基于学习进阶理论的滑动摩擦力概念教学的策略与实践

    陈力 魏新才

    

    

    

    摘? ?要：物理概念是学生认识物理世界的基础，也是核心素养的重要组成部分。根据学习进阶理论，物理概念建立的过程具有逻辑性和层次性，那么教师在设计教学活动时就应该结合学生的认知基础和认知发展规律，在大量的事实经验和科学概念之间为学生逐级地搭建认知进级的“阶”。机械运动和相互作用是最重要的物理观念之一，滑动摩擦力是其中一个重要的基本概念。笔者以教科版高中物理必修一第2章第3节“滑动摩擦力”概念教学为例，具体说明“学習进阶”在课堂教学设计中的应用。

    关键词：学习进阶;滑动摩擦力;物理概念

    中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2021）3-0004-5

    周光召先生曾说过“科学教育不应该传授给学生支离破碎、脱离生活的抽象理论和事实，而是应当慎重选择一些重要的科学概念，用恰当、生动的方法，帮助他们建立一个对世界完整的理解。”基于物理学科中概念教学的特点，即建立在丰富的事实经验的基础上，从“基础概念”到“基本概念”，再到“重要概念”，然后到“主题核心概念”，最后逐渐升级到“学科核心概念”，有序地引导学生建立完整的知识体系。通过学科核心概念层次性的生成过程，为学生未来科学素养的提升提供有力的“支架”。

    1? ? 学习进阶理论的简介

    “学习进阶”的概念最早由美国国家研究委员会（NRC）提出。尽管不同的研究者对“学习进阶”的定义不同，但都突出体现了“阶”在学生构建知识体系过程中的重要性，即学习不是一蹴而就的，而是通过一系列的由浅入深、由简到繁的思维层级构成的，这些思维层级就好比学生认知“攀岩”过程中的“脚踏点”。只有科学地选取“脚踏点”，建筑“物理大厦”才有实现的可能性。

    北京师范大学物理教育研究团队结合我国物理概念教育实践的现状，以物理概念的认知程度作为进阶的自变量，将物理概念学习分为五个层级，即：事实经验、映射、关联、概念、整合，各层级具体描述见表1。

    2? ? 基于学习进阶理论的滑动摩擦力教学的进阶策略

    2.1? ? 基于事实经验，注重与科学概念的实质性联系

    物理概念的建立需要创设情境。学生在学习物理概念之前，已经形成了大量与科学概念有关的经验性常识。在这些事实经验的基础上，教师引导学生通过对经验现象的推理、概括、归纳得出共同属性，进而完成事实经验到科学概念的转变。

    2.2? ? 基于“踮踮脚够得到”的原则，促进学生的思维成长

    为了能够有效地促进学生思维的发展，在教学中为学生搭建台阶是很有必要的。如果台阶过少，会增加学生的思维跨度，容易让学生产生畏难心理，影响教学进度;如果台阶过多，会导致学生变相地被老师“牵着走”，从而减少了学生独立思考的机会，因此在教学中应该贯彻“踮踮脚够得到”的原则，有效促进学生的思维成长。

    2.3? ? 基于学科的基本概念，促进学生科学概念体系的发展

    2019年全国III 卷理科综合考试中，第14题“楞次定律是哪个定律在电磁感应现象中的体现呢？”学生得分率比较低，究其原因就在于学生对科学概念的理解往往是碎片化的，缺乏建构各个科学概念关联的思维过程。学生对楞次定律的理解往往停留在“判断感应电流方向”的层面上，教师甚至总结出“增反减同”“增离减靠”“来拒去留”“增缩减扩”等口诀帮助学生做题时能快速作出判断，然而却忽略了楞次定律的本质内容，即产生感应电流的过程必须遵守能量守恒定律。科学教育应通过具体的科学概念促进学生对核心概念的深入理解，并在核心概念的统领下加强具体科学概念之间的联系，逐步建立科学概念体系。

    3? ? 基于学习进阶理论的滑动摩擦力教学的进阶途径

    3.1? ? 进阶起点分析

    “滑动摩擦力”是高中物理必修一第2章第

    3节的内容，其实是初中知识的延伸和拓展。在初中阶段，学生对滑动摩擦力已经有了一定的认识和了解。但大多数学生对滑动摩擦力缺乏正确的认识，例如，认为“滑动摩擦力的方向与运动方向相反”，“受滑动摩擦力的物体一定是运动的”，“正压力等于物体的重力”，“对相对性缺乏感性认识”，等等。教师就应该在生活经验和课堂实验的双重引导下，有针对性地设计教学问题，为学生搭建台阶，让学生真正掌握滑动摩擦力的内涵。

    3.2? ? 进阶过程

    3.2.1? ? 创设情境，补充事实经验，导入新课

    自动人行步道在现代生活中特别常见，如航站楼、超市、高铁站等，如图1所示。教师播放相关视频，视频中一个小朋友问妈妈“为什么我们一站上来就能动起来呢？”教师将该问题顺势抛给学生。学生根据已有的力的作用效果以及摩擦力的知识，可以想到是因为摩擦力的作用，但具体是滑动摩擦力还是静摩擦力学生却模棱两可，无法给出正确的解释。

    设置目的：引入常见的生活场景，引发学生的认知冲突，为新概念的引入和建立提供事实依据。

    3.2.2? ? 创设情境，引出滑动摩擦力

    教师：力看不见摸不着，什么力才是滑动摩擦力呢？请大家伸出手，我们先一起来感受一下滑动摩擦力。

    【学生活动】 手压在桌面上向前推（如图2）。

    教师：大家有什么感觉吗？

    学生：推起来有点费力，好像有什么在阻碍我的手向前推……

    教师：哦……有点阻碍的作用。那么，在物理学中就称“当两个物体间有相对运动时，在接触面上产生的阻碍物体相对运动的力就是滑动摩擦力。”

    设置目的：（1）学生通过自己的真实体验，感受到滑动摩擦力的存在，降低了概念理解上的难度，为滑动摩擦力概念学习从“事实经验”层级上升到“映射”层级搭建了强有力的“阶”;（2）由于滑动摩擦力产生的条件还没有得出，而教材上关于滑动摩擦力的概念说明长达61个字（如图3），对学生来说既枯燥又难以理解，所以在此并不过多地强调滑动摩擦力的概念，只是引出滑动摩擦力而已。

    关于“滑动摩擦力”定义的描述

    3.2.3? ? 进阶过程：创设情境，通过演示实验和分组实验探究滑动摩擦力的方向和大小

    （1）探究活动：探究滑动摩擦力的方向

    请学生们用刷子在自己的手背上刷一刷，判断刷子所受滑动摩擦力的方向。由于缺乏相对性的概念，学生很容易得出“滑动摩擦力的方向与运动方向相反”的错误结论。为此，教师设计了三组实验依次向学生们演示（如图4）：（a）手不动刷子动;（b）刷子不动，手动;（c）擦黑板。教师在演示（b）（c）两个实验时，同时引导学生思考“刷子和黑板都没有动，是否受到滑动摩擦力的作用以及各自所受滑动摩擦力的方向”。学生恍然大悟，进而得出 “滑动摩擦力的方向与相对运动方向相反”的正确结论。

    通过上面3个演示实验，虽然学生对滑动摩擦力的方向已经有了正确的认识，但是对“相对运动”仍然缺乏形象、深刻的认识。为此，教师可以利用Flash动画将这种“相对性”形象地展示出来（如图5），进而让学生正确判断出各个物体所受滑动摩擦力的方向。

    设置目的：滑动摩擦力方向的判断是本节课的难点。在常规教学设计中，一般都是先探究滑动摩擦力的大小，再探究滑动摩擦力的方向。但是笔者认为，在探究滑动摩擦力大小的实验中也会涉及到物块所受滑动摩擦力方向的判断，这对学生而言，在思维上存在“跨层级”问题。因此，在本教学设计中，先探究滑动摩擦力的方向，再探究滑动摩擦力的大小。教师通过不同的演示实验，层层递进，引导学生体会“相对性”进而得出正确结论。

    （2） 探究活动：探究滑动摩擦力的大小

    在探究滑动摩擦力大小的活动中，让学生带着对以下五个任务问题的思考，尝试设计实验方案，逐级地构建出准确测量木块所受滑动摩擦力大小的实验装置并完成表格。

    任务一：回忆滑动摩擦力的大小与哪些因素有关？

    任务二：思考应该采用什么样的实验方法？

    任务三：实验方法具体实施的步骤。

    任务四：设计实验方案，如何准确测量木块所受滑动摩擦力的大小？

    任务五：分析实验数据，得出实验结论。

    实验数据表格设计见表2、表3。

    但由于受到初中探究滑動摩擦力大小的实验方案的影响，学生很容易设计出如图6（a）所示的实验装置。在此，教师先要对学生积极地参与思维活动予以肯定，然后鼓励学生深入思考该实验方案在实验操作上有哪些弊端。学生经过思考，很快联想到“匀速拉动很难实现”，“拉动过程中弹簧测力计的示数很难准确读取”，等等。从而改进实验装置，如图6（b）所示。

    对于公式f=μN，教师应该提供丰富的情境引导学生深入理解各个物理量的含义。例如：“动摩擦因数μ是否取决于滑动摩擦力f和正压力N？μ与哪些因素有关？正压力一定等于物体的重力吗？”采用图7所示的情境与装置进行讨论;在图6（b）所示的实验中，如何才能准确测量木板下表面所受滑动摩擦力的大小呢？

    设置目的：在教师的引导下，学生经历发现问题、分析问题与解决问题的过程，认识如何在事实经验的基础上通过抽象、概括、推理、论证等过程形成知识。学生通过分组实验科学探究的方式来获取知识、发展能力。通过对实验结论的讨论，加深学生对概念规律的认识，利于学生对知识的应用，防止思维碎片化。

    （3）实验：总结滑动摩擦力产生的条件，理解滑动摩擦力概念

    学生通过分组实验，探究得出滑动摩擦力大小的计算公式后，教师再引导学生根据所学知识以及实验体会，总结滑动摩擦力的产生条件，在此基础上，让学生回归课本，理解课本中（图3）关于滑动摩擦力的概念说明。

    设置目的：遵循知识生成的过程，这样设计，一方面可以降低知识难度，另一方面可以训练学生的逻辑推理和归纳总结能力。

    3.2.4? ? 进阶过程：应用、留疑、整合

    （1） 知识应用：学生利用所学知识分析在新课导入环节小朋友提出的问题“为什么人一站上自动人行步道就能动起来呢？”学生在分析原因时进行分类分析，按照类型将自动人行步道分为水平和倾斜两种类型，按照运动过程将人的运动分为加速和匀速两个阶段。

    （2）对于人在倾斜自动人行步道上的匀速阶段的受力情况，超出了学生在本节课上所学知识的范围，但为下节“静摩擦力”的学习做了思维上的铺垫。

    （3）学生讨论、总结：在知识、方法和情感体验等方面大家都学到了什么？

    设置目的：在概念教学中，知识和知识获取的策略两者同等重要。因为，在解决不同的任务时，策略性的知识更容易被迁移，因此努力提升课堂教学中学生思维的质和量，才是概念教学的重难点。

    三尺讲台，神圣无边。讲台不是教师自编自演的舞台，而是匠心独运为学生逐级搭建从“混沌”走向“科学”台阶的平台。核心素养的形成和发展并非一时之功，连小“阶”成大“阶”，学生寻“阶”而上，最终构建属于每个学生自己的“物理大厦”。

    参考文献：

    [1]张玉峰，汤玉林.基于核心素养的高中物理教学重难点的突破[M].北京：北京师范大学出版社，2019.

    [2]郭玉英，姚建欣，张玉峰.基于学生核心素养的物理学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2017.

    [3]何春生，郭玉英.基于学习进阶理论的课堂教学设计与实践——以“功”为例[J].物理教师，2016，37（10）：23-26+31.

    [4]牛有明. 基于学习进阶的教学设计——以“电压表”教学为例[J].物理教学探讨，2019，37（11）：32-33+36.

    （栏目编辑? ? 赵保钢）