改進《摩擦力》實驗

〔摘" "要〕" 科學(xué)探究是科學(xué)課程的重要特點，科學(xué)實驗是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力的最佳載體。針對課本中的《摩擦力》實驗，本文創(chuàng)新改進了實驗教具，通過可調(diào)勻速電機和液晶顯示屏直觀可視化，能夠幫助學(xué)生更好地理解摩擦力，有助于學(xué)生邏輯思維的提升及科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué)；摩擦力；科學(xué)思維

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）13" " 0109-03

2022年公布的《義務(wù)教育科學(xué)課程標準》為小學(xué)科學(xué)教育領(lǐng)域引入了新的活力元素，并對教學(xué)質(zhì)量設(shè)立了更高的標準。新課程標準著重于科學(xué)素養(yǎng)培育，提倡采納探究式學(xué)習(xí)方法，旨在將學(xué)生由知識的被動接收者轉(zhuǎn)型為積極的知識探索主體。在此情境下，小學(xué)科學(xué)教育領(lǐng)域迫切需要超越傳統(tǒng)教學(xué)框架的束縛，將探究式學(xué)習(xí)定位為核心實踐策略，旨在激活學(xué)生的求知欲與探索意愿，進一步培養(yǎng)其科學(xué)邏輯思維及創(chuàng)新能力?？茖W(xué)探究是科學(xué)課程的重要特點，科學(xué)實驗是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力發(fā)展的重要途徑。在實驗過程中，學(xué)生不僅要動手操作，同時也要思考操作的原因和方法，這要求學(xué)生對實驗內(nèi)容進行質(zhì)疑、分析和邏輯推理。同時，對實驗結(jié)果進行深入分析和評估，也是對學(xué)生推理、驗證和創(chuàng)新能力的一種鍛煉，有助于學(xué)生提出新的觀點和見解。因此，科學(xué)實驗不僅是一個實踐過程，更是一個促進學(xué)生科學(xué)思維形成和提升的重要學(xué)習(xí)過程。

本文以蘇教版科學(xué)四年級上冊第三單元中的《摩擦力》一課為例，探討實驗課程對科學(xué)思維的培養(yǎng)，并針對教材中實驗的不足，創(chuàng)新改進了實驗教具，在幫助學(xué)生更好地理解摩擦力的同時，有助于學(xué)生邏輯思維的提升及科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。

一、教材提供實驗存在的問題

教材上提供的探究影響摩擦力的大小實驗，著重探究的是接觸面粗糙程度對摩擦力大小的影響，并且該探究實驗中，測量摩擦力是直接用手拖著彈簧測力計在不同平面上做勻速直線運動。在實際教學(xué)過程中，該內(nèi)容安排存在以下問題。

課本對摩擦力的探究僅僅局限于重量的大小和粗糙程度的研究，在實際調(diào)查過程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生基于生活經(jīng)驗對這兩個因素已經(jīng)有了較為清晰的認知。相反，在前概念中學(xué)生普遍認為速度是影響摩擦力的主要因素之一，在實驗過程中缺少對物體運動速度的直觀展示，不便于實驗的探究。

對課本提供的測量摩擦力的方法存在爭議。在物體運動過程中，學(xué)生用手直接拉彈簧測力計讓物體滑動，很難讓物體保持勻速直線運動，從而導(dǎo)致測量到的摩擦力存在誤差。

由于實驗中彈簧測力計懸空，受重力影響，彈簧測力計指針會與外殼產(chǎn)生摩擦，從而導(dǎo)致學(xué)生在觀察示數(shù)時，讀取的實驗數(shù)據(jù)存在偏差。

二、實驗改進思路

為了讓學(xué)生更好地理解摩擦力，使實驗滿足教育性、科學(xué)性、啟發(fā)性、趣味性、實用性、直觀性、安全性等要素要求，針對上述問題，本文結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)，對實驗裝置進行改進，具體思路如下。

針對實驗過程中缺少對物體速度的直觀展示，本實驗利用液晶顯示屏，將物體的運動速度顯示出來；同時通過可調(diào)勻速電機減少手動拉動物體運動帶來的誤差，讓物體保持勻速運動，減少實驗誤差；將彈簧測力計放置在運動的物體上，可以減少重力對彈簧測力計的影響，從而提高測量的準確性，幫助學(xué)生更好地探究摩擦力。改進后的實驗裝置簡化了實驗操作、放大了實驗現(xiàn)象，大大提高了實驗數(shù)據(jù)精度。

三、實驗器材

本次實驗裝置需要用到的實驗器材有：勻速電機1個、調(diào)速器1個、彈簧測力計1個、木盒1個、液晶顯示器1個，棉線、木板、皮面、砝碼若干，其主要步驟如下。

將彈簧測力計安裝在空心木盒的上面，木盒中空，通過在其內(nèi)部放置砝碼改變其重量，從而實現(xiàn)在體積不變的條件下，改變物體的重力，可以讓學(xué)生更好地思考和探究物體重力和摩擦力的關(guān)系；通過棉線將彈簧測力計的掛鉤和勻速電機相連，保證物體勻速運動，減少實驗誤差；調(diào)速器可以調(diào)節(jié)勻速電機的速度，使其可以用不同的速度拉動彈簧測力計；同時，液晶顯示屏?xí)崟r顯示當前電機的轉(zhuǎn)速和木盒運動的速度，可以更直觀地看到速度變化和摩擦力的關(guān)系。將皮面固定在木板上，通過翻轉(zhuǎn)木板即可檢測不同接觸面對摩擦力的影響。

四、改進《摩擦力》實驗

（一）教具改進說明

將教材原本的探究實驗裝置“用手拉動彈簧測力計勻速直線運動”改為“用勻速電機轉(zhuǎn)動，縮短繩子，拉動彈簧測力計與木塊一起前進”。用電機驅(qū)動，既保證物體勻速前進，又確保物體做直線運動。同時實驗還增加了調(diào)速器，可改變電動機轉(zhuǎn)動的速度，即可改變物體勻速運動速度的大小，方便學(xué)生探究勻速運動速度是否影響摩擦力的大小。利用數(shù)字化實驗設(shè)備，開闊學(xué)生視野，激發(fā)學(xué)生對知識的探索。

通過液晶顯示屏直觀顯示速度值，使勻速的速度變量也實現(xiàn)可控。對于速度的快慢，學(xué)生不易區(qū)分。通過液晶顯示屏顯出具體數(shù)值，讓原來“看不見”的速度快慢變成“看得清”的具體數(shù)據(jù)。以科學(xué)的方法將速度的快慢量化呈現(xiàn)，不僅增強了學(xué)生對概念的理解深度，同時，建立起的科學(xué)概念更具有說服力。

原裝置中彈簧測力計在水平拉動物體時，處于懸空狀態(tài)，在兩端拉力作用下，為保持整個彈簧測力計水平，彈簧測力計的彈簧、指針會與測力計的外殼摩擦，同時測力計的自重也會對實驗產(chǎn)生影響。本文設(shè)計的創(chuàng)新實驗裝置將彈簧測力計固定在木盒上，讓彈簧測力計處于水平狀態(tài)，有效克服彈簧測力計因摩擦和自重對實驗的影響，使彈簧測力計的示數(shù)更穩(wěn)定，讀數(shù)更準確。改進后的實驗裝置如圖所示。

根據(jù)物體勻速運動時拉力與摩擦力二力平衡的原理，將彈簧測力計固定于木盒上，掛鉤上系一根彈性不大的細線，細線的另一端系在電動機轉(zhuǎn)軸上；接通電源，電動機勻速轉(zhuǎn)動，縮短繩子的長度，即可拉動彈簧測力計和物體一起勻速前進，并且保持彈簧測力計穩(wěn)定，減小誤差，直接讀出摩擦力的大小。在進行設(shè)計時，將木盒設(shè)計為中空模式，因此通過在木盒內(nèi)增加鉤碼，可以實現(xiàn)對改變物體重量的研究；通過翻轉(zhuǎn)木盒實現(xiàn)對改變接觸面面積的研究；通過調(diào)速器調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)對改變勻速運動速度大小的研究；通過更換木板或皮面等物品，可以實現(xiàn)對改變物體接觸面粗糙程度的研究。

（二）實驗數(shù)據(jù)

為了驗證設(shè)計實驗教具的可行性，對改進后的教具設(shè)計實驗進行探究。首先探究摩擦力大小與接觸面光滑程度的關(guān)系，學(xué)生利用創(chuàng)新實驗教具，在其他條件保持不變的情況下，僅僅改變接觸面的光滑程度，測量摩擦力大小。為了保證實驗的準確性，減少誤差，測量三次取平均值，實驗記錄表如表1所示。

從表1中可以看出，在其他條件相同的情況下，摩擦力大小與接觸面的光滑程度有關(guān)，接觸面越光滑，摩擦力越小。

為探究摩擦力大小與勻速速度的關(guān)系，學(xué)生利用創(chuàng)新實驗教具，在其他條件保持不變的情況下，僅僅改變勻速的速度，測量摩擦力大小。為了保證實驗的準確性，減少誤差，測量三次取平均值，實驗記錄表如表2所示。

從表2中可以看出，在其他條件相同的情況下，摩擦力大小與勻速的速度無關(guān)。

為探究摩擦力大小與物體重量的關(guān)系，學(xué)生利用創(chuàng)新實驗教具，在其他條件保持不變的情況下，僅僅改變物體的重量，測量摩擦力大小。為了保證實驗的準確性，減少誤差，測量三次取平均值，實驗記錄表如表3所示。

從表3中可以看出，在其他條件相同的情況下，摩擦力大小與物體的重量有關(guān)，物體越重，摩擦力越大。

綜上所述，本文設(shè)計的創(chuàng)新實驗教具，解決了教材實驗中存在的物體運動速度缺少直觀展示、物體難以保持勻速直線運動、彈簧測力計指針會與外殼產(chǎn)生摩擦等問題，減少實驗誤差，提高實驗效果，幫助學(xué)生更好地理解摩擦力。

五、實驗優(yōu)點

（一）可以探究拉力大小與速度的關(guān)系

通過實驗裝置還可以探究拉力大小與速度的關(guān)系，將原本通過勻速電機帶動木盒運動改為木盒通過重力帶動電機轉(zhuǎn)動，根據(jù)電機轉(zhuǎn)速的不同可以在液晶顯示屏上顯示出不同的速度。

（二）結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)具有創(chuàng)新性和趣味性

本實驗裝置結(jié)合現(xiàn)代電子技術(shù)，將原本手動化的實驗器材改進為自動控制，并進行了可視化顯示，在有效降低實驗復(fù)雜度的同時大大提高了實驗的趣味性。讓學(xué)生在完成實驗的同時拓寬了眼界，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。

本文設(shè)計的新實驗裝置有效解決了課本中實驗操作困難、數(shù)據(jù)誤差大、操作時間長等問題。以小學(xué)生的認知發(fā)展規(guī)律為基礎(chǔ)，本文設(shè)計并引入了創(chuàng)新的實驗教具，通過直觀且可視化的方式，將抽象的科學(xué)現(xiàn)象與具體的概念緊密相連，從而促進小學(xué)生對科學(xué)概念的構(gòu)建。對于小學(xué)生而言，這種學(xué)習(xí)方式不僅能夠增強他們對科學(xué)知識的理解和記憶，更能在潛移默化中提升他們的邏輯思維能力，為科學(xué)核心素養(yǎng)及綜合能力的全面發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。

教材內(nèi)容的優(yōu)化，使實驗探究不再流于形式，而是有內(nèi)容、有深度、符合學(xué)生認知特點的。與學(xué)生前概念存在認知沖突的，是有價值的探究。有內(nèi)容、有深度的探究實驗，有利于學(xué)生在實驗后進行有效反思。對所學(xué)知識和所參與探究活動的再思考，對自己所參與的實驗探究活動有意識地進行檢查、審視和評價等，并在反思過程中不斷發(fā)現(xiàn)并提出問題，有助于學(xué)生邏輯思維的提升及科學(xué)思維能力的培養(yǎng)。

參考文獻

[1]王遠芬.探究式學(xué)習(xí)下學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)策略：以教科版小學(xué)科學(xué)五年級下冊《船的研究》的教學(xué)為例[J].天天愛科學(xué)（教育前沿），2022（5）：117-118.

[2]楊雙偉，馬朝華.物理實驗教學(xué)及科學(xué)思維培養(yǎng)現(xiàn)狀的調(diào)查分析[J].中學(xué)物理，2020（17）：28-30.

[3]金柱.“聲音的高與低”實驗的創(chuàng)新和改進[J].中小學(xué)實驗與裝備，2024（1）：40-41.

[4]黃啟剛.滬科版教材關(guān)于“滑動摩擦力與哪些因素有關(guān)”的實驗改進[J].中學(xué)理科園地，2022（5）：89-90