基于认知模型与素养导向的初中物理摩擦力深度教学设计-以安徽中考能力提优为视角

基于认知模型与素养导向的初中物理摩擦力深度教学设计——以安徽中考能力提优为视角一、教学内容分析

本课内容隶属于《义务教育物理课程标准（2022年版）》中“运动和相互作用”主题下的“机械运动与力”部分。课程标准要求学生通过实验，认识摩擦力，探究滑动摩擦力大小与哪些因素有关，并能在相关情境中识别和应用摩擦力。从知识技能图谱看，“摩擦力”是力与运动关系认知链条中的关键节点，它上承重力、弹力等力的基本概念，下启力的平衡、牛顿第一定律等动力学核心规律，是学生建构完整力学观念不可或缺的一环。其认知要求从“知道”摩擦力的存在，到“理解”其产生条件与方向，再到“应用”影响因素解决实际问题，层级递进清晰。课标蕴含的科学探究思想方法，在本课可具体转化为“提出问题猜想与假设设计实验进行实验分析论证”的完整探究活动，引导学生经历从生活经验提炼物理问题，并用控制变量法等科学方法进行实证的科学过程。在素养价值层面，本课是培育学生物理观念（如相互作用观）、科学思维（如模型建构、科学推理）、科学探究（如方案设计、数据处理）及科学态度与责任（如实事求是、合作交流）的绝佳载体。例如，对“静摩擦力方向”的辨析能深化对“相对运动趋势”这一模型的理解；对生活中增大与减小摩擦实例的讨论，能引导学生建立科学技术与社会发展的联系。

教学对象为九年级学生，正处于中考复习提优阶段。他们已具备力的基本概念、二力平衡及弹簧测力计使用等知识基础，对摩擦力有丰富的生活感性经验，如感觉到地面粗糙、推箱子费力等。然而，这些前概念往往存在碎片化甚至误区，典型障碍有三：一是难以从“相对运动”或“相对运动趋势”的视角抽象理解摩擦力的方向；二是易混淆静摩擦力与滑动摩擦力的产生条件和变化规律；三是在探究“滑动摩擦力大小与压力、接触面粗糙程度的关系”实验中，对“匀速直线运动”条件下读取示数的原理理解不透，易导致操作与结论偏差。为动态把握学情，教学中将嵌入“前测”问题（如：拔河比赛胜负取决于摩擦力吗？）和即时性提问。基于此，教学调适策略包括：对基础薄弱学生，提供更多直观演示（如用毛刷显示摩擦力的方向）和阶梯式问题引导；对能力较强学生，则设置挑战性任务，如分析变速拉动时测力计示数变化的深层原因，或探讨滚动摩擦的本质，以满足其深度探究的需求，实现差异化进阶。二、教学目标

知识目标：学生能够系统建构摩擦力的认知框架，准确阐述摩擦力的定义、产生条件（接触、挤压、有相对运动或趋势）和方向判断方法（与相对运动或趋势方向相反）；能清晰辨析滑动摩擦力与静摩擦力的异同；掌握滑动摩擦力大小与压力、接触面粗糙程度有关的定量规律，并能在具体情境中定性或定量应用。

能力目标：学生能够独立或协作完成探究“滑动摩擦力影响因素”的实验设计、操作与数据记录，熟练运用控制变量法和转化法（匀速拉动时拉力等于摩擦力）；能从实验数据或生活现象中归纳出一般性规律，并能运用规律解释相关现象或解决简单的实际问题，提升科学探究与论证能力。

情感态度与价值观目标：在小组合作探究中，学生能积极参与、认真倾听同伴意见，并勇于表达自己的观点；通过分析从古至今摩擦技术（如榫卯、轴承）的应用与革新，体会人类智慧的创造性及科学知识对技术进步、社会发展的重要性，初步形成将所学服务于社会的意识。

科学（学科）思维目标：重点发展学生的模型建构与科学推理思维。通过将复杂的摩擦情境抽象为“接触面模型”和“相对运动（趋势）模型”，学会用物理模型简化分析问题；通过“如果接触面绝对光滑，物体会怎样？”等系列问题链，进行基于理想模型的逻辑推演，深化对牛顿第一定律等核心观念的理解。

评价与元认知目标：引导学生依据实验操作评价量规，对自身或同伴的实验规范性进行评价与反思；在课堂小结环节，鼓励学生自主梳理知识脉络，反思“我是如何从现象一步步认识到摩擦力本质的？”，从而提升学习策略的自我监控与优化能力。三、教学重点与难点

教学重点：滑动摩擦力大小的影响因素及其探究过程。此为重点，是因为它直接对应课标中“探究”层级的要求，是中考考查科学探究能力的核心考点之一。它不仅是摩擦力定量分析的基础，其探究过程中蕴含的“控制变量法”和“转化法”是物理学的核心思想方法，对学生后续学习其他物理规律（如压强、欧姆定律）具有重要的方法论奠基作用。理解这一规律，才能从定性感知迈向定量应用，是构建完整物理观念的关键。

教学难点：静摩擦力的产生条件、方向判断及大小变化范围的理解。难点成因在于其高度的抽象性和动态性。学生需要突破“运动才受摩擦力”的前概念，建立起“相对运动趋势”这一不可见的模型，这对空间想象和逻辑推理要求较高。同时，静摩擦力大小在零到最大值之间变化，且“被动适应”外力，这一特点与学生习惯的“因果关系”思维模式不同，易造成困惑。突破的关键在于设计层层递进的体验活动和问题链，将抽象概念转化为可感知、可推理的具体情境。四、教学准备清单1.教师准备1.1媒体与教具：多媒体课件（含生活实例图片、动画、微视频）；木板、长毛刷、弹簧测力计、木块（侧面带钩）、砝码、毛巾、棉布、玻璃板（或光滑塑料板）、小车；拔河比赛教学用绳一根。1.2学习资料：分层学习任务单（含前测题、探究记录表格、分层巩固练习）；课堂总结反思卡。2.学生准备2.1知识预备：复习力的概念、二力平衡条件及弹簧测力计使用方法。2.2物品：自带钢笔、玻璃瓶（用于体验静摩擦力），以小组为单位就坐。3.环境布置3.1座位安排：实验小组（46人）围坐，便于合作探究。3.2板书记划：预留中央区域用于构建概念图，侧边用于记录学生观点与探究结论。五、教学过程第一、导入环节1.情境创设与问题激发：1.1演示设疑：“同学们，老师这里有一个普通的玻璃瓶。如果我请一位力气小的女同学和一位力气大的男同学先后尝试，仅仅用手掌‘握’住瓶子竖直向上提，谁能提起它？”（学生猜测）实际操作后，往往都能提起。“看来，胜负不在于绝对力量大小。那如果我让大家‘拔’这个瓶子呢？”（展示拔河绳，一端系瓶，请两位同学对拉）。1.2提出核心问题：“在刚才的‘拔河’中，决定胜负的关键力是什么？——摩擦力。它无处不在，既是我们行走、拿笔的‘帮手’，又是机器磨损、能耗的‘对手’。那么，这个熟悉的摩擦力，我们究竟了解它多少？它究竟是如何产生的？大小和方向由什么决定？今天，就让我们化身科学侦探，一层层揭开摩擦力的神秘面纱。”2.路径明晰：“我们的探究将沿着‘感知存在→辨析方向→定量测量→探寻规律→建构模型’的路线展开。首先，请大家回想，你还在哪些场景中感受到过摩擦力的‘存在’与‘作用’？”第二、新授环节任务一：摩擦力的初感知与方向探究1.教师活动：首先，引导学生列举生活中摩擦力的实例（行走、刹车、写字等），并归纳共性：都发生在两个相互接触的物体之间。接着，通过两个关键演示突破方向难点：1.将毛刷放在木板上，推动木板，引导学生观察刷毛弯曲的方向。“看，刷毛向我们运动的‘反方向’弯曲，这说明了什么？”2.将毛刷静止放在木板上，缓慢拉动木板但保持毛刷相对木板静止，再次观察刷毛弯曲。“这次刷毛也弯了，说明也有摩擦力，但此时毛刷和木板之间有相对运动吗？我们该怎么说？”引导学生得出“相对运动趋势”这一关键表述。总结口诀：“摩擦力是‘唱反调’的力，总是阻碍相对运动或相对运动趋势。”2.学生活动：积极举例并参与讨论。仔细观察演示实验，描述刷毛形态变化。尝试用自己的语言解释两种情况下摩擦力方向的异同。进行体验活动：用手掌在桌面滑动、按压并试图滑动但保持静止，感受摩擦力方向与手运动趋势的关系。3.即时评价标准：1.能否列举出至少两个包含不同类别摩擦力（静摩擦、滑动摩擦）的生活实例。2.能否准确描述演示实验中刷毛弯曲方向与木板运动（或运动趋势）方向的关系。3.在体验活动中，能否口头初步判断出摩擦力方向。4.形成知识、思维、方法清单：★1.摩擦力的定义与产生条件：两个相互接触的物体，当它们发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触面上产生的阻碍相对运动或相对运动趋势的力。产生条件：接触、挤压（有弹力）、有相对运动或趋势。（教学提示：强调‘相对’二字，这是判断的基石。）★2.摩擦力的方向判断：总是沿着接触面，与物体相对运动的方向或相对运动趋势的方向相反。（教学提示：结合毛刷实验，将抽象方向‘可视化’。）▲3.“相对运动趋势”的理解：假设接触面光滑，物体将要运动的方向即为相对运动趋势方向。这是判断静摩擦力方向的关键思维方法。（教学提示：此为难点，需通过“假设光滑法”反复演练。）任务二：测量滑动摩擦力的方法1.教师活动：提出问题：“摩擦力大小如何测量？它能直接像重力一样用测力计测吗？”引导学生思考摩擦力“藏”在接触面内部的特性。演示：用弹簧测力计水平拉木块在木板上做匀速直线运动。“为什么必须‘匀速直线’拉动时，测力计的示数才等于摩擦力大小？”引导学生运用二力平衡知识进行论证。明确“转化法”的思想：将不可直接测量的摩擦力大小，转化为可测量的拉力大小。强调操作要点：水平、匀速、视线平视读数。可以故意演示一次加速拉动，问学生：“现在的示数还能代表摩擦力吗？为什么？”2.学生活动：思考测量方法的原理。观看演示，理解“匀速直线运动”条件下拉力与摩擦力二力平衡的逻辑关系。回答教师的追问，巩固对测量原理的理解。部分学生可上台尝试规范操作。3.即时评价标准：1.能否口头解释“为什么匀速拉动时测力计示数等于摩擦力”。2.在观察或操作中，是否能指出“未匀速拉动”这一错误操作及其对结果的影响。4.形成知识、思维、方法清单：★4.滑动摩擦力的测量原理（转化法）：根据二力平衡条件，当物体在水平方向上做匀速直线运动时，拉力与滑动摩擦力大小相等。（教学提示：这是实验设计的核心原理，务必理解透彻。）★5.实验操作关键点：弹簧测力计水平调零、沿水平方向匀速拉动木块、在运动过程中读数。（教学提示：规范操作是获取可靠数据的前提。）任务三：探究滑动摩擦力大小的影响因素1.教师活动：这是本节课的核心探究环节。首先引导学生基于生活经验进行猜想：“你们认为滑动摩擦力大小可能跟什么有关？”（压力、接触面粗糙程度、接触面积、速度等）。接着，聚焦核心猜想，引导学生设计实验：“如何研究摩擦力与压力的关系？需要控制哪个量不变？”师生共同明确控制变量法的具体应用。分发器材和任务单，布置分层探究任务：A组（基础）：探究摩擦力与压力、接触面粗糙程度的关系；B组（拓展）：在完成A组任务基础上，尝试探究摩擦力是否与接触面积有关（使用木块不同侧面放置）。巡视指导，重点关注学生是否真正实现“匀速拉动”及数据记录规范性。2.学生活动：以小组为单位展开探究。讨论并形成实验方案。分工合作：操作员、读数员、记录员、汇报员。按照方案进行实验，记录多组数据。分析数据，归纳初步结论。B组学生完成额外探究任务。3.即时评价标准：1.实验设计是否体现了控制变量思想。2.小组操作是否规范，特别是匀速拉动的控制。3.数据记录是否真实、完整。4.小组内成员是否有效协作、各司其职。4.形成知识、思维、方法清单：★6.滑动摩擦力大小的影响因素（规律）：滑动摩擦力的大小与接触面所受的压力大小和接触面的粗糙程度有关。压力越大，接触面越粗糙，滑动摩擦力越大。（教学提示：此为定性规律，中考常考结合图像或数据的分析。）★7.控制变量法在本实验中的应用：探究与压力的关系时，控制接触面粗糙程度相同；探究与粗糙程度的关系时，控制压力相同。（教学提示：这是科学探究的通用方法，需深刻领会。）▲8.滑动摩擦力与接触面积、运动速度的关系（澄清误区）：在一般条件下，滑动摩擦力大小与接触面积大小、匀速运动时的速度大小无关。（教学提示：B组的拓展任务正好可以验证这一点，纠正常见错误前概念。）任务四：静摩擦力与滑动摩擦力的辨析及模型建构1.教师活动：回到导入的“拔河”情境和“握瓶”情境。“手握瓶子但未提起时，瓶子受到的是静摩擦力还是滑动摩擦力？它的大小和方向如何？”引导学生分析。通过“用逐渐增大的力水平推讲台但未推动”的实例，动态分析静摩擦力大小如何随外力变化（从零增大到最大值），并指出最大静摩擦力略大于滑动摩擦力。呈现典型情境（传送带送物、汽车启动时人随车一起运动），引导学生分析摩擦力的种类、方向和力的作用效果。2.学生活动：辨析具体情境中摩擦力的类型。参与讨论静摩擦力的变化过程。尝试运用“相对运动趋势”模型判断复杂情境中静摩擦力的方向。对比归纳静摩擦与滑动摩擦的异同。3.即时评价标准：1.能否在给定情境中正确区分静摩擦力和滑动摩擦力。2.能否描述静摩擦力大小随外力变化的动态过程。3.能否运用“假设光滑法”正确判断静摩擦力的方向。4.形成知识、思维、方法清单：★9.静摩擦力与滑动摩擦力的核心区别：关键在于接触物体间是否发生相对运动。有相对运动趋势而未动，为静摩擦；已发生相对运动，为滑动摩擦。（教学提示：这是分类依据，需结合具体实例强化。）★10.静摩擦力的大小和方向特点：方向与相对运动趋势方向相反；大小在0到最大静摩擦力之间变化，由外力决定，遵循二力平衡。（教学提示：其‘被动性’和‘可变性’是理解难点。）▲11.摩擦的利与弊及控制方法：增大有益摩擦的方法：增大压力、增大接触面粗糙程度；减小有害摩擦的方法：减小压力、减小接触面粗糙程度、变滑动为滚动、使接触面分离（加润滑油、气垫）。（教学提示：联系生活与科技，体现物理知识的应用价值。）第三、当堂巩固训练

设计分层变式训练体系，学生根据自身情况至少完成基础层和综合层。基础层（知识直接应用）：1.判断：滑动摩擦力总是阻碍物体的运动。（）2.如图，物体A随传送带一起匀速向右运动，画出A所受摩擦力的示意图。（“同学们，基础题是概念的试金石，务必清晰判断。”）综合层（情境分析与应用）：3.（结合安徽中考真题变式）在探究影响滑动摩擦力大小因素的实验中，某小组改进了装置如图（拉动木板，木块相对地面静止）。请分析此方案的优点。（答案要点：无需匀速拉动木板，弹簧测力计示数稳定，便于读数。）4.分析骑自行车时，哪些部位存在摩擦？哪些是有益的？如何增大？哪些是有害的？如何减小？（“这道题把物理带回了生活，看看谁能想得最全面。”）挑战层（思维拓展）：5.请设计一个简易实验，粗略比较同一木块在木板、毛巾、玻璃表面滑动时，摩擦力的大小。写出你的方案和判断依据。6.思考：如果没有摩擦力，我们的世界会发生哪些翻天覆地的变化？写一段100字左右的科幻式描述。（“挑战题是为思维插上翅膀的同学准备的，期待你们的创意。”）

反馈机制：基础题采用集体问答、快速手势判断。综合题通过小组讨论后，请不同小组代表展示，教师点评并聚焦“相对静止时测摩擦力”的实验设计优化思想。挑战题成果可作为课后展示，鼓励创新思维。第四、课堂小结

知识整合：“同学们，经过一番探索，现在请大家合上课本，在任务单的反思卡上，用关键词或简易图示，画出本节课关于摩擦力的‘知识地图’。”请12名学生分享他们的梳理成果，教师在此基础上进行结构化板书总结，形成以“定义产生条件方向大小（影响因素、测量）分类（静/动）应用”为主干的概念图。方法提炼：“回顾今天的旅程，我们用了哪些‘法宝’来研究摩擦力？”（引导学生说出：转化法、控制变量法、模型建构法、科学推理等。）作业布置与延伸：公布分层作业（详见第六部分）。并留下思考题：“汽车在冰面上容易打滑，为什么装上防滑链就能改善？这利用了今天我们学的哪条原理？你能从增大和减小摩擦两个角度，为未来的智能交通工具设计一个关于摩擦力的创新点子吗？我们下节课前交流。”六、作业设计1.基础性作业（必做）：1.完成同步练习册中关于摩擦力基础概念、方向判断及影响因素的基本习题。2.整理课堂笔记，完善“摩擦力”概念图。3.观察家中或上学路上三个增大或减小摩擦的实例，并简要说明其原理。2.拓展性作业（选做，建议大部分学生尝试）：4.情境应用题：阅读一篇关于“磁悬浮列车如何减小摩擦”的科普短文，结合所学写一篇200字左右的读后感，说明其中涉及的物理原理。5.微型项目：利用家中材料（如橡皮筋、纸盒、不同材质的布料），制作一个能直观比较不同表面粗糙程度对滑动摩擦力影响的小教具，并录制1分钟解说视频。3.探究性/创造性作业（学有余力学生选做）：6.深度探究：设计实验方案，探究“滑动摩擦力大小是否真的与接触面积无关”？注意控制变量，写出详细的实验步骤、数据记录表格和可能的结论分析。7.创意设计：以“如果没有摩擦力”为题，创作一幅科幻漫画或编写一个短篇科幻故事的开头，体现物理规律改变后对人类社会的影响。七、本节知识清单及拓展★1.摩擦力的定义：两个相互接触的物体，当它们发生相对运动或具有相对运动趋势时，在接触面上产生的阻碍相对运动或相对运动趋势的力。（核心，判断一切问题的起点。）★2.产生三条件：接触、挤压（有弹力）、有相对运动或相对运动趋势。三者缺一不可。（常以选择题形式考查条件判断。）★3.方向判断口诀：与相对运动方向或相对运动趋势方向相反。切记是“相对”于接触的物体。（难点，需大量情境练习。）★4.静摩擦力：发生在有相对运动趋势但未发生相对运动的物体间。方向与趋势相反。大小在0与最大静摩擦力之间，由外力决定（二力平衡）。（动态变化是理解关键。）★5.滑动摩擦力：发生在已发生相对运动的物体间。方向与相对运动方向相反。大小可由公式f=μN定量计算（初中定性掌握）。（区别于静摩擦的标志。）★6.滑动摩擦力大小影响因素（定性）：压力、接触面粗糙程度。压力越大、接触面越粗糙，滑动摩擦力越大。（探究实验的核心结论，中考高频考点。）★7.测量原理（转化法）：用弹簧测力计水平匀速直线拉动木块，根据二力平衡，拉力大小等于滑动摩擦力大小。（实验设计的原理基石。）★8.控制变量法应用：探究多个因素影响时，控制其他因素不变，只改变其中一个因素。（核心科学方法，贯穿始终。）▲9.最大静摩擦力：静摩擦力所能达到的最大值。通常略大于滑动摩擦力。（拓展，解释为何物体从静止到滑动需要‘突破’一个力。）▲10.滚动摩擦：一个物体在另一个物体表面滚动时产生的摩擦。通常远小于滑动摩擦。（拓展，解释轮子省力的原因。）▲11.增大有益摩擦的方法：增大压力（如刹车时用力捏闸）、增大接触面粗糙程度（如轮胎花纹、防滑链）。（紧密联系生活应用。）▲12.减小有害摩擦的方法：减小压力、减小接触面粗糙程度、变滑动为滚动（使用轴承）、使接触面分离（加润滑油、气垫、磁悬浮）。（体现科学技术对社会进步的推动。）八、教学反思

本教学设计以“认知模型”为骨架，以“素养发展”为灵魂，以“差异化支持”为血脉，力求呈现一节有深度、有广度、有温度的物理课。从假设的实施效果看，导入环节的“握瓶拔河”成功创设了认知冲突，迅速点燃了学生的探究热情。“为什么都能提起？”这个问题直指摩擦力的普遍存在与平衡关系，为后续学习铺垫了良好的心理和认知基础。

在新授环节，五个任务的螺旋递进设计基本达成了预设目标。（一）任务一（方向探究）中，毛刷演示实验将抽象的摩擦力方向可视化，效果显著，学生能脱口而出“唱反调”。然而，在判断一些复杂静摩擦力方向时（如斜面上的物体），部分学生仍显迟疑，反映出“相对运动趋势”模型的建构尚未完全内化。（“下次是否可以考虑增加一个学生分组小实验，用传感器实时显示静摩擦力方向的变化？”）（二）任务三（探究实验）是重中之重。小组合作探究中，大部分学生能理解控制变量思想，但在操作上，“匀速直线运动”的控制成为普遍难题，导致数据波动较大。巡视中，我重点指导了“如何感受匀速”的技巧（观察测力计指针或尝试用较慢且均匀的速度拉动），并对个别小组提供了更为结构化的数据记录提示。B组（拓展组）对接触面积的探究结果，有效地在全班范围内澄清了一个常见误区，这个过程比教师直接讲述更有说服力。

对不同层次学生的剖析：对于基础薄弱的学生，学习任务单中的引导性问题、教师的个别巡视指导以及基础层巩固练习，提供了必要的“脚手架”，他们主要专注于掌握核心概念和基本规律。对于能力较强的学