摘" 要：如何轉變學生的迷思概念是物理教學中的一個難點。本文通過總結已有研究，使用DIS系統(tǒng)輔助實施“轉變學生對摩擦力錯誤認知”的相關實驗，以豐富學生的直接經(jīng)驗與感性認識。該實驗通過幫助學生感受平衡、靜摩擦力、最大靜摩擦力與滑動摩擦力以及運動中的摩擦力，逐步加深他們對摩擦力的認識，有助于有效教學的實施和學生迷思概念的轉變。

關鍵詞：DIS實驗；迷思概念；摩擦力

1" 引言

DIS系統(tǒng)在經(jīng)歷了十余年的探索與實踐后已逐步走進中學物理課堂，它憑借其省時高效的優(yōu)點受到廣大物理教師的青睞。起初，DIS系統(tǒng)只作為可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)楊明伍實驗儀器的新型學生分組實驗儀器。但隨著核心素養(yǎng)導向教育的到來，教師在物理教學中已經(jīng)改變了只在實驗課上才用儀器做實驗的教學模式。在日常的物理概念與物理規(guī)律的教學中，教師為了能豐富學生的感性認識、培養(yǎng)學生的科學探究意識、幫助學生養(yǎng)成實事求是的科學態(tài)度，通過實驗來學習與探究規(guī)律已成為物理課堂的新常態(tài)。尤其是對學生可能存在的錯誤前概念，或在學習新課后容易形成的迷思概念，教師更要注意在課堂上通過設計相關實驗和操作DIS系統(tǒng)來轉變學生已有的迷思概念，并防止學生形成新的迷思概念。

學生在高中物理“摩擦力”的學習中常常會產(chǎn)生大量的迷思概念，這嚴重影響了學生正確判斷摩擦力的存在及其方向。如果教師在課前就能了解學生在課后可能會存在哪些問題，那在教學設計時就可以為避免迷思概念的形成做出努力。那么，教師在課前要如何得知學生課后可能存在的問題呢？除了利用自身的經(jīng)驗外，教師還可以利用已有的相關研究進行全面學習，這也是教育研究的意義所在。

2" 與摩擦力有關的迷思概念總結

筆者對以往與摩擦力有關的迷思概念研究進行了對比與總結，概括出如下“三方面，八條目”。

2.1" 對摩擦力相關概念的理解

條目一：學生只是從字面上理解靜摩擦力和滑動摩擦力，認為相對地面靜止的物體受到的摩擦力一定是靜

摩擦力，相對地面運動的物體受到的摩擦力一定是滑動摩擦力。［1］

條目二：學生對最大靜摩擦力的認識不深刻，認為物體受到的靜摩擦力是一個定值，靜摩擦力就是最大靜摩擦力，或認為滑動摩擦力一定比靜摩擦力大。

2.2" 對摩擦力產(chǎn)生條件的理解

條目一：學生對摩擦力的產(chǎn)生條件理解得不全面，沒有全面考慮

“接觸并擠壓、接觸面粗糙、有相對運動或相對運動趨勢”的情況；有時還存在誤解，認為速度、接觸面積大小等因素也會影響滑動摩擦力的大小。［2］

條目二：學生對相對運動趨勢和相對運動的理解不深刻，常常只以地面為參考系考查物體的相對運動，而忽視與其相互作用的物體。

條目三：學生認為靜摩擦力與滑動摩擦力都與重力有關，有時直接認為重力就是壓力，認為重力越大、摩擦力越大；在滑動摩擦力的計算中，習慣性地列出公式f＝μmg。［3］

條目四：摩擦力是被動力，因而學生認為摩擦力的存在與否由外力決定。若沒有除摩擦力以外的其他外力直接作用在物體上，物體則不受摩擦力；若有外力直接作用在物體上，物體則一定會產(chǎn)生相對運動或相對運動趨勢，受到摩擦力，且摩擦力的方向與外力的方向相反。

2.3" 對摩擦力作用效果的理解

條目一：學生認為摩擦力只能充當阻力角色，不能作為動力；若可以作為動力，則摩擦力也應該被稱為主動力。

條目二：學生對“摩擦力是被動力”的理解不深刻，習慣性地使用二力平衡解決問題。例如，學生認為在豎直方向上，無論受力情況如何，所受摩擦力的方向一定和重力的方向相反；認為“因受到沿斜面向上的外力而靜止在斜面上”的物體，其靜摩擦力的方向一定沿著斜面向下。

由此可見，學生此處

形成迷思概念的

原因復雜且多樣

，教師在教學過程中應給予足夠的重視。

3" 學生在學習摩擦力時的困難原因探析

3.1" 初中摩擦力問題的簡單化對學生學習態(tài)度與知識理解的影響

初中階段的學習僅涉及滑動摩擦力，并且基本不涉及多個物體間的相對運動情況。探究滑動摩擦力的影響因素也常常是“偽探究”。學生不需要過多思考，只憑記憶就可以輕松解答有關問題。在高中階段，學生如果依然保持“摩擦力很簡單，只需要記憶結論就可以學會”的態(tài)度，甚至認為自己已經(jīng)會了而不認真學習，那么勢必會在課后練習時出現(xiàn)疑問。而且，靜摩擦力的有無和方向判斷是一個學習難點。初中階段的物理學習很少會遇到不確定的問題，有沒有摩擦力基本是顯而易見的，摩擦力方向也容易判斷。在高中階段，靜摩擦力與之前不同。判斷靜摩擦力有無時，“相對運動趨勢”一詞中的“趨勢”本就是不可見的，學生初學時很難判斷出是否有“趨勢”，對于靜摩擦力方向的判斷便也無從下手。

3.2" 受學習順序的影響，學生使用規(guī)律解決問題的意識不夠

學生在學習牛頓第二定律后，常會遇到大量與牛頓第二定律結合的摩擦力問題。很多時候，解題的過程涉及根據(jù)物體的運動狀態(tài)來判斷摩擦力的方向，在學生最初學習摩擦力時，教師是無法全面講解這一方法的。故在初學摩擦力時，學生很難對摩擦力的判斷方法有全面的了解；后續(xù)教學中，教師若沒有重新幫助學生搭建有關摩擦力的知識體系，容易使學生產(chǎn)生迷思概念。錯誤概念一旦形成，很容易形成思維定式，學生在解決問題時可能會習慣性地調用已有的錯誤觀念而忽視客觀規(guī)律，使自己處在“看答案能看懂，自己做就出錯”的被動境地，導致學習物理的信心備受打擊。因此，在最初教學時，教師就應當借助實驗，這比純粹的數(shù)學公式更使人信服，更有利于學生物理學習思維的轉變。

4" 用DIS系統(tǒng)輔助學生轉變迷思概念

在有關學生對摩擦力的迷思概念認知轉變的教學中，教師應將理論推導與實驗驗證相結合，豐富學生的感性認識，使學生獲得足夠的直接經(jīng)驗以沖破原有錯誤認知的束縛。教師應用實驗數(shù)據(jù)證明規(guī)律的正確性，讓學生相信規(guī)律，更多地使用規(guī)律而非常識解決物理問題，這對學生轉變自己物理學習的態(tài)度也大有裨益。

4.1" 感受平衡、靜摩擦力、最大靜摩擦力與滑動摩擦力

在此部分，筆者選擇的實驗研究對象是小物塊，運用疊塊模型測量小物塊的摩擦力。在2020年北京高考物理卷第11題中出現(xiàn)過這樣的實驗裝置（見圖1），此處通過拉動下方木板，來探究最大靜摩擦力與滑動摩擦力的關系。［4］DIS實驗系統(tǒng)也配有專門的實驗器材，使用的是配有牽引電動機的導軌。在導軌上放一個表面粗糙的墊板，將物塊放在墊板上，與圖1本質相同，只是用電動機的拉力代替圖1中的手動拉力。

雖然該實驗可以探究摩擦力的相關規(guī)律，但是實驗操作過程很迅速，學生的參與感并不強。學生沒有深刻感受到摩擦力從靜摩擦力變?yōu)樽畲箪o摩擦力，以至最終變?yōu)榛瑒幽Σ亮Φ恼麄€過程。所以在實驗過程中，教師可以放慢物塊受力變化的過程，最好能夠體現(xiàn)出“由量變到質變”的感覺，這樣會使學生的參與感和體驗感增強。

因此，筆者使用力傳感器測量物塊下墊板所受的拉力，將鉤碼和曲別針等作為配重物，把外力作用在小物塊上，通過逐個增加曲別針的方式，以顯示出“在增加第n個曲別針時小物塊并未滑動，而一旦增加第n＋1個曲別針時物塊立即滑動”的變化過程。實驗裝置圖如圖2所示。力傳感器掛鉤上的棉線另一端套在墊板的釘子上，使棉線初始處于松弛狀態(tài)。將魚線系在小物塊左側的鐵環(huán)上，跨過多用力學軌道的滑輪，末端系成環(huán)形以掛配重物?？梢韵仍隰~線末端掛5個曲別針，確保它能夠穩(wěn)定地跨過定滑輪。

實驗過程如下。

第一步，稱量小物塊的質量，估算拉動小物塊所需的配重物質量。筆者所用的物塊質量為111.45 g，物塊與墊板之間的靜摩擦系數(shù)約為0.7，所以所需配重物的質量應在78 g左右。

第二步，進入DIS系統(tǒng)的通用軟件模式，將力傳感器調零。點擊“開始記錄”，記錄此時力傳感器的示數(shù)，為0.06 N。

第三步，在曲別針下方掛50 g的鉤碼，記錄此時力傳感器的示數(shù)，為0.07 N。能夠發(fā)現(xiàn)與上次記錄數(shù)據(jù)無較大差距，說明此時棉線并未繃緊，墊板上下表面所受的靜摩擦力平衡。

第四步，在鉤碼下方再掛10 g的鉤碼，記錄此時力傳感器的示數(shù)為0.21 N。注意掛鉤碼時盡量不要施加外力，如不方便在鉤碼下方再掛鉤碼，可以使用質量相近的彈簧作為配重物。

第五步，此時配重物已達到60 g左右，為得到較多實驗數(shù)據(jù)，先掛5個曲別針，記錄數(shù)據(jù)，再掛5個曲別針，記錄數(shù)據(jù)，分別為0.23 N和0.26 N。

第六步，上述步驟得到的數(shù)據(jù)0.26 N加上墊板下表面所受的靜摩擦力，和粗略計算的最大靜摩擦力已經(jīng)比較接近，因此在接下來的實驗中，每次增加一個曲別針，并記錄數(shù)據(jù)。

第七步，當筆者增加到第17個曲別針時，力傳感器示數(shù)已達到0.30 N，在增加第18個曲別針后小物塊滑動，在滑離下方墊板前記錄數(shù)據(jù)，為0.22 N。

第八步，保持配重不變，讓小物塊多滑幾次，以獲得滑動摩擦力的平均值。完整的數(shù)據(jù)記錄表格如表1所示。

第九步，在計算表格右側增加“變量x”，代表記錄的次數(shù)，使用軟件作出記錄次數(shù)與力傳感器示數(shù)關系的“F1-x”圖（見圖3）。

由圖3可知，靜摩擦力的大小會隨著受力情況的變化而變化，這是摩擦力是被動力的表現(xiàn)之一。最大靜摩擦力變?yōu)榛瑒幽Σ亮κ且粋€突變的過程，第18個曲別針就是“壓死駱駝的最后一根稻草”。

墊板滑動時力傳感器的示數(shù)與墊板靜止并受最大靜摩擦力時力傳感器的示數(shù)

相差約為33%。日常題目中最大靜摩擦力與滑動摩擦力常常被認為近似相等，似乎不應該有這么大的差距。圖1中的最大靜摩擦力約為10 N，滑動摩擦力在7 N左右，相差30%，說明實際情況就是如此。在平時的練習中，我們有時對問題做了近似處理，此時問題是模型化的。當然，材料的不同也會影響最大靜摩擦力與滑動摩擦力的差距。

教師在完成實驗過后，還需進行理論分析。在本實驗中，墊板起初受到小物塊和軌道的靜摩擦力，隨著棉線繃緊還受到棉線的拉力。后來小物塊相對墊板發(fā)生運動，墊板上方受到的摩擦力為滑動摩擦力。因此靜止的物體也可以受到滑動摩擦力。

4.2" 感受運動中的摩擦力

只研究平衡問題不足以幫助學生全面認識靜摩擦力與滑動摩擦力，因此，感受運動中的摩擦力是必不可少的，此部分最好結合牛頓第二定律來解釋。教師可以在牛頓第二定律的應用環(huán)節(jié)演示此實驗，補充學生對摩擦力的認識。

筆者利用長紙箱、書本、組合發(fā)圈和小物塊作為實驗器材，組裝了實驗裝置如圖4所示，構成了簡易的三層疊塊模型，筆者使用了兩個力傳感器，分別拉動組合發(fā)圈中其中一圈的兩端，使得整體受力較為均勻，以使物塊沿直線運動。

實驗過程如下。

第一步，進入DIS系統(tǒng)的通用軟件模式，將力傳感器調零。設置自動記錄采集時間為0.5 s，點擊“開始記錄”，得到的數(shù)據(jù)如表2所示。

第二步，手握兩個傳感器，做先加速后減速的直線運動，停止運動后點擊“結束”（用手機錄制實驗過程）。

第三步，在“計算表格”右側增加“變量F3”，點擊公式，設置自由公式“F3＝F1＋F2”。

第四步，利用軟件繪圖功能繪制“F3-t”圖。

第五步，設置自動記錄采集時間為0.2 s，重復上述操作，最終得到的數(shù)據(jù)如表3所示。

本實驗可以增強學生對牛頓第二定律的認識。由于書的運動狀態(tài)是變加速運動，我們只能通過定性分析出疊塊模型先做變加速運動，后做變減速運動。需要學生注意的是，

書的加速和減速并非由于手的拉力先增大后減小，

而是因為書所受的合力先向左增大，后向右增大。如果書只受到手的拉力作用，那么應先做加速度逐漸增大的加速運動，再做加速度逐漸減小的加速運動，此時兩段都是加速運動，與有摩擦時的運動存在本質區(qū)別。該實驗說明，學生在考查某物體的加速度時，應該分析清楚物體所受的合力，盡管有時某些力可能是未知的。

將手機拍攝的實驗過程視頻導入到ScreenToGif編輯器中，系統(tǒng)會將視頻自動分為500幀，就可以逐幀播放疊塊的運動過程，這比簡短的視頻更加直觀清晰。本文選取了幾幀圖片，用PowerPoint的“下移一層”功能將各張圖片的疊塊部分組合在一起（見圖5）。經(jīng)過對比，我們可以很明顯地看出，最上方的小木塊相對于書沒有運動，而書和物塊整體相對于長紙箱向左運動（初始時刻書的最右端與紙箱的最右端是平齊的）。雖然“書物整體”與長紙箱都相對于桌面向左運動，但是它們的加速度不同，而小物塊和書的加速度時刻保持相同。

根據(jù)實驗結果的理論分析，小物塊的加速度先向左再向右。由于小物塊在水平方向上只受到阻力的作用，且其與下方的書之間無相對運動，因此它的加速度由靜摩擦力提供，靜摩擦力先作為動力、后作為阻力。書在水平方向上受到拉力、小物塊給予的靜摩擦力和長紙箱給予的滑動摩擦力。在加速階段，小物塊對書的靜摩擦力方向向右，長紙箱對書的滑動摩擦力方向也向右；而在減速階段，小物塊對書的靜摩擦力方向向左，但長紙箱對書的滑動摩擦力方向還是向右的（因為書始終相對于長紙箱向左運動）。最后對于長紙箱，水平方向上受到兩個力，一是書對它的滑動摩擦力，方向始終向左；二是桌面對它的滑動摩擦力，方向始終向右。由此可見，三個物體所受摩擦力的情況各不相同。我們也可以利用前面得出的具體數(shù)據(jù)，在測量物體質量后，依據(jù)牛頓第二定律得出各個物體在某時刻的加速度，這便是一道生動的、以摩擦力為核心的疊塊模型問題。

5" 結語

除摩擦力外，學生高中物理的學習中還有很多重要的概念和規(guī)律也很復雜，學生往往會形成大量的迷思概念，并難以轉變。教師在教學中應該注意收集學生在學習過程中存在的問題，采取適當?shù)拇胧┙鉀Q問題，以輔助學生轉變迷思概念，打造高效的物理課堂。

參考文獻

［1］陳欣，皮飛鵬，梁文懿.用四階測試卷診斷高三學生摩擦力迷思概念［J］.物理教學，2022，44（3）：17-20.

［2］陳欣.用四階測試卷診斷高三學生的物理迷思概念——以摩擦力為例［D］.廣州：廣州大學，2020：48.

［3］王小蘭，陳瑞安，李春密.靜摩擦力的“迷思概念”糾正研究［J］.中學物理，2014，32（17）：32-34.

［4］吳廣國，鄒斌.測量靜摩擦力大小實驗中需要關注的三個問題——兼談2020年高考北京卷物理第11題的解析［J］.中學物理教學參考，2021，50（10）：49-51.