基于“5E”教學(xué)模式的高中物理“摩擦力”教學(xué)設(shè)計(jì)嘗試

劉艷梅 徐曉梅

摘 ?要：“5E”教學(xué)模式是一種基于建構(gòu)主義提出的教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)在教學(xué)過程中充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，讓學(xué)生自主建構(gòu)知識(shí)。文章基于“5E”教學(xué)模式，對(duì)高中物理“摩擦力”課題進(jìn)行了教學(xué)設(shè)計(jì)。教學(xué)設(shè)計(jì)通過小組合作的方式讓學(xué)生自主探究摩擦力的方向和大小，交流解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行遷移，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：“5E”教學(xué)模式;摩擦力;自主探究

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）2-0032-5

“5E”教學(xué)模式包括：參與（Engagement）、探究（Exploration）、解釋（Explanation）、遷移（Elaboration）、評(píng)價(jià)（Evaluation）5個(gè)環(huán)節(jié)。“5E”教學(xué)模式與傳統(tǒng)的教學(xué)模式不同，它提倡教師引導(dǎo)學(xué)生自主探究并建構(gòu)知識(shí)體系，將以知識(shí)傳輸為導(dǎo)向的傳統(tǒng)課堂轉(zhuǎn)變?yōu)橐耘囵B(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向的課堂[1]?！澳Σ亮Α闭n題的重點(diǎn)內(nèi)容是探究摩擦力的方向和大小。嘗試通過在教學(xué)過程中實(shí)施“5E”教學(xué)模式，以小組合作的方式組織學(xué)生自主探究“摩擦力”課題，深化學(xué)生對(duì)“摩擦力”的理解，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

1 ? ?“摩擦力”教學(xué)設(shè)計(jì)嘗試

在對(duì)教材及學(xué)情進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，將教學(xué)內(nèi)容與培養(yǎng)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的要求相結(jié)合，制定出教學(xué)目標(biāo)。同時(shí)對(duì)教學(xué)內(nèi)容的重難點(diǎn)進(jìn)行分析，并在教學(xué)過程中實(shí)施“5E”教學(xué)模式的各個(gè)環(huán)節(jié)，落實(shí)對(duì)學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。教學(xué)設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.1 ? ?教材分析

“摩擦力”選自人教版高中物理必修1第三章《相互作用》的第三節(jié)，其內(nèi)容主要包括兩個(gè)部分：探究摩擦力的方向和大小?！澳Σ亮Α辈粌H是高中力學(xué)部分的重點(diǎn)和難點(diǎn)，也是高考的熱點(diǎn)。從課程內(nèi)容來看，摩擦力屬于兩個(gè)物體間的相互作用。從課程前后順序來看，前兩節(jié)內(nèi)容分別是“重力”和“彈力”，本節(jié)內(nèi)容需要明析在計(jì)算滑動(dòng)摩擦力大小的公式中壓力不等于重力，其性質(zhì)屬于彈力，因此學(xué)生必須以前兩節(jié)的知識(shí)作為學(xué)習(xí)“摩擦力”的基礎(chǔ)。

1.2 ? ?學(xué)情分析

學(xué)生在初中階段已經(jīng)初步學(xué)習(xí)了“摩擦力”，并且生活中對(duì)摩擦現(xiàn)象也有一定感知。對(duì)于滑動(dòng)摩擦現(xiàn)象，學(xué)生可直接觀察出物體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。但對(duì)于靜摩擦現(xiàn)象，物體雖然有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，卻仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，現(xiàn)象比較抽象，學(xué)生難以理解。高中物理新課標(biāo)中要求學(xué)生認(rèn)識(shí)摩擦力，知道靜摩擦和滑動(dòng)摩擦現(xiàn)象，并且能用動(dòng)摩擦因數(shù)計(jì)算滑動(dòng)摩擦力的大小。在高中階段，學(xué)生理解摩擦力應(yīng)該和受力分析相結(jié)合，為學(xué)習(xí)動(dòng)力學(xué)知識(shí)打下基礎(chǔ)。

1.3 ? ?教學(xué)目標(biāo)

將課程目標(biāo)與培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的要求相結(jié)合，制定教學(xué)目標(biāo)（見表1）。

1.4 ? ?教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

（1）重點(diǎn)：

①探究摩擦力的方向和大小;

②判斷是否存在靜摩擦力;

③計(jì)算摩擦力的大小。

（2）難點(diǎn)：

①探究摩擦力的方向和大小的實(shí)驗(yàn)過程;

②對(duì)物體有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的理解;

③判斷是否存在靜摩擦力。

1.5 ? ?教學(xué)過程

1.5.1 ? ?參與——?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境

感知活動(dòng)：①用水平拉力拉動(dòng)重物;②在重物底部粘上砂紙，用水平拉力拉動(dòng)重物。均使重物做速度為v0的勻速直線運(yùn)動(dòng)（如圖2所示）。

師：為什么拉力F2大于F1？

生：重物底部粘上砂紙，增大了接觸面的粗糙程度，使重物受到的阻礙增大。

知識(shí)回顧：當(dāng)兩個(gè)物體相互接觸時(shí)，如果它們具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)或者發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在接觸面上就會(huì)產(chǎn)生阻礙相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)或者相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力，這種有阻礙作用的力就叫做摩擦力。請(qǐng)結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)列舉摩擦現(xiàn)象。

生：傳送帶運(yùn)輸物資、用手拿杯子、刷牙、推箱子……

師：摩擦力屬于常見的力，我們可以從力的三要素出發(fā)對(duì)摩擦力進(jìn)行研究。

【設(shè)計(jì)意圖】 參與是“5E”教學(xué)模式的起始環(huán)節(jié)。通過感知活動(dòng)讓學(xué)生感知摩擦力，加深對(duì)“相對(duì)”的理解。在物理教學(xué)中通過提高學(xué)生的實(shí)踐意識(shí)來培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，從學(xué)生熟悉的情境出發(fā)，采用生活圖片或?qū)嵺`性問題來激活學(xué)生的思維，讓學(xué)生對(duì)物理概念有一個(gè)初步的認(rèn)知，并以此為基礎(chǔ)開展實(shí)驗(yàn)，深化學(xué)生對(duì)物理觀念的理解[2]。

1.5.2 ? ?探究——設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)

采取小組合作的方式，探究摩擦力（靜摩擦力、滑動(dòng)摩擦力）的方向和大小。

（1）探究摩擦力的方向

實(shí)驗(yàn)儀器：一把刷毛較柔軟的牙刷、一塊木板。

實(shí)驗(yàn)步驟：將牙刷按壓在木板上，逐漸加大推力，沿水平方向向右推動(dòng)牙刷，使牙刷有相對(duì)木板運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)直至發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并仔細(xì)觀察刷毛彎曲的方向。

分析 如圖3所示，刷毛上端受到水平向右的推力F，下端與木板的接觸面上受到水平向左的摩擦力f。刷毛彎曲的方向就代表刷毛受到的摩擦力的方向。

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：摩擦力的作用點(diǎn)位于兩個(gè)物體的接觸面上。摩擦力的方向總是沿著接觸面，并且與物體相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)或者相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反。

由于滑動(dòng)摩擦力的方向在很多情況下與物體運(yùn)動(dòng)方向相反，學(xué)生在學(xué)習(xí)滑動(dòng)摩擦力時(shí)，就誤以為滑動(dòng)摩擦力的方向總是與物體運(yùn)動(dòng)方向相反，并形成思維定勢(shì)[3]。

師：進(jìn)一步探究摩擦力的方向與運(yùn)動(dòng)方向是否有關(guān)？

實(shí)驗(yàn)方案：分別標(biāo)記出牙刷在木板以及桌面的位置，沿水平方向向右快速拉動(dòng)木板一段距離。當(dāng)木板停止運(yùn)動(dòng)后，以標(biāo)記為參考：牙刷相對(duì)于木板向左運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于桌面向右運(yùn)動(dòng)。

分析 如圖4所示，木板受到水平向右的拉力F、桌面給木板水平向左的摩擦力f1以及刷毛給木板水平向左的摩擦力f2三個(gè)力。刷毛則受到木板給它的水平向右的摩擦力f3。刷毛彎曲方向向右，與摩擦力f3的方向相同。

結(jié)論：刷毛彎曲方向與運(yùn)動(dòng)方向相同，因此摩擦力的方向與運(yùn)動(dòng)方向無關(guān)。

（2）探究摩擦力的大小

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：設(shè)計(jì)測(cè)量摩擦力大小的實(shí)驗(yàn)方案，并進(jìn)行展示交流。

方案一：如圖5所示，用拉力水平向左緩慢拉動(dòng)木板上靜止的重物，使重物先對(duì)木板有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)后再做勻速直線運(yùn)動(dòng)，觀察并記錄彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)。

分析 重物在拉力與摩擦力的共同作用下保持平衡狀態(tài)。只要拉力存在，重物必定受到與拉力大小相等、方向相反的摩擦力。

方案二：如圖6所示，將與重物相連的彈簧測(cè)力計(jì)用細(xì)線連接在墻壁上，用拉力F水平向右緩慢拉動(dòng)木板，使木板做勻速直線運(yùn)動(dòng)，觀察并記錄彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)。

分析 木板在拉力F、桌面給木板的摩擦力f1、重物給木板的摩擦力f2三個(gè)力的共同作用下保持平衡狀態(tài)。重物在摩擦力f3與墻面對(duì)重物的拉力的共同作用下保持平衡狀態(tài)。

師：在實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案過程中有什么問題嗎？嘗試同伴間相互交流，解決問題。

生：

方案一：拉動(dòng)重物在木板上運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)不穩(wěn)定，很難進(jìn)行讀數(shù)，并且很難保證讓重物做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

方案二：保持彈簧測(cè)力計(jì)不動(dòng)，讀數(shù)更穩(wěn)定、準(zhǔn)確。

【設(shè)計(jì)意圖】 探究是“5E”教學(xué)模式的中心環(huán)節(jié)。讓學(xué)生先探究摩擦力的方向再探究其大小，符合學(xué)生認(rèn)識(shí)力的感知順序。通過觀察刷毛的彎曲方向得出摩擦力的方向，相較于利用二力平衡知識(shí)更直觀。將靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的方向和大小一同探究，不僅避免重復(fù)探究方向的問題，還加深了學(xué)生對(duì)摩擦力“靜中有動(dòng)、動(dòng)中有靜”本質(zhì)的理解。

1.5.3 ? ?解釋——搜集信息

師：觀察探究摩擦力大小的實(shí)驗(yàn)中彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化，有什么發(fā)現(xiàn)？

生：當(dāng)重物有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)慢慢增大。當(dāng)增大到一定值時(shí)，重物發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)會(huì)略微減小。

引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)：靜摩擦力的增大有一定限度，靜摩擦力的最大值在數(shù)值上等于物體剛開始運(yùn)動(dòng)時(shí)的拉力，其取值范圍為：0

師：猜想有哪些因素會(huì)影響摩擦力（靜摩擦力、滑動(dòng)摩擦力）的大??？

生：接觸面的粗糙程度、所受壓力的大小、物體間接觸面積的大小……

實(shí)驗(yàn)裝置原型如圖7所示。利用控制變量法，探究學(xué)生猜想的因素是否會(huì)影響摩擦力的大小。

（1）改變木板上表面的粗糙程度，觀察彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù);

（2）在重物上方加不同質(zhì)量的砝碼，改變木板所受的壓力，觀察彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù);

（3）用重物的不同側(cè)面與木板接觸，改變接觸面積的大小，觀察彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)。

結(jié)論：摩擦力的大小與接觸面的粗糙程度、所受壓力的大小有關(guān)，與接觸面積的大小無關(guān)。

師：利用第二組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（滑動(dòng)摩擦力、壓力的數(shù)值）作圖，觀察圖像特點(diǎn)。

生：圖像是正比例函數(shù)。說明滑動(dòng)摩擦力的大小跟壓力成正比。

師：如果用F表示滑動(dòng)摩擦力的大小，F(xiàn)N表示壓力的大小，可得F=μFN。

難點(diǎn)辨析：如圖8所示，壓力不等于物體所受的重力。壓力FN的方向總與接觸面垂直并指向受力物體。而重力G的方向始終豎直向下。

【設(shè)計(jì)意圖】 解釋是“5E”教學(xué)模式的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過讓學(xué)生觀察在探究靜摩擦力的大小時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)的變化，讓學(xué)生感知物體從有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)到發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，掌握靜摩擦力的變化范圍。再運(yùn)用控制變量法探究影響摩擦力大小的因素，最后通過讓學(xué)生將滑動(dòng)摩擦力與壓力的數(shù)值進(jìn)行作圖，自主得出壓力與滑動(dòng)摩擦力成正比關(guān)系。

1.5.4 ? ?遷移——學(xué)以致用

（1）判斷是否存在摩擦力（見表2）

（2）計(jì)算摩擦力大小的方法

如圖9所示，質(zhì)量為m1的重物在質(zhì)量為m2的木板上向左運(yùn)動(dòng)，取重物的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎较?。重物與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ1，木板與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)為μ2，若木板仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，則木板受到地面摩擦力的大小為（ ? ? ? ）

A. μ1m1g+μ2m2g

B. μ1（m1+m2）g

C. μ1m1g

D. μ2m1g

生：選C選項(xiàng)。重物在木板上運(yùn)動(dòng)時(shí)受到一個(gè)方向向右、大小為μ1m1g的滑動(dòng)摩擦力，因此，木板必將受到一個(gè)方向相反、大小相等的摩擦力。但木板仍處于靜止（平衡狀態(tài)），必將受到地面給它的一個(gè)方向向右、大小為μ1m1g的靜摩擦力。

總結(jié)計(jì)算摩擦力大小的方法（以物體間具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)為前提），如圖10所示。

【設(shè)計(jì)意圖】 遷移是“5E”教學(xué)模式的應(yīng)用環(huán)節(jié)。通過引入典型例題的方法，讓學(xué)生在學(xué)會(huì)應(yīng)用摩擦力相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行知識(shí)擴(kuò)展。對(duì)判斷是否存在摩擦力以及計(jì)算摩擦力大小的方法進(jìn)行總結(jié)，為學(xué)生提供解決問題的參考途徑。

1.5.5 ? ?評(píng)價(jià)——反思、強(qiáng)化 （圖11）

【設(shè)計(jì)意圖】 評(píng)價(jià)是“5E”教學(xué)模式的反思環(huán)節(jié)。將評(píng)價(jià)貫穿于整個(gè)教學(xué)過程，教師通過多元的評(píng)價(jià)方式及時(shí)對(duì)學(xué)生的表現(xiàn)給予評(píng)價(jià)，引導(dǎo)學(xué)生高效完成學(xué)習(xí)任務(wù)的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

2 ? ?教學(xué)反思

在教學(xué)中采用以小組合作自主探究方式為主的“5E”教學(xué)模式，落實(shí)了以學(xué)生為主體的培養(yǎng)目標(biāo)。對(duì)于本節(jié)課的重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容，在教學(xué)過程中要充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，只有學(xué)生有了學(xué)習(xí)的興趣，才會(huì)積極、主動(dòng)地探究物理知識(shí);還需要教師幫助學(xué)生通過突破相關(guān)的典型例題，讓學(xué)生在鞏固的基礎(chǔ)上提升理解。教師在引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“摩擦力”課題時(shí)，還應(yīng)該多結(jié)合生活實(shí)際，設(shè)計(jì)出符合學(xué)生認(rèn)知發(fā)展規(guī)律的教學(xué)過程，促進(jìn)教學(xué)相長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn)：

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[3]徐超，盛云生.從2017年江蘇高考14題談靜摩擦力與滑動(dòng)摩擦力的區(qū)別[J].物理教學(xué)，2018，40（9）：55-56.

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（欄目編輯 ? ?鄧 ? 磊）