“摩擦力是被動力”的理解不深刻，習(xí)慣性地使用二力平衡解決問題。例如，學(xué)生認為在豎直方向上，無論受力情況如何，所受摩擦力的方向一定和重力的方向相反；認為“因受到沿斜面向上的外力而靜止在斜面上”的物體，其靜摩擦力的方向一定沿著斜面向下。

由此可見，學(xué)生此處

形成迷思概念的

原因復(fù)雜且多樣

，教師在教學(xué)過程中應(yīng)給予足夠的重視。

3" 學(xué)生在學(xué)習(xí)摩擦力時的困難原因探析

3.1" 初中摩擦力問題的簡單化對學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度與知識理解的影響

初中階段的學(xué)習(xí)僅涉及滑動摩擦力，并且基本不涉及多個物體間的相對運動情況。探究滑動摩擦力的影響因素也常常是“偽探究”。學(xué)生不需要過多思考，只憑記憶就可以輕松解答有關(guān)問題。在高中階段，學(xué)生如果依然保持“摩擦力很簡單，只需要記憶結(jié)論就可以學(xué)會”的態(tài)度，甚至認為自己已經(jīng)會了而不認真學(xué)習(xí)，那么勢必會在課后練習(xí)時出現(xiàn)疑問。而且，靜摩擦力的有無和方向判斷是一個學(xué)習(xí)難點。初中階段的物理學(xué)習(xí)很少會遇到不確定的問題，有沒有摩擦力基本是顯而易見的，摩擦力方向也容易判斷。在高中階段，靜摩擦力與之前不同。判斷靜摩擦力有無時，“相對運動趨勢”一詞中的“趨勢”本就是不可見的，學(xué)生初學(xué)時很難判斷出是否有“趨勢”，對于靜摩擦力方向的判斷便也無從下手。

3.2" 受學(xué)習(xí)順序的影響，學(xué)生使用規(guī)律解決問題的意識不夠

學(xué)生在學(xué)習(xí)牛頓第二定律后，常會遇到大量與牛頓第二定律結(jié)合的摩擦力問題。很多時候，解題的過程涉及根據(jù)物體的運動狀態(tài)來判斷摩擦力的方向，在學(xué)生最初學(xué)習(xí)摩擦力時，教師是無法全面講解這一方法的。故在初學(xué)摩擦力時，學(xué)生很難對摩擦力的判斷方法有全面的了解；后續(xù)教學(xué)中，教師若沒有重新幫助學(xué)生搭建有關(guān)摩擦力的知識體系，容易使學(xué)生產(chǎn)生迷思概念。錯誤概念一旦形成，很容易形成思維定式，學(xué)生在解決問題時可能會習(xí)慣性地調(diào)用已有的錯誤觀念而忽視客觀規(guī)律，使自己處在“看答案能看懂，自己做就出錯”的被動境地，導(dǎo)致學(xué)習(xí)物理的信心備受打擊。因此，在最初教學(xué)時，教師就應(yīng)當(dāng)借助實驗，這比純粹的數(shù)學(xué)公式更使人信服，更有利于學(xué)生物理學(xué)習(xí)思維的轉(zhuǎn)變。

4" 用DIS系統(tǒng)輔助學(xué)生轉(zhuǎn)變迷思概念

在有關(guān)學(xué)生對摩擦力的迷思概念認知轉(zhuǎn)變的教學(xué)中，教師應(yīng)將理論推導(dǎo)與實驗驗證相結(jié)合，豐富學(xué)生的感性認識，使學(xué)生獲得足夠的直接經(jīng)驗以沖破原有錯誤認知的束縛。教師應(yīng)用實驗數(shù)據(jù)證明規(guī)律的正確性，讓學(xué)生相信規(guī)律，更多地使用規(guī)律而非常識解決物理問題，這對學(xué)生轉(zhuǎn)變自己物理學(xué)習(xí)的態(tài)度也大有裨益。

4.1" 感受平衡、靜摩擦力、最大靜摩擦力與滑動摩擦力

在此部分，筆者選擇的實驗研究對象是小物塊，運用疊塊模型測量小物塊的摩擦力。在2020年北京高考物理卷第11題中出現(xiàn)過這樣的實驗裝置（見圖1），此處通過拉動下方木板，來探究最大靜摩擦力與滑動摩擦力的關(guān)系。［4］DIS實驗系統(tǒng)也配有專門的實驗器材，使用的是配有牽引電動機的導(dǎo)軌。在導(dǎo)軌上放一個表面粗糙的墊板，將物塊放在墊板上，與圖1本質(zhì)相同，只是用電動機的拉力代替圖1中的手動拉力。

雖然該實驗可以探究摩擦力的相關(guān)規(guī)律，但是實驗操作過程很迅速，學(xué)生的參與感并不強。學(xué)生沒有深刻感受到摩擦力從靜摩擦力變?yōu)樽畲箪o摩擦力，以至最終變?yōu)榛瑒幽Σ亮Φ恼麄€過程。所以在實驗過程中，教師可以放慢物塊受力變化的過程，最好能夠體現(xiàn)出“由量變到質(zhì)變”的感覺，這樣會使學(xué)生的參與感和體驗感增強。

因此，筆者使用力傳感器測量物塊下墊板所受的拉力，將鉤碼和曲別針等作為配重物，把外力作用在小物塊上，通過逐個增加曲別針的方式，以顯示出“在增加第n個曲別針時小物塊并未滑動，而一旦增加第n＋1個曲別針時物塊立即滑動”的變化過程。實驗裝置圖如圖2所示。力傳感器掛鉤上的棉線另一端套在墊板的釘子上，使棉線初始處于松弛狀態(tài)。將魚線系在小物塊左側(cè)的鐵環(huán)上，跨過多用力學(xué)軌道的滑輪，末端系成環(huán)形以掛配重物?？梢韵仍隰~線末端掛5個曲別針，確保它能夠穩(wěn)定地跨過定滑輪。

實驗過程如下。

第一步，稱量小物塊的質(zhì)量，估算拉動小物塊所需的配重物質(zhì)量。筆者所用的物塊質(zhì)量為111.45 g，物塊與墊板之間的靜摩擦系數(shù)約為0.7，所以所需配重物的質(zhì)量應(yīng)在78 g左右。

第二步，進入DIS系統(tǒng)的通用軟件模式，將力傳感器調(diào)零。點擊“開始記錄”，記錄此時力傳感器的示數(shù)，為0.06 N。

第三步，在曲別針下方掛50 g的鉤碼，記錄此時力傳感器的示數(shù)，為0.07 N。能夠發(fā)現(xiàn)與上次記錄數(shù)據(jù)無較大差距，說明此時棉線并未繃緊，墊板上下表面所受的靜摩擦力平衡。

第四步，在鉤碼下方再掛10 g的鉤碼，記錄此時力傳感器的示數(shù)為0.21 N。注意掛鉤碼時盡量不要施加外力，如不方便在鉤碼下方再掛鉤碼，可以使用質(zhì)量相近的彈簧作為配重物。

第五步，此時配重物已達到60 g左右，為得到較多實驗數(shù)據(jù)，先掛5個曲別針，記錄數(shù)據(jù)，再掛5個曲別針，記錄數(shù)據(jù)，分別為0.23 N和0.26 N。

第六步，上述步驟得到的數(shù)據(jù)0.26 N加上墊板下表面所受的靜摩擦力，和粗略計算的最大靜摩擦力已經(jīng)比較接近，因此在接下來的實驗中，每次增加一個曲別針，并記錄數(shù)據(jù)。

第七步，當(dāng)筆者增加到第17個曲別針時，力傳感器示數(shù)已達到0.30 N，在增加第18個曲別針后小物塊滑動，在滑離下方墊板前記錄數(shù)據(jù)，為0.22 N。

第八步，保持配重不變，讓小物塊多滑幾次，以獲得滑動摩擦力的平均值。完整的數(shù)據(jù)記錄表格如表1所示。

第九步，在計算表格右側(cè)增加“變量x”，代表記錄的次數(shù)，使用軟件作出記錄次數(shù)與力傳感器示數(shù)關(guān)系的“F1-x”圖（見圖3）。

由圖3可知，靜摩擦力的大小會隨著受力情況的變化而變化，這是摩擦力是被動力的表現(xiàn)之一。最大靜摩擦力變?yōu)榛瑒幽Σ亮κ且粋€突變的過程，第18個曲別針就是“壓死駱駝的最后一根稻草”。

墊板滑動時力傳感器的示數(shù)與墊板靜止并受最大靜摩擦力時力傳感器的示數(shù)

相差約為33%。日常題目中最大靜摩擦力與滑動摩擦力常常被認為近似相等，似乎不應(yīng)該有這么大的差距。圖1中的最大靜摩擦力約為10 N，滑動摩擦力在7 N左右，相差30%，說明實際情況就是如此。在平時的練習(xí)中，我們有時對問題做了近似處理，此時問題是模型化的。當(dāng)然，材料的不同也會影響最大靜摩擦力與滑動摩擦力的差距。

教師在完成實驗過后，還需進行理論分析。在本實驗中，墊板起初受到小物塊和軌道的靜摩擦力，隨著棉線繃緊還受到棉線的拉力。后來小物塊相對墊板發(fā)生運動，墊板上方受到的摩擦力為滑動摩擦力。因此靜止的物體也可以受到滑動摩擦力。

4.2" 感受運動中的摩擦力

只研究平衡問題不足以幫助學(xué)生全面認識靜摩擦力與滑動摩擦力，因此，感受運動中的摩擦力是必不可少的，此部分最好結(jié)合牛頓第二定律來解釋。教師可以在牛頓第二定律的應(yīng)用環(huán)節(jié)演示此實驗，補充學(xué)生對摩擦力的認識。

筆者利用長紙箱、書本、組合發(fā)圈和小物塊作為實驗器材，組裝了實驗裝置如圖4所示，構(gòu)成了簡易的三層疊塊模型，筆者使用了兩個力傳感器，分別拉動組合發(fā)圈中其中一圈的兩端，使得整體受力較為均勻，以使物塊沿直線運動。

實驗過程如下。

第一步，進入DIS系統(tǒng)的通用軟件模式，將力傳感器調(diào)零。設(shè)置自動記錄采集時間為0.5 s，點擊“開始記錄”，得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

第二步，手握兩個傳感器，做先加速后減速的直線運動，停止運動后點擊“結(jié)束”（用手機錄制實驗過程）。

第三步，在“計算表格”右側(cè)增加“變量F3”，點擊公式，設(shè)置自由公式“F3＝F1＋F2”。

第四步，利用軟件繪圖功能繪制“F3-t”圖。

第五步，設(shè)置自動記錄采集時間為0.2 s，重復(fù)上述操作，最終得到的數(shù)據(jù)如表3所示。

本實驗可以增強學(xué)生對牛頓第二定律的認識。由于書的運動狀態(tài)是變加速運動，我們只能通過定性分析出疊塊模型先做變加速運動，后做變減速運動。需要學(xué)生注意的是，

書的加速和減速并非由于手的拉力先增大后減小，

而是因為書所受的合力先向左增大，后向右增大。如果書只受到手的拉力作用，那么應(yīng)先做加速度逐漸增大的加速運動，再做加速度逐漸減小的加速運動，此時兩段都是加速運動，與有摩擦?xí)r的運動存在本質(zhì)區(qū)別。該實驗說明，學(xué)生在考查某物體的加速度時，應(yīng)該分析清楚物體所受的合力，盡管有時某些力可能是未知的。

將手機拍攝的實驗過程視頻導(dǎo)入到ScreenToGif編輯器中，系統(tǒng)會將視頻自動分為500幀，就可以逐幀播放疊塊的運動過程，這比簡短的視頻更加直觀清晰。本文選取了幾幀圖片，用PowerPoint的“下移一層”功能將各張圖片的疊塊部分組合在一起（見圖5）。經(jīng)過對比，我們可以很明顯地看出，最上方的小木塊相對于書沒有運動，而書和物塊整體相對于長紙箱向左運動（初始時刻書的最右端與紙箱的最右端是平齊的）。雖然“書物整體”與長紙箱都相對于桌面向左運動，但是它們的加速度不同，而小物塊和書的加速度時刻保持相同。

根據(jù)實驗結(jié)果的理論分析，小物塊的加速度先向左再向右。由于小物塊在水平方向上只受到阻力的作用，且其與下方的書之間無相對運動，因此它的加速度由靜摩擦力提供，靜摩擦力先作為動力、后作為阻力。書在水平方向上受到拉力、小物塊給予的靜摩擦力和長紙箱給予的滑動摩擦力。在加速階段，小物塊對書的靜摩擦力方向向右，長紙箱對書的滑動摩擦力方向也向右；而在減速階段，小物塊對書的靜摩擦力方向向左，但長紙箱對書的滑動摩擦力方向還是向右的（因為書始終相對于長紙箱向左運動）。最后對于長紙箱，水平方向上受到兩個力，一是書對它的滑動摩擦力，方向始終向左；二是桌面對它的滑動摩擦力，方向始終向右。由此可見，三個物體所受摩擦力的情況各不相同。我們也可以利用前面得出的具體數(shù)據(jù)，在測量物體質(zhì)量后，依據(jù)牛頓第二定律得出各個物體在某時刻的加速度，這便是一道生動的、以摩擦力為核心的疊塊模型問題。

5" 結(jié)語

除摩擦力外，學(xué)生高中物理的學(xué)習(xí)中還有很多重要的概念和規(guī)律也很復(fù)雜，學(xué)生往往會形成大量的迷思概念，并難以轉(zhuǎn)變。教師在教學(xué)中應(yīng)該注意收集學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中存在的問題，采取適當(dāng)?shù)拇胧┙鉀Q問題，以輔助學(xué)生轉(zhuǎn)變迷思概念，打造高效的物理課堂。

參考文獻

［1］陳欣，皮飛鵬，梁文懿.用四階測試卷診斷高三學(xué)生摩擦力迷思概念［J］.物理教學(xué)，2022，44（3）：17-20.

［2］陳欣.用四階測試卷診斷高三學(xué)生的物理迷思概念——以摩擦力為例［D］.廣州：廣州大學(xué)，2020：48.

［3］王小蘭，陳瑞安，李春密.靜摩擦力的“迷思概念”糾正研究［J］.中學(xué)物理，2014，32（17）：32-34.

［4］吳廣國，鄒斌.測量靜摩擦力大小實驗中需要關(guān)注的三個問題——兼談2020年高考北京卷物理第11題的解析［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2021，50（10）：49-51.