自制低成本教具，提高初中物理演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性

謝桂英

（廣州市第五中學(xué)，廣東 廣州510220）

1 問題的提出

當(dāng)前，不少學(xué)校的實(shí)驗(yàn)教學(xué)有逐步弱化的趨勢(shì).很多教師覺得，要提高紙筆測(cè)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)題的分?jǐn)?shù)，做實(shí)驗(yàn)不如講實(shí)驗(yàn)，講實(shí)驗(yàn)不如記實(shí)驗(yàn).在這種思想指導(dǎo)下，教師編輯了許多實(shí)驗(yàn)題及其答案讓學(xué)生記，不僅學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ貌坏桨l(fā)展，學(xué)生解決問題的基本素質(zhì)也難以提高.在這種背景下，《物理新課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）解讀》教學(xué)建議指出：“實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要組成部分，是落實(shí)物理課程目標(biāo)、全面提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要途徑.”

該標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）對(duì)義務(wù)教育物理課程的實(shí)驗(yàn)提出了明確的要求.在“內(nèi)容要求”中，凡是用“通過實(shí)驗(yàn)”這一措辭陳述知識(shí)內(nèi)容，都必須通過實(shí)驗(yàn)來學(xué)習(xí)，這些實(shí)驗(yàn)是必須做的.

但是，由于應(yīng)試教育的強(qiáng)大壓力、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足以及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的落后等客觀因素的影響，在當(dāng)前的物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，尤其演示實(shí)驗(yàn)仍是極其薄弱的環(huán)節(jié)，還是有不少教師干脆不做實(shí)驗(yàn)，把演示實(shí)驗(yàn)變成“口說實(shí)驗(yàn)”或“板書實(shí)驗(yàn)”，這種狀況將影響學(xué)生的知識(shí)能力結(jié)構(gòu)和非智力因素的發(fā)展.其實(shí)，針對(duì)這種情況我們完全可以“自力更生”，利用現(xiàn)有資源，自制低成本教具，提高初中物理演示教學(xué)的有效性.

2 研究的理論基礎(chǔ)

2.1 奧蘇貝爾的接受-同化學(xué)習(xí)理論

根據(jù)奧蘇貝爾（Ausubel）的意義接受學(xué)習(xí)說，學(xué)習(xí)可以按進(jìn)行的方式分類為接受學(xué)習(xí)與發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)；又可以按內(nèi)容分類為機(jī)械學(xué)習(xí)與有意義的學(xué)習(xí).根據(jù)學(xué)校教與學(xué)的特點(diǎn)，奧蘇貝爾提倡有意義的言語(yǔ)接受學(xué)習(xí)，即學(xué)習(xí)者把以定論形式呈現(xiàn)給自己的學(xué)習(xí)材料與其已形成的認(rèn)知結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來，以掌握對(duì)這種學(xué)習(xí)材料的學(xué)習(xí)方式.

筆者認(rèn)為，對(duì)于物理學(xué)科而言，中學(xué)物理所涉及的知識(shí)是人類從最初直至20世紀(jì)才總結(jié)形成的，是一門建立在反復(fù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，又與數(shù)學(xué)方法緊密聯(lián)系的學(xué)科，具有范圍廣、理論性強(qiáng)、邏輯性強(qiáng)、系統(tǒng)嚴(yán)密、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，要學(xué)生在學(xué)校學(xué)習(xí)中通過歸納性發(fā)現(xiàn)的方式來重新一一獲得全部知識(shí)并不可行，而應(yīng)該更多地在認(rèn)知心理學(xué)基礎(chǔ)上，采用意義接受式學(xué)習(xí)，這是學(xué)生獲取知識(shí)的一種現(xiàn)實(shí)的、高效的方法，既符合大部分學(xué)校、學(xué)生實(shí)際，又批判傳統(tǒng)的灌輸教學(xué)，強(qiáng)調(diào)理解及融會(huì)貫通，強(qiáng)調(diào)注意學(xué)生原有的知識(shí)結(jié)構(gòu).

2.2 皮亞杰的認(rèn)知理論

皮亞杰認(rèn)為，認(rèn)知過程是在個(gè)體思維不斷成熟的基礎(chǔ)上，當(dāng)主客體間發(fā)生相互作用時(shí)，主體會(huì)根據(jù)自己原有的認(rèn)識(shí)圖式對(duì)外界客體作出反應(yīng)并試圖吸納、改造，所謂“同化”，對(duì)不能同化的因素則進(jìn)行自我調(diào)整，改變?cè)袌D式，所謂“順應(yīng)”，通過不斷的“同化-順應(yīng)”，使圖式不斷地更新、協(xié)調(diào)和豐富（即平衡），獲得個(gè)體經(jīng)驗(yàn)與社會(huì)經(jīng)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)認(rèn)知的發(fā)展.

大部分初中學(xué)生的思維尚處于形象思維階段，因此，在初中物理教學(xué)中需要具體形象材料的支持，在很大程度上，學(xué)生仍習(xí)慣于靠經(jīng)驗(yàn)材料判斷分析事物，不善于從理論上進(jìn)行推導(dǎo).心理學(xué)研究表明：人們認(rèn)識(shí)事物存在著知覺優(yōu)先的傾向.這就要求教師必須給學(xué)生提供足夠的感性材料和活動(dòng)機(jī)會(huì)，初中學(xué)生在沒有學(xué)習(xí)物理之前往往有一定的認(rèn)識(shí)圖式，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)，使原有的認(rèn)識(shí)圖式不斷地“同化-順應(yīng)”，從而不斷地加深對(duì)物理概念和規(guī)律的理解.

2.3 演示實(shí)驗(yàn)的有效性教學(xué)的涵義

根據(jù)2001年8月出版的《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）解讀》中的“有效教學(xué)”理念，所謂“有效”，主要是指通過教師在一段時(shí)間的教學(xué)后，學(xué)生獲得具體的進(jìn)步或發(fā)展，學(xué)生有無進(jìn)步或發(fā)展是教學(xué)有沒有效益的唯一指標(biāo).物理演示實(shí)驗(yàn)的有效教學(xué)，就是要讓學(xué)生通過觀察或操作演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)到物理知識(shí)，深刻理解物理原理，在知識(shí)、技能和情感上都獲得進(jìn)步.

2.4 演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本要求

演示實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)要遵循科學(xué)性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、直觀、易于觀察，演示實(shí)驗(yàn)安全可靠、成功率高，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便的原則.為立足于先進(jìn)的教育理念對(duì)演示實(shí)驗(yàn)的要求，要從教與學(xué)的角度把握演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)遵循的基本要求.

3 自制低成本教具，提高演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效性的實(shí)例研究

我國(guó)物理教育家朱正元先生力主自制教具.他提倡“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”.他說：“不要迷信只有工廠制造的儀器才是儀器.”他提倡物理教師要設(shè)法不花一文錢而能做物理實(shí)驗(yàn).針對(duì)以上情況，作者結(jié)合自己近十年的教學(xué)體會(huì)，利用現(xiàn)有資源，自制低成本教具，使得演示實(shí)驗(yàn)操作變得方便，成功率高.下面作者從以下幾個(gè)方面結(jié)合案例進(jìn)行說明.

3.1 案例1 重力勢(shì)能直觀演示儀

原來情況：人教版初中物理八年級(jí)機(jī)械能一節(jié)，演示重力勢(shì)能和什么因素有關(guān)實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般用重物砸沙池，根據(jù)沙的凹陷程度判斷被舉高重物具有的重力勢(shì)能，也有人利用重物砸木棒，根據(jù)木棒的下陷程度判斷被舉高重物具有的重力勢(shì)能，這些實(shí)驗(yàn)在理論上沒有問題，但因?yàn)橹匚锖茈y砸中木棒，木棒很容易歪，所以2種實(shí)驗(yàn)效果一般.

本教具利用廢水管（用刀挖了一半，方便學(xué)生觀察）和木板（上面鉆3組圓孔，注意孔大小）定位，讓重物砸鉛筆時(shí)，鉛筆不會(huì)歪.從而保證效果明顯.

制作材料：水槽和鉤碼（實(shí)驗(yàn)原來有）、鉛筆、廢水管、木板、鐵皮、沙.

制作方法：

1）截取木塊1塊，用鐵皮包好木板，讓其剛好蓋在水槽上，并在木板（上面鉆3組圓孔，注意孔大小和3組圓環(huán)）.

2）截取3段等長(zhǎng)廢水管，用刀挖開一半，方便學(xué)生觀察.

3）用502膠水將2個(gè)鉤碼粘在一塊.

實(shí)驗(yàn)過程：探究重力勢(shì)能與質(zhì)量和被舉高的高度有關(guān).

1）先將木板蓋在水槽上，并將鉛筆插在3個(gè)孔上.

2）將廢水管插上.

3）用鉤碼砸鉛筆，如圖1.

4）將廢水管拿掉，分析得出結(jié)論.

圖1 重力勢(shì)能演示裝置

創(chuàng)新之處：1）鉤碼不會(huì)打偏；2）實(shí)驗(yàn)操作方便；3）能基本定量得到重力勢(shì)能與質(zhì)量的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)效果明顯；4）實(shí)驗(yàn)成本低.

3.2 案例2 磁懸浮直流電動(dòng)機(jī)和換向器直觀演示儀

原來情況：人教版初中物理九年級(jí)電學(xué)有電動(dòng)機(jī)和換向器的講述，實(shí)驗(yàn)室原來只有直流電動(dòng)機(jī)模型和學(xué)生實(shí)驗(yàn)用小電動(dòng)機(jī)，教師一般處理都是用模型和掛圖配合講授換向器原理，電動(dòng)機(jī)如何轉(zhuǎn)動(dòng)沒有演示實(shí)驗(yàn)，很多教師都用“口說實(shí)驗(yàn)”或“板書實(shí)驗(yàn)”代替.由于本節(jié)內(nèi)容比較復(fù)雜，學(xué)生較難理解.

自制器材：利用U085蹄形磁鐵、線圈、電刷、木塊、小木頭，電線銅片（這些實(shí)驗(yàn)室原來都有）和2塊廢揚(yáng)聲器的磁錢，自制成磁懸浮直流電動(dòng)機(jī)和換向器直觀演示儀.制作過程省略.使用過程：將2個(gè)電刷分別放置上下2段，演示沒有換向器時(shí)，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)情況.圖2將2個(gè)電刷分別放置中間，演示有換向器時(shí)，線圈轉(zhuǎn)動(dòng)情況.

圖2 磁懸浮直流電動(dòng)機(jī)和換向器演示裝置

創(chuàng)新之處：1）中間利用2塊圓形磁鐵隔開，起到磁懸浮的作用，可以減少轉(zhuǎn)動(dòng)過程受到的阻力，降低能耗；2）用此演示儀可以完成課本通電線圈在磁場(chǎng)中受力偏轉(zhuǎn)、換向器的作用和電動(dòng)機(jī)3個(gè)演示實(shí)驗(yàn)；3）能直觀地觀察到通電線圈在磁場(chǎng)中扭轉(zhuǎn)，在換向器作用下，能自動(dòng)改變電流方向，使電動(dòng)機(jī)能飛快轉(zhuǎn)動(dòng)，演示效果明顯，學(xué)生易理解.

3.3 案例3 海市蜃樓演示儀

原來情況：人教版初中物理八年級(jí)光的折射提到海市蜃樓現(xiàn)象，但是通常只是看視頻，學(xué)生興趣不大，但如果用探究活動(dòng)，用實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生親身感受海市蜃樓，則能提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣.實(shí)驗(yàn)演示裝置如圖3所示.

圖3 海市蜃樓演示裝置

實(shí)驗(yàn)器材：圓弧形的自制水槽，鹽，水.

實(shí)驗(yàn)過程：

1）用透明塑料板拼裝成圓弧形水槽，用玻璃膠拼接，保證容器不漏水.

2）在水槽中裝滿水.

3）在水槽中均勻?yàn)⑸?層鹽（或白沙糖），不可攪拌，放置0.5h以上.

4）0.5h后，用激光筆從水槽一側(cè)射入激光，在較暗的環(huán)境下，可以看得激光在水中沿曲線運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4.

圖4 光線在水中彎曲

創(chuàng)新之處：1）能直觀演示光在不均勻介質(zhì)傳播，光的傳播方向會(huì)發(fā)生改變；2）實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，可讓學(xué)生親身感受觀察到海市蜃樓現(xiàn)象，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣；3）操作方便；4）實(shí)驗(yàn)成本低.

3.4 案例4 簡(jiǎn)易功的原理和機(jī)械效率實(shí)驗(yàn)組合直觀演示儀

原來情況：人教版初中物理九年級(jí)功原理和機(jī)械效率是很重要的實(shí)驗(yàn)，但沒有專用的器材.都是用鐵架臺(tái)、刻度尺和滑輪、杠桿和斜面來分別做對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn).操作麻煩，效果一般.自制器材：用廢木板噴漆劃線，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的斜面和滑輪（或滑輪組）制成，如圖5所示（正反均可使用）.

圖5 機(jī)械效率演示裝置

創(chuàng)新之處：1）可以將功的原理和測(cè)機(jī)械效率實(shí)驗(yàn)組合起來；2）操作簡(jiǎn)單方便，直觀準(zhǔn)確，可提高上課的效率；3）實(shí)驗(yàn)效果明顯；4）實(shí)驗(yàn)成本低.

3.5 案例5 燈泡實(shí)際功率演示儀

原來情況：2個(gè)燈泡串、并聯(lián)實(shí)際功率大小與額定功率大小關(guān)系是教學(xué)中的難點(diǎn).

制作材料：50cm×40cm的硬質(zhì)板1塊，40W和60W的燈泡各1只，2根綠色的導(dǎo)線，紅色導(dǎo)線，螺絲釘，燈座，插頭，開關(guān)，接線柱，鐵架臺(tái).

制作方法：

1）在硬質(zhì)板的2個(gè)接線柱上分別接導(dǎo)線，一端導(dǎo)線連接插頭，一端連接分別連接1個(gè)燈座（接60W的燈泡）和1個(gè)開關(guān).

2）在開關(guān)的另一端接1個(gè)活動(dòng)的接線柱，這個(gè)接線柱的一端接1個(gè)燈座（40W的燈泡），再加1個(gè)活動(dòng)的接線柱，與接60W的燈泡的這個(gè)燈座連接起來.

使用方法：

1）先將直板豎直放到鐵架臺(tái)上，將燈泡串聯(lián)在電路中，如圖6所示，通電后發(fā)現(xiàn)40W的燈泡發(fā)光很亮，而60W的燈泡發(fā)光微弱.

2）調(diào)節(jié)電路，使燈泡并聯(lián).發(fā)現(xiàn)60W的燈泡比40W的燈泡亮，如圖7所示.

3）將圖6其中一燈泡短接，可以直觀演示短路現(xiàn)象.

特點(diǎn)：直接、形象地把在不同電路中的燈泡亮暗顯現(xiàn)出來，操作方便.

圖6 燈泡功率演示裝置（燈炮串聯(lián)）

圖7 燈炮功率演示裝置（燈炮并聯(lián)）

4 結(jié)束語(yǔ)

用日常器具或自制低成本教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，有利于學(xué)生動(dòng)手，發(fā)展學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí).利用現(xiàn)有資源，自制低成本教具，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便變得簡(jiǎn)便，演示實(shí)驗(yàn)安全可靠、成功率高，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯和直觀、易于觀察，提高了演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性.

［1］中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

［2］廖伯琴.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）解讀［M］.北京：高等教育出版社，2012：95-96.