改进《摩擦力》实验

〔摘""要〕"科学探究是科学课程的重要特点，科学实验是培养学生科学探究能力的最佳载体。针对课本中的《摩擦力》实验，本文创新改进了实验教具，通过可调匀速电机和液晶显示屏直观可视化，能够帮助学生更好地理解摩擦力，有助于学生逻辑思维的提升及科学思维能力的培养。〔关键词〕"小学科学；摩擦力；科学思维2022年公布的《义务教育科学课程标准》为小学科学教育领域引入了新的活力元素，并对教学质量设立了更高的标准。新课程标准着重于科学素养培育，提倡采纳探究式学习方法，旨在将学生由知识的被动接收者转型为积极的知识探索主体。在此情境下，小学科学教育领域迫切需要超越传统教学框架的束缚，将探究式学习定位为核心实践策略，旨在激活学生的求知欲与探索意愿，进一步培养其科学逻辑思维及创新能力。科学探究是科学课程的重要特点，科学实验是培养学生科学探究能力发展的重要途径。在实验过程中，学生不仅要动手操作，同时也要思考操作的原因和方法，这要求学生对实验内容进行质疑、分析和逻辑推理。同时，对实验结果进行深入分析和评估，也是对学生推理、验证和创新能力的一种锻炼，有助于学生提出新的观点和见解。因此，科学实验不仅是一个实践过程，更是一个促进学生科学思维形成和提升的重要学习过程。本文以苏教版科学四年级上册第三单元中的《摩擦力》一课为例，探讨实验课程对科学思维的培养，并针对教材中实验的不足，创新改进了实验教具，在帮助学生更好地理解摩擦力的同时，有助于学生逻辑思维的提升及科学思维能力的培养。一、教材提供实验存在的问题教材上提供的探究影响摩擦力的大小实验，着重探究的是接触面粗糙程度对摩擦力大小的影响，并且该探究实验中，测量摩擦力是直接用手拖着弹簧测力计在不同平面上做匀速直线运动。在实际教学过程中，该内容安排存在以下问题。课本对摩擦力的探究仅仅局限于重量的大小和粗糙程度的研究，在实际调查过程中发现，学生基于生活经验对这两个因素已经有了较为清晰的认知。相反，在前概念中学生普遍认为速度是影响摩擦力的主要因素之一，在实验过程中缺少对物体运动速度的直观展示，不便于实验的探究。对课本提供的测量摩擦力的方法存在争议。在物体运动过程中，学生用手直接拉弹簧测力计让物体滑动，很难让物体保持匀速直线运动，从而导致测量到的摩擦力存在误差。由于实验中弹簧测力计悬空，受重力影响，弹簧测力计指针会与外壳产生摩擦，从而导致学生在观察示数时，读取的实验数据存在偏差。二、实验改进思路为了让学生更好地理解摩擦力，使实验满足教育性、科学性、启发性、趣味性、实用性、直观性、安全性等要素要求，针对上述问题，本文结合现代电子技术，对实验装置进行改进，具体思路如下。针对实验过程中缺少对物体速度的直观展示，本实验利用液晶显示屏，将物体的运动速度显示出来；同时通过可调匀速电机减少手动拉动物体运动带来的误差，让物体保持匀速运动，减少实验误差；将弹簧测力计放置在运动的物体上，可以减少重力对弹簧测力计的影响，从而提高测量的准确性，帮助学生更好地探究摩擦力。改进后的实验装置简化了实验操作、放大了实验现象，大大提高了实验数据精度。三、实验器材本次实验装置需要用到的实验器材有：匀速电机1个、调速器1个、弹簧测力计1个、木盒1个、液晶显示器1个，棉线、木板、皮面、砝码若干，其主要步骤如下。将弹簧测力计安装在空心木盒的上面，木盒中空，通过在其内部放置砝码改变其重量，从而实现在体积不变的条件下，改变物体的重力，可以让学生更好地思考和探究物体重力和摩擦力的关系；通过棉线将弹簧测力计的挂钩和匀速电机相连，保证物体匀速运动，减少实验误差；调速器可以调节匀速电机的速度，使其可以用不同的速度拉动弹簧测力计；同时，液晶显示屏会实时显示当前电机的转速和木盒运动的速度，可以更直观地看到速度变化和摩擦力的关系。将皮面固定在木板上，通过翻转木板即可检测不同接触面对摩擦力的影响。四、改进《摩擦力》实验（一）教具改进说明将教材原本的探究实验装置“用手拉动弹簧测力计匀速直线运动”改为“用匀速电机转动，缩短绳子，拉动弹簧测力计与木块一起前进”。用电机驱动，既保证物体匀速前进，又确保物体做直线运动。同时实验还增加了调速器，可改变电动机转动的速度，即可改变物体匀速运动速度的大小，方便学生探究匀速运动速度是否影响摩擦力的大小。利用数字化实验设备，开阔学生视野，激发学生对知识的探索。通过液晶显示屏直观显示速度值，使匀速的速度变量也实现可控。对于速度的快慢，学生不易区分。通过液晶显示屏显出具体数值，让原来“看不见”的速度快慢变成“看得清”的具体数据。以科学的方法将速度的快慢量化呈现，不仅增强了学生对概念的理解深度，同时，建立起的科学概念更具有说服力。原装置中弹簧测力计在水平拉动物体时，处于悬空状态，在两端拉力作用下，为保持整个弹簧测力计水平，弹簧测力计的弹簧、指针会与测力计的外壳摩擦，同时测力计的自重也会对实验产生影响。本文设计的创新实验装置将弹簧测力计固定在木盒上，让弹簧测力计处于水平状态，有效克服弹簧测力计因摩擦和自重对实验的影响，使弹簧测力计的示数更稳定，读数更准确。改进后的实验装置如图所示。根据物体匀速运动时拉力与摩擦力二力平衡的原理，将弹簧测力计固定于木盒上，挂钩上系一根弹性不大的细线，细线的另一端系在电动机转轴上；接通电源，电动机匀速转动，缩短绳子的长度，即可拉动弹簧测力计和物体一起匀速前进，并且保持弹簧测力计稳定，减小误差，直接读出摩擦力的大小。在进行设计时，将木盒设计为中空模式，因此通过在木盒内增加钩码，可以实现对改变物体重量的研究；通过翻转木盒实现对改变接触面面积的研究；通过调速器调节电动机转速，可以实现对改变匀速运动速度大小的研究；通过更换木板或皮面等物品，可以实现对改变物体接触面粗糙程度的研究。（二）实验数据为了验证设计实验教具的可行性，对改进后的教具设计实验进行探究。首先探究摩擦力大小与接触面光滑程度的关系，学生利用创新实验教具，在其他条件保持不变的情况下，仅仅改变接触面的光滑程度，测量摩擦力大小。为了保证实验的准确性，减少误差，测量三次取平均值，实验记录表如表1所示。从表1中可以看出，在其他条件相同的情况下，摩擦力大小与接触面的光滑程度有关，接触面越光滑，摩擦力越小。为探究摩擦力大小与匀速速度的关系，学生利用创新实验教具，在其他条件保持不变的情况下，仅仅改变匀速的速度，测量摩擦力大小。为了保证实验的准确性，减少误差，测量三次取平均值，实验记录表如表2所示。从表2中可以看出，在其他条件相同的情况下，摩擦力大小与匀速的速度无关。为探究摩擦力大小与物体重量的关系，学生利用创新实验教具，在其他条件保持不变的情况下，仅仅改变物体的重量，测量摩擦力大小。为了保证实验的准确性，减少误差，测量三次取平均值，实验记录表如表3所示。从表3中可以看出，在其他条件相同的情况下，摩擦力大小与物体的重量有关，物体越重，摩擦力越大。综上所述，本文设计的创新实验教具，解决了教材实验中存在的物体运动速度缺少直观展示、物体难以保持匀速直线运动、弹簧测力计指针会与外壳产生摩擦等问题，减少实验误差，提高实验效果，帮助学生更好地理解摩擦力。五、实验优点（一）可以探究拉力大小与速度的关系通过实验装置还可以探究拉力大小与速度的关系，将原本通过匀速电机带动木盒运动改为木盒通过重力带动电机转动，根据电机转速的不同可以在液晶显示屏上显示出不同的速度。（二）结合现代电子技术具有创新性和趣味性本实验装置结合现代电子技术，将原本手动化的实验器材改进为自动控制，并进行了可视化显示，在有效降低实验复杂度的同时大大提高了实验的趣味性。让学生在完成实验的同时拓宽了眼界，为后续课程的学习打下坚实的基础。本文设计的新实验装置有效解决了课本中实验操作困难、数据误差大、操作时间长等问题。以小学生的认知发展规律为基础，本文设计并引入了创新的实验教具，通过直观且可视化的方式，将抽象的科学现象与具体的概念紧密相连，从而促进小学生对科学概念的构建。对于小学生而言，这种学习方式不仅能够增强他们对科学知识的理解和记忆，更能在潜移默化中提升他们的逻辑思维能力，为科学核心素养及综合能力的全面发展奠定坚实的基础。教材