低成本物理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)及其教學(xué)功能

陳懷華　陳宗榮

摘要：低成本物理實(shí)驗(yàn)具有源于生活、取材簡(jiǎn)便、一物多用、拙處見(jiàn)巧等特點(diǎn)。充分利用其特點(diǎn)，加強(qiáng)低成本物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)研究，可以在課堂教學(xué)中創(chuàng)設(shè)生動(dòng)的情景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力，提高學(xué)生的建模能力，進(jìn)一步增進(jìn)其科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：低成本；物理實(shí)驗(yàn)；教學(xué)功能

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2014）1（S）-0064-4

在中學(xué)物理教學(xué)中，低成本實(shí)驗(yàn)因其具有獨(dú)特的魅力而備受推崇。許多低成本物理實(shí)驗(yàn)，成本雖低但智慧不低、技術(shù)含量不低、物理內(nèi)涵不低、教育價(jià)值不低。因此，低成本物理實(shí)驗(yàn)并非農(nóng)村貧困地區(qū)物理課堂所獨(dú)有的資源。也不是因?qū)嶒?yàn)室設(shè)備不足不得已而為之的權(quán)宜之舉。廣大物理教師應(yīng)充分利用低成本實(shí)驗(yàn)本身的特點(diǎn)。挖掘其豐富的教學(xué)功能，使中學(xué)物理教學(xué)更加精彩。

1.低成本物理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

1.1取材容易，制作方便

物理學(xué)是研究物質(zhì)世界最基本的結(jié)構(gòu)、最普遍的相互作用、最一般的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其所使用的實(shí)驗(yàn)手段和思維方法的自然科學(xué)。學(xué)生的生活空間就是一個(gè)現(xiàn)成的“物理實(shí)驗(yàn)室”。周邊的許多材料、物品都可能成為我們開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)低成本實(shí)驗(yàn)的重要資源。在學(xué)生的日常生活中，與中學(xué)物理知識(shí)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)素材比比皆是，如礦泉水瓶、玻璃杯、塑料薄膜、手機(jī)、鉛筆、課本等。教師要善于利用生活用品、廢舊物品、兒童玩具、日常體驗(yàn)等各個(gè)方面去開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)低成本物理實(shí)驗(yàn)。

低成本實(shí)驗(yàn)器材的開(kāi)發(fā)是一件創(chuàng)造性的活動(dòng)。其難點(diǎn)主要在于創(chuàng)意設(shè)計(jì)。而制作工藝一般比較簡(jiǎn)易方便。其可以直接由現(xiàn)成物品或者是這些物品的組合成為低成本實(shí)驗(yàn)的器材，也可以由相關(guān)物品進(jìn)行適當(dāng)改裝而成。

如，學(xué)習(xí)《聲音的傳播》時(shí)，可以用熱水瓶創(chuàng)設(shè)真空環(huán)境，把蜂鳴器放入空的熱水瓶中。塞緊瓶塞，聲音消失，說(shuō)明真空不能傳播聲音。此處使用熱水瓶的優(yōu)點(diǎn)在于其提供的真空環(huán)境比實(shí)驗(yàn)室里的真空泵更理想。而為了說(shuō)明聲音可以在液體中傳播，把用塑料袋密封好的手機(jī)浸沒(méi)于水槽中，用另一只手機(jī)對(duì)其進(jìn)行撥號(hào)，使其振鈴。這樣，學(xué)生不僅可以看到手機(jī)屏幕的亮光。還可以聽(tīng)到手機(jī)的鈴聲，從而說(shuō)明聲音可以在液體中傳播。實(shí)驗(yàn)中所使用的器材都是容易獲得的物品。由于取材容易。制作方便。這就為在中學(xué)物理教學(xué)中推廣低成本實(shí)驗(yàn)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

1.2源于生活，平實(shí)親切

從生活走向物理，從物理走向社會(huì)，是新課程的理念之一。初中學(xué)生已具有不少生活經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)中包含著大量與物理緊密有關(guān)的現(xiàn)象或者問(wèn)題。例如，壓水井，手柄越長(zhǎng)越省力；騎車(chē)上坡是走S形省力：刀磨得越鋒利切東西越快等等……教學(xué)中一定要認(rèn)真進(jìn)行學(xué)情分析。充分利用這些寶貴的經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)學(xué)習(xí)新知識(shí)，建構(gòu)新概念很有幫助。如，在講授《杠桿的應(yīng)用》一節(jié)時(shí)，可以準(zhǔn)備一些日常工具：剪布用的剪子、理發(fā)用的剪刀、老虎鉗子、起子、桿秤、天平、釣魚(yú)桿等。先讓學(xué)生根據(jù)日常生活經(jīng)驗(yàn)。分別說(shuō)出如何正確使用這些工具。然后要求學(xué)生認(rèn)真觀察各工具的特點(diǎn)。引導(dǎo)他們運(yùn)用杠桿平衡原理。說(shuō)明這些工具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及正確使用的合理性。這種源于生活的學(xué)習(xí)令人感到平實(shí)親切。有利于消除學(xué)生對(duì)實(shí)踐研究的神秘感，讓他們認(rèn)識(shí)到科學(xué)探究并非高不可攀。這種源于生活的學(xué)習(xí)也有利于實(shí)施直觀化教學(xué)，有利于引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注生活，學(xué)以致用。

1.3一物多用，出新出奇

低成本實(shí)驗(yàn)器材的來(lái)源非常廣泛，許多器材本身就是一個(gè)具有一定功能的物件。在中學(xué)物理課堂上被賦予新的功能，做到一物多用。低成本物理實(shí)驗(yàn)中常借用“非實(shí)驗(yàn)用品”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使得實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)更具有創(chuàng)造性，對(duì)學(xué)生思維能力的培養(yǎng)更具有啟迪作用。一物多用還能起到這樣的效果：面對(duì)一個(gè)經(jīng)?！奥赌槨钡奈锲?，通過(guò)與不同器材的配合，結(jié)合不同的學(xué)科知識(shí)，能催化出精彩紛呈的新奇景象，引起學(xué)生的興趣、好奇心和認(rèn)知的動(dòng)機(jī)。

如，利用透明玻璃杯進(jìn)行以下物理實(shí)驗(yàn)。

①色光的混合：用玻璃杯裝適量自來(lái)水，先用綠色激光筆照射，自來(lái)水中呈現(xiàn)一條綠光。把紅色粉筆沫撒進(jìn)水中并攪拌后。再用綠光照射。這時(shí)杯中呈現(xiàn)的是一條黃色的亮光。這樣的演示可以生動(dòng)地展示色光的混合。

②光的折射：把一根筷子斜插入裝有水的玻璃杯中?？梢杂^察到水面處發(fā)生“折斷”現(xiàn)象。慢慢往杯中添加水，可以看到折斷處徐徐上升。

③凸透鏡成像：透過(guò)裝有水的玻璃杯觀察近處的物體，可以觀察到正立放大的像。即，此時(shí)的玻璃杯相當(dāng)于放大鏡。

④浮力的大小：把空玻璃杯慢慢壓入盛水的盆中，手掌可以感受到受力的變化。從而初步體驗(yàn)物體排水多少與浮力的關(guān)系。

⑤大氣壓的存在：把裝有一定量水的玻璃杯用硬紙板蓋住。倒轉(zhuǎn)后發(fā)現(xiàn)硬紙板沒(méi)有掉下來(lái)。說(shuō)明硬紙板的下方受到大氣壓的作用。

1.4拙處見(jiàn)巧，增強(qiáng)體驗(yàn)

低成本實(shí)驗(yàn)器材通常由身邊隨處可得的物品構(gòu)成，“壇壇罐罐當(dāng)儀器”的景象在中學(xué)物理課堂屢見(jiàn)不鮮。這些器材簡(jiǎn)單直白，平淡無(wú)奇，但在物理教師的巧妙組織下。常常能直觀地揭示相關(guān)的物理規(guī)律，許多現(xiàn)象出人意表，讓人印象深刻。充分挖掘這些簡(jiǎn)單易得的實(shí)驗(yàn)器材，可以大大增加學(xué)生課后親身體驗(yàn)的機(jī)會(huì)。由于實(shí)驗(yàn)方案、實(shí)驗(yàn)原理、器材結(jié)構(gòu)往往都比較簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)裝置易制易修，學(xué)生操作時(shí)就不會(huì)因擔(dān)心損壞器材而背上心理包袱，可以讓他們?cè)诜潘?、自由的探究過(guò)程中獲得直接經(jīng)驗(yàn)和深切感受。

2.低成本物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)功能

眾所周知，物理實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理教學(xué)中具有十分重要的意義。然而有些教師雖然也認(rèn)真按照課程標(biāo)準(zhǔn)要求，盡可能利用實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有資源。完成規(guī)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但是效果卻不理想。這種現(xiàn)象告訴我們。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能并不能自然而然的產(chǎn)生。因此，我們應(yīng)該重視研究實(shí)驗(yàn)教學(xué)的規(guī)律，充分挖掘?qū)嶒?yàn)資源，精心進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)低成本物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能。

2.1創(chuàng)設(shè)生動(dòng)場(chǎng)景，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)

許多低成本物理實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)新穎、生動(dòng)、驚險(xiǎn)而富有懸念，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，產(chǎn)生強(qiáng)烈的求知欲。我們可以在學(xué)生剛剛開(kāi)始學(xué)習(xí)物理時(shí)，或者作為章節(jié)的引入時(shí)，創(chuàng)設(shè)生動(dòng)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

經(jīng)典的“覆杯”實(shí)驗(yàn)：把裝有一定量水的塑料杯（航空杯效果較好）用硬紙板蓋住。倒轉(zhuǎn)后發(fā)現(xiàn)硬紙板沒(méi)有掉下來(lái)。這是較為普通的演示方法。可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)。讓學(xué)生嘗試在水杯下的硬紙板下方用吸盤(pán)懸掛鉤碼。比一比誰(shuí)掛的鉤碼更多（圖1）。吸盤(pán)下長(zhǎng)長(zhǎng)的一串鉤碼把他們自己也驚呆了。這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生初步感知空氣的力量。同時(shí)也大大激發(fā)了他們探究大氣壓的欲望。為了證明確實(shí)是空氣的作用。還可以在杯子底部預(yù)先挖個(gè)小孔，老師可以裝腔作勢(shì)地喊“一、二、三，掉”，松開(kāi)捂住小孔的手，讓硬紙板應(yīng)聲而掉。從而有力地證明硬紙板沒(méi)有掉下來(lái)，不是因?yàn)楸槐谡匙×?。而確實(shí)是空氣的力量。

教師還可以巧妙應(yīng)用變式，設(shè)計(jì)一些出人意料的低成本實(shí)驗(yàn)。比如，在講彈性和塑性時(shí)，可以拉長(zhǎng)一根彈簧，問(wèn)學(xué)生松手后彈簧的長(zhǎng)度將如何變化。學(xué)生認(rèn)為將恢復(fù)原長(zhǎng)。但令人意外的是，老師松手后彈簧的長(zhǎng)度幾乎不變！正當(dāng)學(xué)生疑惑不解時(shí)。老師揭開(kāi)迷底：“我的彈簧是用熔斷絲繞成的。”學(xué)生在開(kāi)心一笑之余，加深了對(duì)彈性和塑性的理解，同時(shí)也提高了對(duì)物理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣。

2.2增強(qiáng)視聽(tīng)刺激，培養(yǎng)觀察能力

觀察是人們認(rèn)識(shí)世界、獲取知識(shí)的一個(gè)重要途徑，也是進(jìn)行科學(xué)研究的重要方法。一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)，都是建立在周密、精確、系統(tǒng)的觀察基礎(chǔ)之上的。觀察能力是人類(lèi)創(chuàng)造智力活動(dòng)的源泉。因此。培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力是中學(xué)物理教學(xué)的重要任務(wù)之一。在低成本物理實(shí)驗(yàn)中，想辦法讓實(shí)驗(yàn)效果“有聲有色”。提高學(xué)生對(duì)活動(dòng)的感知效果。將有利于學(xué)生觀察能力的培養(yǎng)。

比如，用火來(lái)顯示高溫，能給學(xué)生強(qiáng)烈的視覺(jué)刺激。為了說(shuō)明電流的熱效應(yīng)，對(duì)一段電爐絲通電，可使放入其中的火柴點(diǎn)燃。為了說(shuō)明玻璃是熱的不良導(dǎo)體，可以用手抓住試管口，用酒精對(duì)試管底部加熱。然后將試管底部從火焰中移開(kāi)，用火柴頭碰觸試管底部，火柴當(dāng)即燃燒起來(lái)。明亮的火焰形象直觀地反映了玻璃管兩端的溫差，說(shuō)明玻璃是熱的不良導(dǎo)體。

當(dāng)然，如果能做到“聲色俱厲”。對(duì)學(xué)生的感官刺激效果就更好了。在大氣壓的教學(xué)中，在空的鐵罐里注入少量的水。然后將它放于酒精燈上加熱一段時(shí)間。停止加熱，用事先準(zhǔn)備好的面粉團(tuán)將鐵罐口堵住。不一會(huì)兒，鐵罐被壓癟了，同時(shí)伴有“劈啪”的爆炸音。這樣的視聽(tīng)效果令人震撼，印象深刻。

除了演示本身要能夠吸引學(xué)生的注意外，加強(qiáng)觀察指導(dǎo)也是培養(yǎng)學(xué)生觀察能力的重要工作。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)該提醒學(xué)生明確觀察目的。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該使教師的講解與演示緊密結(jié)合，還要注意把觀察與思考的主動(dòng)權(quán)交給學(xué)生，使他們逐步學(xué)會(huì)觀察的方法，學(xué)會(huì)通過(guò)觀察分析問(wèn)題，得出結(jié)論。

2.3突出本質(zhì)因素，提高建模能力

低成本物理實(shí)驗(yàn)的目的是為了幫助學(xué)生通過(guò)生動(dòng)的場(chǎng)景構(gòu)建物理概念、認(rèn)識(shí)物理規(guī)律，或者應(yīng)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題。其中至關(guān)重要的問(wèn)題是要突出現(xiàn)象和過(guò)程的物理本質(zhì)。建立科學(xué)圖景，提高學(xué)生的建模能力。低成本實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單明了，并且從現(xiàn)象到本質(zhì)的認(rèn)識(shí)途徑也直接便捷。不僅有利于避免分散學(xué)生的注意力。而且還有利于學(xué)生實(shí)現(xiàn)從感性認(rèn)識(shí)到理性認(rèn)識(shí)的飛躍。

圖2是演示受迫振動(dòng)和共振現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)裝置，三條夾有小夾子的彈性薄片分別插在塑料泡沫底座上。演示時(shí)，首先撥動(dòng)三條彈片，可以觀察到三條彈片的固有頻率不同。然后用手左右往復(fù)推動(dòng)塑料泡沫。使其左右振動(dòng)，會(huì)發(fā)現(xiàn)三條彈片也隨著振動(dòng)起來(lái)。逐漸加大策動(dòng)頻率，可以看到，首先是夾子在最上方的彈片振幅達(dá)到最大。然后依次是夾子在中間、下方的彈片振幅達(dá)到最大。該裝置一目了然，在學(xué)生的視線里只有策動(dòng)振動(dòng)的物體和受迫振動(dòng)的物體。幾乎沒(méi)有任何其它干擾因素。兩物體之間的相互作用也是簡(jiǎn)單明了，有利于學(xué)生對(duì)受迫振動(dòng)和共振現(xiàn)象的理解。演示時(shí)還可以先用一條彈片，說(shuō)明振動(dòng)與受迫振動(dòng)的概念。再改變夾子的上下位置，說(shuō)明固有頻率和振動(dòng)頻率的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上再演示三條彈片的現(xiàn)象。有助于學(xué)生建立完整的共振圖景。提高建模能力。

為了驗(yàn)證阿基米德定律，可以用圖3裝置。用細(xì)線把一只裝滿(mǎn)水的塑料袋系緊，用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出袋里水的重力（塑料袋和細(xì)線重力忽略不計(jì)）。然后把水袋逐漸浸入水中，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)隨之減小。說(shuō)明浮力的大小隨排開(kāi)水的體積的增大而增大。當(dāng)水袋完全浸入水中時(shí)，彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)為零。說(shuō)明水袋受到的浮力與這袋水的重力大小相等，這也說(shuō)明了浸在水中的物體受到的浮力與它排開(kāi)的水的重力大小相等。這種方法非常形象直觀，學(xué)生觀察后對(duì)“排開(kāi)”的含義心領(lǐng)神會(huì)。

2.4開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)資源，增進(jìn)科學(xué)素養(yǎng)

師生共同開(kāi)發(fā)低成本物理實(shí)驗(yàn)器材，可以增進(jìn)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。低成本物理實(shí)驗(yàn)器材的制作必須符合物理原理和科學(xué)理論。即，實(shí)驗(yàn)器材必須既能反映出所要學(xué)習(xí)的物理現(xiàn)象，幫助學(xué)生理解所學(xué)的物理知識(shí)，而它的制作自身又必須遵循一定的科學(xué)理論。這就要求學(xué)生在自制教具的過(guò)程中把物理知識(shí)融會(huì)貫通地應(yīng)用于實(shí)踐，然后再總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，檢驗(yàn)、檢查自制教具的合理性、科學(xué)性及不足。其制作過(guò)程也培育了學(xué)生的創(chuàng)造思維與創(chuàng)新意識(shí)。

在學(xué)習(xí)《凸透鏡的應(yīng)用》時(shí)，有位學(xué)生自制了一只簡(jiǎn)易照相機(jī)，如圖4所示。照相機(jī)外殼由大小不同的兩個(gè)紙圓筒組成。大圓筒的端口粘上凸透鏡，小筒端口蒙有一塊半透明的薄膜，小筒可以自如地透進(jìn)大筒中。觀察遠(yuǎn)近不同的物體所成的像時(shí)，可以通過(guò)前后移動(dòng)圓筒，

演示10：用示波器觀正弦交變電壓的圖線。

演示中調(diào)整X增益，把圖形沿X方向壓扁或拉開(kāi)，體會(huì)掃描電壓的作用。

——相當(dāng)于把擠扁成一條線的圖形拉開(kāi)了。

6.5得到穩(wěn)定圖像問(wèn)題的討論

指導(dǎo)學(xué)生閱讀課本P36最后一段。

6.6小結(jié)

從示波管的構(gòu)造看各部分的作用聯(lián)想施加什么樣的偏轉(zhuǎn)電壓將在熒光屏上出現(xiàn)什么樣的圖形。

7.教學(xué)反思

（1）本節(jié)課給了學(xué)生足夠的思考、討論和交流的時(shí)間，并及時(shí)演示，驗(yàn)證了學(xué)生的想法是否正確。這對(duì)培養(yǎng)和保護(hù)學(xué)生好奇心起到了極大的作用。使得一節(jié)課至始至終學(xué)生一直保持一種興奮高亢的狀態(tài)，課堂氣氛相當(dāng)活躍。

（2）理性認(rèn)識(shí)依賴(lài)于感性認(rèn)識(shí)。感性認(rèn)識(shí)是認(rèn)識(shí)的低級(jí)階段，是理性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)。感性認(rèn)識(shí)和理性認(rèn)識(shí)統(tǒng)一于實(shí)踐，無(wú)論是感性認(rèn)識(shí)還是理性認(rèn)識(shí)，歸根到底都是在實(shí)踐基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。本節(jié)課豐富的、循序漸進(jìn)的演示實(shí)驗(yàn)，不但充分發(fā)揮了物理以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的特點(diǎn)。也符合高中生認(rèn)知特點(diǎn)，較好地達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)。

（3）該節(jié)內(nèi)容的教學(xué)能否放在實(shí)驗(yàn)室中，讓學(xué)生自己進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。邊思考邊討論交流邊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，甚至還讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)出一些實(shí)驗(yàn)方案。但這樣安排，一節(jié)課的時(shí)間夠不夠就成了一個(gè)問(wèn)題。這些都有待于在教學(xué)實(shí)踐中進(jìn)一步探討。