【获奖初中物理论文】基于教材对比分析的物理实验中控制变量法教学策略优化——以“探究滑动摩擦力大小影响因素”实验教学为例

摘要:以控制变量法为讨论主题，在比较分析不同版本初中物理教材中探究摩擦力大小影响因素的实验方案的基础上，重点闹释控制变量法的适用条件、执行步骤和结论呈现要求。提出融合科学理解并严谨运用控制变量法、显性界定模型边界和预留认知接口，渗透科学本质观的跨学段教学建议，为化解该教学内容的认知冲突、排除后续学习障碍提供有效策略。

关键词:滑动摩擦力；控制变量法；认知冲突；模型边界；跨学段衔接

控制变量法作为科学探究的一种核心方法，在实验教学中发挥着关键作用，有助于培养学生严谨的科学思维和探究能力。在初中物理学生必做实验中，“探究滑动摩擦力大小影响因素"实验是一个能够全面落实控制变量法教学的典型实验。在《义务教育物理课程标准(2022年版)》的“学业质量”要求部分，明确提出“能针对提出的问题，运用控制变量法等制订比较合理的科学探究方案”-。然而，在实际教学中，不少学生在探究滑动摩擦力实验的学习过程中出现了认知混乱和理解障碍。这种现象在一定程度上源于部分教材中的实验方案存在变量控制不严格和结论表述不严谨。

一、现行各版本初中物理教材实验中控制变量策略和结论表述对比分析

对比主流初中教材(2024年版)中有关探究滑动摩擦力大小因素的实验方案，在变量控制策略和结论表述方面存在差异，对比总结如表1所示。

从表1对比可见，现行教材都借助3一6次实验证据，集中探究了两个自变量(即压力大小和接触面的粗糙程度)对滑动摩擦力大小的影响，但是不同版本的教材呈现，存在如下问题:

（一）变量控制的逻辑漏洞

当前教材实验方案的主要问题是沪科粤教版、苏科版等教材将材料与粗糙度混淆。本质上违反了控制变量法的适用条件，变量不可分离、不可精确操作和控制策略设计不完善的执行步骤。这不仅导致实验结论可靠性降低，更使学生对控制变量法的本质产生误解，为后续学习埋下隐患。

部分初中物理教材在实验探究中变量控制不严，将导致师生对控制变量法木质的理解混乱，进而导致学生对滑动摩擦力大小影响因素的认识不严谨。可见，加强对控制变量法严谨实施，对于消除学生认知混乱至关重要。

（二）教材结论差异与潜在认知风险分析

至于滑动摩擦力大小影响因素究竟有哪些，不同版本的初中教材在实验结论的表述方式及其对“模型边界”的界定清晰度存在显著差异，这些差异对学生的后续学习埋下了潜在的认知风险。这也是导致当前中学物理教学中普遍存在学生对实验规律的"过度泛化”问题，即忽视其成立条件与适用范围。

Sommeillier等人提出“有效域框架”。该框架指出，科学模型需明确边界，教学中应显性揭示模型的适用条件与局限性，帮助学生识别模型何时成立、何时失效，从而促进科学概念的转变与迁移。所以，教师在教学中应直接、明确地告知学生，物理学通过构建模型来解释世界。