基于核心素養(yǎng)引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化設(shè)計物理實驗

摘 要：本文以“研究影響滑動摩擦力大小的因素”實驗為例，介紹了教師如何根據(jù)核心素養(yǎng)的要求，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新設(shè)計。這有助于強(qiáng)化學(xué)生的物理觀念，引導(dǎo)他們更深入地理解物理概念，并培養(yǎng)他們的科學(xué)思維。通過這樣的教學(xué)方法，教師能夠幫助學(xué)生實現(xiàn)從單純的解題向解決實際問題的轉(zhuǎn)變，從而促進(jìn)其核心素養(yǎng)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：物理實驗；摩擦力；核心素養(yǎng)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中提到，物理課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任。［1］這就要求教師在日常的實驗教學(xué)中，不僅要將學(xué)生置于主體地位，還要關(guān)注教材中可能存在的設(shè)計缺陷。教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行自主創(chuàng)新設(shè)計，幫助他們找到適合自己的探究方法。通過以核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的物理實驗設(shè)計，學(xué)生可以在實踐中提高動手能力，同時在思考和解決問題的過程中深化對物理問題的理解。

本文以人教版《義務(wù)教育教科書 物理 八年級 下冊》的實驗教學(xué)內(nèi)容“研究影響滑動摩擦力大小的因素”為例，詳細(xì)闡述了教師如何指導(dǎo)學(xué)生針對現(xiàn)有物理實驗的不足進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 原有實驗

在“研究影響滑動摩擦力大小的因素”實驗中，首先，學(xué)生需要完成一個基礎(chǔ)實驗——“測量滑動摩擦力”，以理解二力平衡的條件，掌握二力平衡的應(yīng)用，如圖1所示。接著，學(xué)生將運用控制變量法和二力平衡原理，進(jìn)一步研究影響滑動摩擦力大小的因素，如圖2所示。

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，學(xué)習(xí)實驗原理和操作步驟，然后進(jìn)行實驗操作，得到實驗數(shù)據(jù)，如表1所示。

2 引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)原有實驗的不足之處

2.1 教學(xué)片段1

教師：請同學(xué)們觀察實驗數(shù)據(jù)，歸納出影響滑動摩擦力大小的因素。

學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)，歸納實驗結(jié)論。

學(xué)生1：比較第1、2組數(shù)據(jù)可以得出，在接觸面粗糙程度相同時，壓力越大，滑動摩擦力越大。

學(xué)生2：比較第1、3、4組數(shù)據(jù)可以得出，在壓力大小相同時，接觸面越粗糙，滑動摩擦力越大。

教師：僅憑一次實驗，可以得出具有普遍性的實驗結(jié)論嗎？

學(xué)生1：不能，應(yīng)該多次重復(fù)以上實驗，使實驗結(jié)論更加具有普遍性。

教師：很好。請問在操作過程中有哪些步驟是不容易操作的，或者是會引起較大誤差的？

學(xué)生3：在實驗過程中很難做到勻速拉動木塊，木塊實際受到的摩擦力和彈簧測力計示數(shù)不相等，而且拉動木塊時彈簧測力計還會晃動，讀數(shù)誤差比較大。

教師：同學(xué)們觀察非常細(xì)心，那么有什么方法可以解決這些問題呢？請大家課后查閱資料，下節(jié)實踐課來分享解決方案。

2.2 教學(xué)片段2

教師：上節(jié)課留下的問題，同學(xué)們找到解決的方案了嗎？

學(xué)生4：通過查閱資料，我們發(fā)現(xiàn)，按照圖3重新設(shè)計實驗方案，可以實現(xiàn)即使不勻速拉動物體A，物體B在水平方向上也能保持受力平衡，如圖4所示。在這種情況下，由于物體B保持靜止，彈簧測力計對物體B施加的水平向左的拉力F_左等于物體A給它水平向右的摩擦力f，即F_左＝f。因為f是滑動摩擦力，它只與壓力的大小、接觸面的粗糙程度有關(guān)，而與速度v無關(guān)。因此，即使物體A的運動不是勻速的，物體B受到的滑動摩擦力f的大小也不會改變。這一改進(jìn)為實驗操作帶來了極大的便利性。

教師對學(xué)生4的方案給予了高度的肯定。這表明，通過自主的課外學(xué)習(xí)，同學(xué)們的知識和技能能夠獲得顯著的提升。

3 引導(dǎo)學(xué)生對實驗方案進(jìn)行優(yōu)化

3.1 教學(xué)片段3——提出問題

教師：請同學(xué)們仔細(xì)觀察圖3，思考以下幾個問題。

第一，水平拉動物體A時，物體A受到幾個摩擦力的作用？

第二，圖3中水平放置的彈簧測力計，它能否呈理想的水平狀態(tài)，為什么？

第三，當(dāng)接觸面的粗糙程度一定時，在物體的壓力、質(zhì)量和重力中，到底哪些因素會影響滑動摩擦力的大?。?/p>

學(xué)生5：我認(rèn)為圖3的方案還存在以下問題。

第一，實驗過程中，物體A會受到地面和物體B共同施加的摩擦力，不易拉動物體A。

第二，實驗過程中，彈簧測力計本身的重力會讓物體B受到的拉力F_左略微偏離水平方向。

學(xué)生6：關(guān)于教師提出的第三個問題，在接觸面的粗糙程度一定時，壓力越大，滑動摩擦力越大，壓力才是影響因素。但是，我不明白為什么質(zhì)量和重力就不是影響的因素？

教師：從學(xué)生5提出的問題中，我們了解到圖3的方案存在明顯的不足。此外，還有兩個關(guān)鍵點需要我們關(guān)注。首先，當(dāng)探究滑動摩擦力的大小是否與接觸面的粗糙程度有關(guān)時，我們需要準(zhǔn)備多個粗糙程度不同的物體與物體B接觸，這在操作上可能不太方便。其次，對于學(xué)生6的疑問，我們是否可以設(shè)計一套實驗裝置，使得在兩個接觸物體的質(zhì)量（即重力）保持不變的情況下，它們之間的壓力可以發(fā)生改變？對此感興趣的同學(xué)可以嘗試沿著這些思路對實驗方案進(jìn)行優(yōu)化或創(chuàng)新，并與大家分享你們的成果。

3.2 學(xué)生對實驗方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計

在教師的引導(dǎo)下，部分學(xué)生利用周末或假期對實驗方案進(jìn)行優(yōu)化并制作相應(yīng)的實驗裝置。

學(xué)生7：我們設(shè)計的實驗方案如下。

第一，針對學(xué)生5提出的第一個問題，為了減小地面摩擦力對實驗結(jié)果的影響，我們建議使用小車代替木板。

第二，針對學(xué)生5提出的第二個問題，為了減少彈簧測力計的重力對實驗結(jié)果的影響，我們可以將彈簧測力計豎直懸掛，并使用一個定滑輪將彈簧測力計受到的水平方向的力轉(zhuǎn)換為豎直向下的拉力。［2］

學(xué)生8：我們從兒時的益智玩具中得到啟發(fā)，當(dāng)磁體放在鐵板上時，磁體對鐵板的壓力大于磁體的重力。

為了解答同學(xué)6的疑問，我們將小車表面平均分成三部分，如圖5所示。

具體操作如下：首先，在小車的左邊部分貼上較光滑的薄膜；接著，在右邊部分貼上鐵皮；最后，在中間和右邊部分的鐵皮上再貼上磨砂紙（即在右邊部分，底層是鐵皮，頂層是磨砂紙）。

學(xué)生9：為了提高實驗的穩(wěn)定性，我們特別采用了電動機(jī)代替人工拉動物體A。此外，電動機(jī)的動力系統(tǒng)中還接入了一個滑動變阻器，它能夠調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而改變小車的運動速度。這樣的設(shè)計使我們能夠探究滑動摩擦力大小與物體運動速度之間的關(guān)系。

本實驗所需器材包括：彈簧測力計、磁體、低速可調(diào)電動機(jī)、干電池、導(dǎo)線、滑動變阻器、開關(guān)、電流表、帶輪子的小車、細(xì)繩、鐵架臺、磨砂紙、薄膜和鐵皮。

3.3 自制實驗裝置

學(xué)生設(shè)計出了如圖6所示的實驗方案，并制作出相應(yīng)的實驗裝置如圖7所示。

3.4 實驗探究

按照圖6所示實驗裝置示意圖把器材組裝完畢后，開啟電動機(jī)。電動機(jī)拉動小車向左運動，讓磁體M依次通過①②③區(qū)域，記錄彈簧測力計的示數(shù)，如表2所示（磁體M的重力為4.6N）。

接下來，我們通過改變滑動變阻器接入電路的阻值大小，改變了小車的運動速度，并重復(fù)上述實驗。我們發(fā)現(xiàn)，所得數(shù)據(jù)與表2中的數(shù)據(jù)基本一致。通過比較實驗數(shù)據(jù)，我們可以得出以下結(jié)論：在壓力大小相同時，接觸面越粗糙，滑動摩擦力越大（比較數(shù)據(jù)①和②）；在接觸面的粗糙程度相同時，壓力越大，滑動摩擦力也越大（比較數(shù)據(jù)②和③）。此外，我們還發(fā)現(xiàn)滑動摩擦力的大小與物體的運動速度無關(guān)。這些結(jié)論與傳統(tǒng)實驗的結(jié)論一致。

4 結(jié)語

在物理課程資源的開發(fā)過程中，學(xué)生在教師的指導(dǎo)下自行設(shè)計和開發(fā)實驗器材是一種重要的途徑。通過這種方式，物理教師能夠引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化實驗方案，將課堂的主導(dǎo)權(quán)最大程度地交給學(xué)生。這不僅讓學(xué)生有機(jī)會自己發(fā)現(xiàn)問題、提出質(zhì)疑，還能鼓勵他們主動尋找解決問題的方法。這樣的教學(xué)方法有助于學(xué)生真正體驗到物理學(xué)科的美妙和樂趣，同時培養(yǎng)他們正確的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任感。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：4.

［2］張欽泉.“研究影響滑動摩擦力大小的因素”的實驗與改進(jìn)［J］.物理通報，2019，（22）：102-105.