基于新课标的初中物理探究实验创新

摘要

深入剖析当前初中物理实验教学现状，并以“探究影响滑动摩擦力大小的因素”这一实验的教学为切入点，对初中物理探究实验的教具和实验方案进行创新与改进，增强了实验的严谨性。完整的探究过程表明，实验创新与改进能够提升学生的探究水平，培养其热爱科学的态度与价值观，从而迅速达成“科学探究与实践”核心素养的培养目标。

Graphical abstract

关键词

新课标 / 物理学科核心素养 / 探究实验 / 创新 / 滑动摩擦力 / 匀速直线运动

物理是一门以实验为基础的自然科学课程。“实验探究”既是学生的学习内容，又是有效的学习方式，同时也为教师提升学生的核心素养提供重要的教学资源。从教学目标的角度看，“实验探究”是“物理观念”“科学思维”“科学探究”和“科学态度与责任”的统一体^［1］。因此，教育工作者应根据教育现场的实际状况，采取灵活而有创新的方式进行物理实验探究性教育活动。新课标新增了“实验探究”一级主题的各种类型物理实验，旨在体现物理课程实践性的特点，培养学生严谨认真、实事求是的科学态度。鉴于此，笔者针对新课程标准要求，以初中物理“探究影响滑动摩擦力大小的因素”的实验教学为案例，进行实验教学的创新研究，以便进一步将物理学科核心素养融入探究实验之中。

1 初中物理实验教学现状

1.1 教材实验的不足

“探究影响滑动摩擦力大小的因素”实验选自人教版物理八年级下册第八章第3节“摩擦力”^［2］，该节课程内容分为两大板块：理解摩擦力的基本性质以及探讨摩擦的利用。重点在于对物体在水平表面上产生的滑动摩擦力进行测量分析。根据新课标要求，这一实验是必做的测定性实验。为了使学生透彻掌握实验的核心意义，教材安排该节内容紧跟在“二力平衡”单元之后。在实践中，学生可能会因日常观察而总结出一些关于滑动摩擦力的经验性认识，但这些观点并不总是与科学理论一致，有时还存在偏差，如普遍存在的“滑动摩擦力取决于接触面积和物体的滑动速度大小”等观念，实则是对科学概念的误解。这些错误认识给探究滑动摩擦力大小与哪些因素有关增加了困难。教材实验利用二力平衡原理重点探究了滑动摩擦力大小与压力大小、接触面粗糙程度的关系。如图1所示，用手直接拉动弹簧测力计和木块，让木块在表面粗糙程度不同的长木板上移动，虽然简单方便，但也存有不足之处：用手直接拉动弹簧测力计，很难保证木块始终做匀速直线运动、拉力方向与弹簧轴线在同一直线上；在实验操作时，拉动弹簧测力计的同时进行读数，会导致读数不精准，误差较大。对此，教师不宜仅仅依赖教科书提供的实验内容，而应积极寻求并重视开展具有创新性的实验活动。

1.2 教师观念的问题

通过查阅大量资料和实地访谈等多种方法，笔者对初中物理探究实验现状进行了解，从中发现有以下情况。

（1） 大部分教师认识到探究实验的重要性，但物理探究实验教学所花费的时间较多，若将大量时间用于探究实验教学上，就会减缓物理教学的进度，所以教师一般会减少物理探究实验的时间，而学生也就无法有效进行自主探究学习。

（2） 随着网络科技的进步与广泛应用，众多教师偏好利用“实验视频”开展教学活动，这在农村地区的一些中学尤为常见。例如，部分教师尝试采用虚拟实验等手段，而能够自行设计并制作创新性实验教学器材的教师则屈指可数。依据笔者的调研和了解，虽然“实验视频”极为方便、高效，但其教学无法完全取代传统实验的直观感受，不便于培养学生的全面观察力、亲身实操能力、合作精神以及创新思维，终难于塑造学生扎实的科学探究技能，作为教学辅助工具是较好的选择；虚拟仿真实验尽管呈现出形象直观、操作简单和易于掌握等特性，却也削弱了学生对实验仪器的真切感知及基础操作技巧的锻炼，学生始终对实验现象及结果持有疑虑，导致其科学思维和探究能力受到制约。

（3） 教师普遍认可自制创新实验教具对教学的助益，却尚未充分重视其在提升学生物理学科核心素养方面的深层价值。

2 创新初中物理探究实验教具

2.1 创新器材

配备一台同步电动机，其主轴装有两个大轮和一个小轮，每个轮子都绕有带钩的细线。每组配备质量相等的小木块、弹簧测力计、小车轮各二，还配有一块一端装有固定滑轮的长条形横置长木板、两块具有相同粗糙表面的木板、一块表面更为粗糙的木板，以及一块中央开有空洞的木板，再加上两个钩码。

2.2 实验器材改进要点

（1） 速度问题。

低匀速转动的同步电机，会带动同轴转动的轮，由此可以匀速收起轮上缠着的细线，这样就可以作为拉动木块的动力，从而匀速拉动弹簧测力计和木块；电机同轴转动的大轮、小轮，可以产生不同的运动线速度，即可轻松完成拓展实验——探究滑动摩擦力大小与速度的关系。

（2） 拉力方向跟弹簧轴线要在同一直线的问题。

用小车轮把弹簧测力计垫起，然后一起移动，既保证木块前进道路的畅通，也减小电机负荷，并平衡了弹簧测力计自身重力对实验的影响，使实验读数更准确。另外，小车轮和长木板上定滑轮的高度可调，如图2所示，这样就可以适应拉力作用点不同高度的木块，从而增强器材的适应性。

（3） 直观方便，误差小。

利用电机可以同时拉动两块木块（两木块的质量和表面材质相同），由此可方便读数并直观判断两木块在不同情况下的滑动摩擦力大小，既减小实验误差，又增加实验的直观性；改变变量时，只需在长木板上更换需要的木板，就可以方便地进行下一个问题的实验探究。

3 创新初中物理实验教具的教学过程

（1） 提出问题：滑动摩擦力的大小跟哪些因素有关？

（2） 猜想和假设：可以让学生先体验，比如用手分别轻或重按在桌子上滑动，感受滑动摩擦力有何变化？把手放在衣服表面滑动，又有何不同？根据体验，提出猜想：滑动摩擦力的大小可能跟多个因素有关。

（3） 设计实验与制订计划：当木块在木板上匀速直线滑行时，利用二力平衡原理可知——其所承受的水平摩擦力与弹簧测力计拉力相等。故而，一旦知道了弹簧测力计拉力的大小，便可以相应得出摩擦力的大小。其实验方法采用控制变量法。

（4） 注意事项：实验前，弹簧测力计要进行水平位置调零；调节小车的高度，使拉力方向与弹簧轴线在同一直线上；调节定滑轮的高度，使细线拉力方向与弹簧轴线在同一直线上。

（5） 实验操作和数据采集：探究滑动摩擦力的大小与压力、接触面粗糙程度、接触面积、木块运动速度的关系。

实验一：滑动摩擦力的大小与压力的关系。

控制接触面粗糙程度相同，故选取表面光滑程度相同的两块木板置于长木板上，增减木块上的钩码改变压力（图3）；启动电机，观察两只弹簧测力计示数并录入表1。得出结论：滑动摩擦力的大小与压力有关，当接触面粗糙程度一定时，压力越大，滑动摩擦力越大。

实验二：探究滑动摩擦力的大小与接触面粗糙程度的关系。

此实验需控制压力大小相同，故选取质量相等的两块木块，将两者分别放在表面粗糙程度不同的两块木板上，如图4所示；启动电机，观察两只弹簧测力计示数，遂有：粗糙面的滑动摩擦力为0.3 N，光滑面的滑动摩擦力为0.1 N。得出结论：滑动摩擦力大小与接触面粗糙程度有关，且压力一定时，接触面越粗糙，滑动摩擦力越大。

实验三（拓展实验）：探究滑动摩擦力的大小与接触面积的关系。

此实验选取中间部分挖空的光滑木板，将其放置在长木板上，让木块从左端匀速运动至右端，当经过中间部分挖空的木板时，木块与木板的接触面积有所减小，从而改变了接触面积，其他因素保持不变；启动电机，观察到弹簧测力计的示数保持不变，由此得出结论：滑动摩擦力的大小与接触面积无关。

实验四（拓展实验）：探究滑动摩擦力的大小与运动速度的关系。

此实验同时用到电机轴上的大轮和小轮的细线，其他因素保持不变，如图5所示；启动电机，两块木块都在匀速直线运动，可以清楚观察到：大轮带动的木块速度较快，小轮带动的木块速度较慢，但两只弹簧测力计的示数保持一致，由此得出结论：滑动摩擦力的大小与木块运动速度无关。

（6） 实验结论：滑动摩擦力大小跟压力大小、接触面粗糙程度有关，而与接触面积和木块运动速度无关，且压力越大、接触面越粗糙，物体受到的滑动摩擦力就越大。

4 创新实验的教学评价

4.1 制作简单，成本低廉

利用实验室常见器材，设计具有创意的实验教学用具，具有制作简单、操作方便、效果明显的优点，不仅弥补了以往实验室设备不齐全或实验效果不明显的缺陷，还能帮助学生更好地掌握所要学习的内容。

4.2 现象直观，使用安全

在进行创新性实验探究时，只需启动电机，同时观察两块木块，便能够直接测量不同条件下木板受到的滑动摩擦力大小，极富直观性；完整的探究过程，有效提高了学生的探究能力，培养了他们细致入微、精益求精的科研精神，进而促进了其正确价值理念的建立。

4.3 易于操作，容易理解

创新实验器材，实现了变量的模块化，按需拼装即可实验，易操作；在整个探究过程中，木块的滑动始终由弹簧测力计直接拉动，这对于刚学完二力平衡的学生而言，其设计比拉动长木板让木块相对滑动的方案更易于理解，避免了掌握新知识时碰到其他的困惑。

4.4 引领示范，激发创新

在教师引导下，学生亲手制作创新实验器材、优化实验方法，能点燃其探究热情，培养其科学精神与责任感，最终切实落实新课标“以核心素养为本”的目标，使物理核心素养真正落地。

参考文献

[1] 李春密，苏明义.新版课程标准解析与教学指导（2022年版）·初中物理［M］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书物理八年级下册［M］.北京：人民教育出版社，2012.