沈毅

【摘要】本文闡述了“測量物體運動時的摩擦力大小”實驗教學過程，基于學生科學素養(yǎng)的養(yǎng)成目標和學生已有的知識水平，對教材原有實驗誤差大的教學實際展開思考和探究，引導和帶領(lǐng)學生改進和創(chuàng)新實驗裝置，從而縮小實驗誤差，讓學生經(jīng)歷了與實驗方法相關(guān)聯(lián)的思維過程，自主建模、樂于探究，有效提升了學生的科學素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】自主建模 科學素養(yǎng)

《運動與摩擦力》 實驗教學 實驗設(shè)計

反思

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2017）05A-0070-02

《運動與摩擦力》是教科版小學科學五年級上冊第四單元的第一課時，教材共安排了三個實驗活動：1.測量物體運動時摩擦力的大小。2.研究運動時摩擦力大小與接觸面光滑程度之間的關(guān)系。3.研究運動時摩擦力大小與物體重量的關(guān)系。其中，學生親歷“測量物體運動時的摩擦力大小”，掌握測量、讀取數(shù)據(jù)的方法，是第二及第三個探究活動有效開展的前提。小學科學課程標準指出，科學課以培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)為宗旨，以科學探究作為最重要的學習目標和學習方式，并在教學過程中體現(xiàn)“以生為本”的理念。基于學生科學素養(yǎng)的養(yǎng)成目標，本課以學生已有的知識水平作為教學起點，選擇改進和創(chuàng)新實驗裝置作為切入點，讓學生經(jīng)歷與實驗方法相關(guān)聯(lián)的思維過程。

一、實驗教學目標

五年級學生對摩擦力已有感性認識，且通過兩年的科學課學習，學生已掌握了對比實驗的基本方法，具備采集數(shù)據(jù)并進行簡單分析的能力?；谡n標、教材、學情，筆者將本課的教學目標和教學重點、難點確定如下：

教學目標：1.通過設(shè)計實驗、制作控制裝置，測量物體運動時的摩擦力大小。2.發(fā)展識別和控制變量、采集數(shù)據(jù)和記錄并運用數(shù)據(jù)進行分析得出結(jié)論、對研究問題做出合理解釋的探究技能。3.形成敢于提問、嚴謹實驗、根據(jù)數(shù)據(jù)得出結(jié)論的科學精神。

教學重點：1.掌握測量摩擦力大小的正確方法。2.準確判斷和讀取數(shù)據(jù)。

教學難點：通過控制變量，有效減小實驗數(shù)據(jù)誤差。

二、實驗內(nèi)容設(shè)計

為了有效達成教學目標，筆者將本課實驗內(nèi)容設(shè)計為三個部分：1.用彈簧測力計初次測量物體運動時的摩擦力。2.用新裝置重新測量（物體運動時的摩擦力）。3.設(shè)計實驗探究摩擦力大小與接觸面光滑程度、物體重量的關(guān)系。

三、實驗方法設(shè)計

（一）教材中實驗介紹的不足

教材中用了這樣一句話提出實驗要求和實驗方法：“我們用測力計沿水平方向拉一個物體，剛好能使這個物體運動起來的力就相當于它受到的摩擦力?！睂嶒炘硎歉鶕?jù)物體勻速運動時，拉力與摩擦力二力平衡，把測力計的示數(shù)作為物體摩擦力的大小。在教學實踐中，我們發(fā)現(xiàn)操作有以下困難：第一，接觸面的粗糙程度不同；第二，普通彈簧測力計隨著拉伸次數(shù)增加，誤差加大；第三，人手拉動物體，無法實現(xiàn)勻速?；诖说玫降臄?shù)據(jù)，測量同樣的重物誤差在0.5～1.5N之間，數(shù)據(jù)誤差較大，影響了接下來的實驗，有的小組甚至出現(xiàn)了粗糙面的摩擦力反而小的錯誤結(jié)論。（如圖1）

（二）解決方案：自制摩擦力數(shù)字化實驗裝置

基于以上問題，沿用上述實驗原理，我們自制了與程序相配套的摩擦力數(shù)字化實驗裝置，以新技術(shù)助推科學探究，有效解決問題。（如圖2）

四、教學過程設(shè)計

（一）聚焦問題，創(chuàng)新教具

教學開始，學生用彈簧測力計初次測量物體運動時的摩擦力，對比實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)誤差大，討論發(fā)現(xiàn)問題：人手拉動物體無法做到勻速。此時，如何實現(xiàn)勻速是學生最想解決的問題。因此，我們用“微型電機”代替人手提供動力，將普通彈簧測力計更換為自制的帶液晶顯示屏的單片機測力計，這是我們對儀器的第一次改進。

實驗中還有一個重要現(xiàn)象：學生發(fā)現(xiàn)測力計的數(shù)據(jù)在測量的過程中會出現(xiàn)3次波動。第一次，拉力<最大靜摩擦力，物體未動，測力計讀數(shù)緩慢增加；第二次，拉力>摩擦力，物體運動起來，但是讀數(shù)不平穩(wěn)；第三次，物體勻速運動時，拉力相當于摩擦力。此時的數(shù)據(jù)才是符合我們要求的數(shù)據(jù)。但是教材沒有相關(guān)指導，以往學生是在教師的要求下做出的數(shù)據(jù)選擇，并非自主思考。所以，我們在第一次改進的基礎(chǔ)上，在摩擦力數(shù)字化實驗裝置中增加了傳感器、轉(zhuǎn)換器、接收器，自主編寫程序，將數(shù)據(jù)同步轉(zhuǎn)換為圖像，引導學生經(jīng)歷與實驗過程想關(guān)聯(lián)的思維過程，準確地判斷和選取數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)構(gòu)建證據(jù)鏈，用數(shù)學化歸納和演繹科學事實。通過這樣的改進，讓學生在新的實驗裝置輔助下，學會探究和思考，真正將科學核心素養(yǎng)的培養(yǎng)落到實處。

（二）用摩擦力數(shù)字化實驗裝置重復實驗

學生利用改進后的實驗裝置進行了重復實驗，改進后的實驗數(shù)據(jù)比對，誤差能夠縮小到0.1～0.2N。同樣的裝置，通過毛巾和砝碼等簡單器材更改對比條件，即可展開其他相關(guān)實驗。通過數(shù)據(jù)圖像，學生可以直觀而清晰地判斷出摩擦力大小與物體重量有關(guān)，物體越重，摩擦力越大。相較原來的實驗，使用摩擦力數(shù)字化實驗裝置操作更簡單、更高效，數(shù)據(jù)更嚴謹，能夠有效突破難點，達成教學目標。

五、實驗教學反思與評價

以往的實驗教學更多的是注重實驗的驗證功能，學生更多是作為操作者或者旁觀者，缺少主動的探究和多樣創(chuàng)造?；仡櫯c反思本節(jié)課的教學，共有如下特點：

1.基于問題進行的有效改進。改進實驗裝置有效解決了手動測量誤差大的問題，使分組實驗數(shù)據(jù)誤差縮小至0.1～0.2N。

2.基于學情展開的有效教學。本課對實驗儀器改進的需求來源于學生探究過程中產(chǎn)生的問題，通過制作摩擦力測量控制裝置解決問題，有效提升了學生的科學素養(yǎng)。

3.有效提升學生持續(xù)性研究的動力。引入工程學原理，有效提升學生開展課后研究及應(yīng)用工程學改進實驗儀器的興趣。通過這樣的課程學習，學生除了對科學探究的興趣更加濃厚之外，還對工程學產(chǎn)生了興趣，這也啟發(fā)筆者在今后的教學中，應(yīng)更多地嘗試給學生提供原材料，鼓勵他們自主建模，科學探究、持續(xù)探究、快樂探究！

（注：本課例榮獲第四屆全國中小學實驗教學說課比賽一等獎）

（責編 周翠如）