探秘摩擦力：小学四年级科学（苏教版上册）探究教案

探秘摩擦力：小学四年级科学（苏教版上册）探究教案

一、指导思想与理论依据

本教学设计以《义务教育小学科学课程标准（2022年版）》为根本遵循，深度融合建构主义学习理论、探究式学习（Inquiry-BasedLearning）以及工程与技术教育（ETE）理念。核心指导思想是：将学生置于科学探究的中心，通过“做中学”与“思中悟”，引导其亲历从问题提出、方案设计、实验探究到结论建构、迁移应用的全过程。

理论层面，借鉴了5E教学模型（参与、探究、解释、精致、评价）和学习进阶理论，将“摩擦力”这一核心概念分解为符合四年级学生认知发展水平的阶梯式学习任务。同时，贯彻STEM教育的跨学科整合理念，将科学探究（S）、技术工具使用（T）、简单的工程设计与优化（E）和数学测量与数据分析（M）有机融合，旨在培养学生的科学思维、实践能力和解决真实世界问题的综合素养。教学设计强调情境的真实性、任务的挑战性以及思维的可视化，致力于在形成科学概念的同时，塑造学生严谨求实的科学态度与社会责任意识。

二、教材与学情分析

（一）教材分析

本课选自苏教版小学《科学》四年级上册第三单元“常见的力”中的第10课。在本单元知识结构中，学生已初步认识了重力、弹力等力的基本概念，知道力可以改变物体的运动状态。本课“摩擦力”是学生对“力”的概念体系的又一次重要扩展和深化。教材通常通过“手搓桌面”、“拉动装有重物的木块”等常见现象引入，引导学生感知摩擦力的存在，并初步探究影响摩擦力大小的因素（如接触面粗糙程度、物体重量）。

然而，传统教材处理往往偏重结论验证。本设计将对教材进行深度开发与重构，将单一的认知目标转化为包含科学观念、科学思维、探究实践、态度责任在内的多维目标体系。重点强化对比实验的变量控制这一科学方法的核心训练，并将知识应用场景从课本延伸至生活与工程技术领域。

（二）学情分析

四年级学生处于具体运算阶段向形式运算阶段过渡的时期，其认知特点表现为：

1.已有经验：在日常生活中，学生具有丰富的与摩擦力相关的直接经验，如滑冰比走路滑、新鞋底防滑、推重箱子费力等。但这些经验是零散的、感性的，甚至存在误区（如常认为“光滑的表面就没有摩擦力”）。

2.思维特点：具备一定的观察、比较和归纳能力，能够进行简单的逻辑推理，但抽象思维和系统分析能力尚在发展初期。对“控制变量”这一复杂科学方法的理解与应用存在较大困难。

3.技能基础：经过前三年的科学学习，已初步掌握使用弹簧测力计测量力的大小、进行简单实验记录等基本技能，但实验设计的规范性、数据记录的严谨性和合作探究的深度有待提升。

4.兴趣与动机：对动手操作和探索生活现象有浓厚兴趣，乐于接受富有挑战性和趣味性的任务，但维持长时间探究的专注力需要清晰的任务驱动和及时的反馈激励。

基于以上分析，本教学设计的难点在于如何将学生模糊的生活经验转化为清晰的科学概念，并引导其跨越“控制变量”这一科学探究的关键障碍。突破口在于创设真实且富有认知冲突的问题情境，提供结构化、支架化的探究工具，并设计层层递进、思维外显的学习活动。

三、教学目标

（一）科学观念

1.通过亲身体验和实验观察，认识摩擦力的存在，理解摩擦力是阻碍物体相对运动或相对运动趋势的力。

2.通过控制变量的对比实验，建构“接触面粗糙程度”和“物体重量（压力）”是影响滑动摩擦力大小的两个主要因素的认知。

3.能基于科学概念，辩证地分析生活中增大和减小摩擦力的实例，理解摩擦力对人类生产和生活的双重影响。

（二）科学思维

1.发展对比与归纳思维：能从复杂现象中提取关键特征，比较不同条件下摩擦力的差异，并归纳出初步规律。

2.强化变量控制思维：在教师引导下，能初步设计简单的对比实验，明确“改变的条件”和“不变的条件”，理解公平实验的重要性。

3.培养推理论证思维：能够根据实验收集的证据，进行简单的分析与解释，用“因为……所以……”的句式表达自己的结论，并尝试对未知情境进行合理推测。

（三）探究实践

1.能利用弹簧测力计、不同粗糙程度的平面、钩码等材料，较为规范地完成测量滑动摩擦力的实验操作。

2.能够以小组合作形式，制定简单的探究计划，记录实验数据，并利用表格、简单图表等形式整理信息。

3.尝试运用本课所学知识，设计并制作一个解决简单问题的模型（如防滑鞋底、减小摩擦的运输装置），经历简单的“定义问题-设计方案-制作测试-改进优化”的微型工程流程。

（四）态度责任

1.在合作探究中，养成认真细致、尊重证据、愿意倾听同伴意见的科学态度。

2.认识到科学知识来源于对日常生活的深入探究，激发对周围世界的好奇心和持续探究的热情。

3.初步形成利用科学知识改善生活、保护自身安全（如防滑）的意识，体会科学与技术的紧密联系。

四、教学重点与难点

1.教学重点：

1.2.认识摩擦力的存在及其作用效果。

2.3.通过实验探究，理解接触面粗糙程度和物体重量（压力）对滑动摩擦力大小的影响。

4.教学难点：

1.5.理解“相对运动”与“摩擦力方向”的抽象概念。

2.6.掌握“控制变量法”进行对比实验的设计与操作。

3.7.对实验数据进行有效分析并得出科学结论。

五、教学资源与课时安排

（一）教学资源

1.教师材料：多媒体课件（含图片、慢动作视频、动画）、实物投影仪、教学示范用弹簧测力计（5N）、长木板（光滑面与粗糙面各一）、带钩的大木块、钩码一盒、毛巾、砂纸、润滑油、教学记录单（大号）。

2.分组材料（4-6人一组）：

1.3.探究包A（感知与定义）：塑料小赛车、不同材质的小块（棉布、砂纸、塑料板、毛毡）、斜面木板。

2.4.探究包B（定量测量）：弹簧测力计（2.5N，每小组2个）、中号木块（一面光滑，另一面可粘贴砂纸或毛巾）、长木板（光滑与铺毛巾两种状态）、钩码（50g，4个）、数字化力传感器（可选，用于数据可视化对比）。

3.5.探究包C（应用与设计）：乐高或积木套件（用于搭建运输装置）、不同摩擦系数的材料条（橡胶、光滑塑料、砂纸贴片）、设计记录单、测试赛道（一端高一端低的斜坡）。

6.环境准备：实验室或具备实验条件的教室，小组合作式座位布局。

（二）课时安排

本教学设计为两课时连排（共80分钟），采用“感知-探究-解释-应用”的连贯流程，确保探究活动的深度和完整性。

1.第一课时（40分钟）：聚焦于摩擦力的感知、概念初步建构及“接触面粗糙程度”对摩擦力影响的探究。

2.第二课时（40分钟）：深入探究“物体重量（压力）”对摩擦力的影响，并进行知识的综合应用与工程挑战。

六、教学过程设计与实施

第一课时：初识摩擦力——从“滑”与“不滑”说起

环节一：创设情境，激趣生疑（预计时间：8分钟）

活动1：游戏体验——“谁的赛车跑得慢”

1.教师呈现一条铺设有不同材质赛道（光滑塑料、棉布、砂纸、毛毡）的斜坡。

2.挑战任务：各小组使用相同的小赛车，从斜坡同一高度释放，目标是让赛车在水平赛道上“跑得最慢”。

3.学生分组尝试，选择赛道、释放赛车，观察并记录现象。

4.教师引导交流：

1.5.“为什么赛车在不同材料上跑的速度不一样？”

2.6.“是什么力让赛车慢慢停下来的？这个力从哪里来的？”

3.7.“为了让赛车更慢，你们选择了什么材料？这说明了什么？”

设计意图：通过富有竞争性和反直觉的“跑得慢”比赛，迅速激发学生兴趣，制造认知冲突。学生直观感受到不同表面对物体运动的阻碍作用不同，为引出“摩擦力”和“粗糙程度”埋下伏笔。问题链引导学生从现象聚焦到“力”的本质思考。

环节二：聚焦现象，建构概念（预计时间：12分钟）

活动2：身体感知与概念提炼

1.体验一：请学生将手掌平放在桌面上，先轻轻向前推，再用力向前推。提问：“手在运动时，你感觉到什么？这个力的方向是怎样的？”（引导学生说出“阻碍”、“向后退”的感觉）。

2.体验二：尝试推动教室中一个较重的柜子（或箱子）。提问：“为什么推不动或推起来很费力？当我们施加的力从零逐渐增大时，箱子从静止到运动，这个过程中阻碍它的力有什么变化？”

3.视频辅助：播放慢动作视频，展示足球在草地上滚动最终停下、冰壶在冰面上滑行等场景。引导学生观察物体与接触面之间的相互作用。

4.概念建构：

1.5.教师引导学生用自己的语言描述这种“阻碍物体运动”的力。

2.6.教师给出科学定义：一个物体在另一个物体表面运动时，在两个物体的接触面会产生一种阻碍运动的力，这种力叫做摩擦力。摩擦力总是与物体相对运动的方向相反。

3.7.利用板画或动画，直观展示“运动方向”与“摩擦力方向”的关系。强调“相对”的含义——是相对于接触面而言。

4.8.明确本课主要研究滑动摩擦力（物体滑动时产生的摩擦力）。

设计意图：从身体直接体验到观察间接现象，层层递进，帮助学生将模糊的感觉清晰化、科学化。通过定义和图示，初步建立“摩擦力”的科学概念，并突破“方向”这一抽象点。为后续定量测量奠定观念基础。

环节三：探究实践一——摩擦力与接触面（预计时间：18分钟）

活动3：设计实验，探究粗糙程度的影响

1.提出问题：从游戏和体验中，我们猜想摩擦力大小可能与接触面的粗糙程度有关。如何用实验证明？

2.引导设计：

1.3.教师出示木块、弹簧测力计、光滑木板、铺有毛巾的木板。

2.4.提问核心：“怎样测量摩擦力的大小？”（引导学生回忆弹簧测力计使用，明确：用测力计水平匀速拉动木块，此时拉力大小等于摩擦力大小）。

3.5.挑战：“如何公平地比较不同接触面的摩擦力？”引出“控制变量”思想。

4.6.小组讨论，在教师引导下共同确定实验方案：

1.5.7.改变的条件（自变量）：接触面的粗糙程度（光滑木板vs.毛巾面）。

2.6.8.不变的条件（控制变量）：同一个木块（重量不变）、匀速拉动、拉动方向、接触面积大小（用木块同一面接触）。

3.7.9.观测的条件（因变量）：弹簧测力计的读数（摩擦力大小）。

10.实验操作与数据记录：

1.11.小组领取探究包B，阅读实验记录单（一）。

2.12.学生分组实验，每种接触面测量3次，取稳定读数记录在表格中。

3.13.教师巡视指导，重点关注：测力计是否水平、是否匀速拉动、读数时机、记录规范性。

实验记录单（一）

实验条件

第一次测量（N）

第二次测量（N）

第三次测量（N）

摩擦力大小（大致范围）

我们的发现

木块在光滑木板上

木块在毛巾上

1.分析交流：

1.2.各小组汇报数据。

2.3.教师利用实物投影或汇总表，呈现全班数据。

3.4.引导分析：“比较两组数据，你能发现什么规律？”（接触面越粗糙，摩擦力越大）。

4.5.追问：“为什么数据会有微小波动？这会影响我们的结论吗？”（渗透误差概念，强调科学结论基于大量证据）。

设计意图：这是本节课的核心探究环节。重点不在于快速得到结论，而在于完整经历“提出假设-设计实验-操作观察-分析数据-得出结论”的科学过程。特别是对“控制变量法”的引导和落实，是培养科学思维的关键。数据记录与分析初步培养了学生的实证意识。

环节四：课堂小结与延伸思考（预计时间：2分钟）

1.师生共同回顾：我们认识了摩擦力，并通过公平实验发现，接触面越粗糙，滑动摩擦力越大。

2.留下思考题：

1.3.除了粗糙程度，你猜想摩擦力还可能和什么有关？（指向下节课的“重量/压力”）

2.4.观察你的鞋底，为什么要有花纹？它应用了我们今天学的什么知识？

第二课时：再探摩擦力与应用挑战

环节一：回顾旧知，引出新问（预计时间：5分钟）

1.快速回顾上节课的主要发现：摩擦力定义、方向、与接触面粗糙程度的关系。

2.展示图片：一个大人和一个小孩在相同地面上推同一个箱子；在相同冰面上，载重卡车和家用轿车刹车。

3.提问新问题：“根据生活经验，你觉得摩擦力大小还可能和什么因素有关？如何设计实验验证你的猜想？”

环节二：探究实践二——摩擦力与压力（预计时间：20分钟）

活动4：自主设计，探究压力（物体重量）的影响

1.猜想与假设：学生基于生活经验，普遍猜想“物体越重，摩擦力越大”。教师需引导其用更科学的语言表述：“摩擦力大小可能与物体对接触面的压力有关。”在水平面上，压力大小通常等于物体重力。

2.实验设计挑战：

1.3.教师提供材料：木块、钩码、弹簧测力计、长木板（固定粗糙面，如毛巾面）。

2.4.任务：请各小组参考上节课的实验设计思路，讨论并画出本实验的简单设计方案图（草图），明确“改变什么？”、“保持什么不变？”、“观察什么？”。

3.5.小组讨论并绘制设计图。教师巡视，提供针对性指导。

4.6.请1-2个小组分享设计方案，全班评议、优化。最终确定方案：

1.5.7.改变的条件：木块对木板的压力（通过在原木块上逐个添加相同钩码实现）。

2.6.8.不变的条件：接触面粗糙程度（始终使用毛巾面）、匀速拉动、拉动方向、木块底面积（始终用同一面）。

3.7.9.观测的条件：弹簧测力计的读数。

10.实验验证与记录：

1.11.小组领取补充材料，按照优化后的方案进行实验。

2.12.分别测量木块本身、增加1个钩码、2个钩码、3个钩码时的摩擦力大小，每个条件测量2次。

3.13.记录在实验记录单（二）中，并尝试用“柱状图”草图的形式直观表示数据变化。

实验记录单（二）

压力情况

第一次测量（N）

第二次测量（N）

平均摩擦力（N）

柱状图（草图）

木块（不加钩码）

木块+1个钩码

木块+2个钩码

木块+3个钩码

我们的结论：_______________________________________________

1.结论形成与科学表达：

1.2.分析数据，引导学生得出结论：在接触面粗糙程度相同时，压力越大，滑动摩擦力越大。

2.3.教师总结两个核心因素：摩擦力大小与接触面的粗糙程度有关，与物体对接触面的压力有关。粗糙程度越大，摩擦力越大；压力越大，摩擦力越大。

设计意图：本环节提升了探究的自主性。从完全引导到半开放设计，让学生尝试迁移上节课习得的“控制变量”研究方法。绘制设计草图促进了思维可视化。引入简单的数据图表化处理，为后续科学学习奠定基础。此环节是学生科学探究能力“爬坡”的关键步骤。

环节三：整合应用，工程挑战（预计时间：12分钟）

活动5：微型工程设计——“货物安全运输系统”

1.情境与任务发布：

1.2.情境：物流公司需要将一批易碎货物（用积木块模拟）从仓库的斜坡（测试赛道）上安全、平稳地运送到下方的卡车上。斜坡太滑，货物下滑速度太快容易损坏；斜坡太涩，又需要耗费太多能量。

2.3.挑战任务：各小组作为工程团队，利用提供的材料（乐高/积木底座、不同摩擦条），设计并制作一个货物运输装置（即“运货小车”的底座），使其能以适中、可控的速度滑下斜坡，保证货物安全。目标速度由教师示范或设定一个时间范围。

4.设计制作与测试：

1.5.小组讨论设计方案：准备如何选择和应用不同摩擦力的材料？是全部包裹还是局部使用？如何安装？

2.6.领取材料，动手制作运输装置。

3.7.在测试赛道上进行多次下滑测试，观察速度，记录效果。

8.评估与优化：

1.9.如果速度太快，如何改进？（增加摩擦力：换用更粗糙的材料条，或增大接触面积）。

2.10.如果速度太慢或卡住，如何改进？（减小摩擦力：换用更光滑的材料条，或减少接触面积）。

3.11.小组进行迭代优化，直至达到较佳效果。

设计意图：这是一个基于真实问题的、高度整合的STEM活动。学生需要综合运用本课所学的关于摩擦力影响因素的知识，进行权衡、决策、设计和测试。它超越了简单的知识复述，进入了“应用概念解决问题”的更高认知层次。工程设计的“定义-设计-测试-优化”流程，让学生初步体验了技术产品的诞生过程，深刻理解科学知识与工程技术的关联。

环节四：总结拓展，辩证认知（预计时间：3分钟）

1.知识梳理：师生共同总结影响滑动摩擦力的两个主要因素，并回顾探究过程。

2.辩证讨论：

1.3.“摩擦力总是有害的吗？”引导学生举例说明需要增大摩擦力（如鞋底、轮胎、刹车片、手拿东西）和需要减小摩擦力（如机械零件间加润滑油、气垫船、冰壶运动）的场景。

2.4.播放一段关于“太空微重力环境下，宇航员操作工具如何应对摩擦力变化”的短片或图片，将视野引向更广阔的科技前沿。

5.课后实践：寻找家中或社区里三个增大摩擦力和三个减小摩擦力的应用实例，并用今天所学的知识进行解释，准备下节课分享。

七、板书设计

采用思维导图式与要点陈列式相结合的板书，随教学进程动态生成。

板书布局：

探秘摩擦力

┌─────────────────┐

│阻碍相对运动的力│

│方向：与运动方向相反│

└─────────────────┘

↓

┌─────────────────┐

│我们的探究发现│

├─────────────────┤

│→接触面粗糙程度←│

│越粗糙，摩擦力越大│

││

│→物体对接触面压力←│