自制教具系列化——以食鹽水為核心的教具及實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)*

吳小兵王秀玲

(江蘇省灌南縣初級(jí)中學(xué)江蘇 連云港222500)

江蘇省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃課題“彈性物理實(shí)驗(yàn)中學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的實(shí)踐研究”和連云港市中小學(xué)教學(xué)研究第九期課題“初中物理實(shí)驗(yàn)個(gè)性化教學(xué)實(shí)踐研究”階段成果之一，編號(hào)：D/2011/02/073

摘 要：自制教具在物理教學(xué)過(guò)程中具有重要的作用，但自制教具也存在著一些困難．通過(guò)以食鹽水為例，闡述以某一核心資源進(jìn)行自制教具系列化和實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)的一些參考路徑．

關(guān)鍵詞：自制教具系列化食鹽水

作者簡(jiǎn)介：吳小兵(1978-)，男，中教高級(jí)，主要從事中學(xué)物理教學(xué)及研究.江蘇省連云港市學(xué)科帶頭人．

收稿日期：(2015-06-02)

物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科．物理實(shí)驗(yàn)既是物理教學(xué)的重要方法，也是物理教學(xué)的重要內(nèi)容．自制教具曾因取材方便、制作簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉且有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力與創(chuàng)新精神等特點(diǎn)而備受吳有訓(xùn)、朱正元等老一輩物理教育家的推崇與提倡，在物質(zhì)匱乏的年代也深受教師喜歡，但是隨著社會(huì)發(fā)展，自制教具也出現(xiàn)了一些新的情況．首先，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，政府對(duì)教育的不斷加大投入，為各學(xué)校配套了大量的實(shí)驗(yàn)器材，教師缺乏自制教具的熱情．其次，隨著專業(yè)化教具廠商不斷涌現(xiàn)，競(jìng)爭(zhēng)加劇，一線教師好的創(chuàng)意發(fā)表后短時(shí)間內(nèi)很快產(chǎn)品化，并且迅速推向市場(chǎng)．網(wǎng)購(gòu)的普及更是開(kāi)闊了教師的眼界，一切觸手可及．在網(wǎng)絡(luò)提供豐富而快捷的產(chǎn)品背景下，教師覺(jué)得沒(méi)有必要再去自制教具．再次，教師在自制教具過(guò)程中，指導(dǎo)思想出現(xiàn)偏差，為了自制教具而制作教具，自制教具出現(xiàn)高端化傾向，制作成本遠(yuǎn)高于購(gòu)買類似產(chǎn)品的價(jià)格，背離了朱正元先生提倡的“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”的主張．最后，師生在自制教具過(guò)程中往往局限于某一個(gè)實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)，解決某一個(gè)問(wèn)題，缺乏更寬廣的視野．基于以上現(xiàn)狀，筆者提出“自制教具系列化”的觀點(diǎn)，在低成本的原則下，以食鹽水為例談一談自制教具及實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)．

1基于概念規(guī)律建立——冰熔化實(shí)驗(yàn)教具的開(kāi)發(fā)

物理概念和規(guī)律的教學(xué)，歷來(lái)是初中物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)．熔化和凝固的現(xiàn)象雖然在生活中常見(jiàn)，但是要通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)了解熔化和凝固的規(guī)律卻是很難，比如一般的教材都安排了冰熔化實(shí)驗(yàn)[1]．因?yàn)楸刍瘜?shí)驗(yàn)在特定的教學(xué)時(shí)間相對(duì)應(yīng)季節(jié)，在45 min內(nèi)很難取得成功，分組實(shí)驗(yàn)更是被大多數(shù)教師認(rèn)為不具有可操作性．筆者通過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)踐探索，尋得了一些簡(jiǎn)易的方案[2]．

圖1　用學(xué)生尺測(cè)量小試管的長(zhǎng)度

圖2　削去頂端的礦泉水瓶

1.1熔化和凝固概念引入及建立

通過(guò)“奇妙的小實(shí)驗(yàn)——無(wú)冰箱、無(wú)電源現(xiàn)場(chǎng)快速制冰棍”吸引學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)生興趣，并建立熔化和凝固的概念．具體操作：取出小試管，用膠頭滴管向小試管內(nèi)加入適量的水，將削好的薄木片放入小試管內(nèi)，再將小試管底部插入半凝固狀態(tài)的冷凍食鹽水中．約1 min后，用手指捏住木片，可將小試管提起，因?yàn)樾≡嚬軆?nèi)的水已經(jīng)凝固，木片被冰封于其中，冰棍制作完成．接著用面巾紙將小試管外壁擦干，并用手握住小試管底部加熱一段時(shí)間后，將管口向下傾斜，可以看到有水從管口滴下．這一趣味實(shí)驗(yàn)大大激發(fā)了學(xué)生的興趣．根據(jù)所觀察到的現(xiàn)象，建立凝固與熔化概念，自然流暢．

1.2冰熔化規(guī)律探究

冰熔化規(guī)律的探究，目前雖然也有一些教具和方案，但是或多或少存在著一些缺憾．如有的實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間較長(zhǎng)，不適合在課堂進(jìn)行演示或分組；有的雖然能夠看到溫度保持在0℃一段時(shí)間，但是看不到低于0℃吸熱升溫的現(xiàn)象；有的能看到完整的溫度變化，但是由于裝置密封，看不到冰或水物態(tài)變化．筆者設(shè)計(jì)了如下方案：取一個(gè)如前文所述規(guī)格的小試管，在其底部約3 cm處貼上標(biāo)志線，內(nèi)部放少量從清潔球上拆除的金屬絲，加強(qiáng)導(dǎo)熱性，如圖3．

圖3　用于探究冰溶化規(guī)律的小試管

向小試管內(nèi)加水至標(biāo)志線處．再找一個(gè)小的橡皮塞，中間帶孔，溫度計(jì)從塞子中間小孔穿過(guò)，玻璃泡插入小試管內(nèi)的水中，下不靠底，側(cè)不碰壁，上不露出水面，金屬絲均勻分布在玻璃泡周圍效果最好．塞子塞緊，起固定溫度計(jì)的作用．將小試管豎直插入絮狀冷凍的食鹽水中．可以觀察到水的溫度迅速下降，降至0℃時(shí)并保持一段時(shí)間，隨后繼續(xù)下降，當(dāng)降至-5℃時(shí)將小試管取出，用面巾紙將小試管外圍擦干，同時(shí)觀察并記錄水的溫度隨時(shí)間變化和小試管內(nèi)冰水狀態(tài)及多少的變化．降溫及凝固過(guò)程只觀察不記錄，重在體驗(yàn)，升溫和熔化過(guò)程觀察、記錄并描點(diǎn)作圖像．

如圖4是根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用幾何畫(huà)板畫(huà)出的圖像．學(xué)生分組探究時(shí)，一人計(jì)時(shí)，一人讀數(shù)，一人描點(diǎn)，整個(gè)時(shí)間在18 min左右，時(shí)間完全在允許的范圍內(nèi)．

圖4

通過(guò)這一套教具的開(kāi)發(fā)，使得凝固和熔化現(xiàn)象趣味引入，概念建立自然；學(xué)生通過(guò)分組探究，不但探究了冰的熔化特點(diǎn)，還觀察了水的凝固過(guò)程；通過(guò)比較，加深凝固和熔化規(guī)律的理解，通過(guò)自制教具，突出了教學(xué)的重點(diǎn)，也克服了實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)．整套教具，成本低廉，制作簡(jiǎn)單，使用方便．由于本實(shí)驗(yàn)方案的典型性，“熔化和凝固”課堂教學(xué)視頻在江蘇省中小學(xué)教研室“名師課堂”點(diǎn)播，反響很好．

2基于綜合實(shí)踐活動(dòng)——手提冰箱教具及實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)

綜合實(shí)踐活動(dòng)因?yàn)榫哂芯C合性、開(kāi)放性、靈活性等特點(diǎn)，在各物理教材中越來(lái)越多的出現(xiàn)．通過(guò)綜合實(shí)踐活動(dòng)的實(shí)施，不但可以使學(xué)生認(rèn)識(shí)物理學(xué)科知識(shí)與生活、社會(huì)的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)以致用的能力，而且可以增強(qiáng)學(xué)生參與社會(huì)和解決社會(huì)問(wèn)題的意識(shí)．基于食鹽水的低溫及其較好的制冷效果，筆者以蘇科版八年級(jí)物理“用電冰箱研究物態(tài)變化現(xiàn)象”課題為起點(diǎn)，以凍食鹽水為核心，制作手提冰箱，進(jìn)一步拓寬綜合實(shí)踐活動(dòng)內(nèi)容．現(xiàn)將手提冰箱制作過(guò)程簡(jiǎn)單介紹如下[3]：

(1)活動(dòng)所需工具及材料．小刀、透明膠帶、家用電冰箱、3號(hào)、6號(hào)泡沫盒各一個(gè)、5瓶飽和食鹽水．

(2)簡(jiǎn)易型手提冰箱的制作．

1)在生活中找到泡沫盒，如裝運(yùn)水果、實(shí)驗(yàn)器材的泡沫盒，根據(jù)存儲(chǔ)的物品用美工刀對(duì)其內(nèi)部空間拓展；

2)在泡沫盒的封口處，上下均單獨(dú)用透明膠帶纏繞；

3)配置飽和食鹽水放入冰箱的冷凍室進(jìn)行冷凍，使其完全凝固為固體，時(shí)間不少于24 h；

4)使用時(shí)，將冷凍后的飽和食鹽水放入箱內(nèi)，作為制冷劑；將食品一并放入箱內(nèi)，再用透明膠帶沿泡沫盒口密封，密封后即可攜帶外出．

(3)組合升級(jí)型手提冰箱的制作．

1)利用兩個(gè)或兩個(gè)以上的泡沫箱進(jìn)行不同的組合，實(shí)現(xiàn)冷凍與冷藏的個(gè)性化需求，此案例中的泡沫盒是3和6號(hào)兩個(gè)泡沫盒組合；

2)配置飽和食鹽水放入冰箱的冷凍室進(jìn)行冷凍，使其完全凝固為固體；

3)使用時(shí)，將冷凍后的飽和食鹽水放入6號(hào)箱內(nèi)，作為制冷劑；將食品一并放入6號(hào)箱，如圖5，密封，做為冷凍室． 6號(hào)箱內(nèi)除了放入4瓶200毫升營(yíng)養(yǎng)快線制冷劑外，還可放入10個(gè)小布丁，一個(gè)奶杯；根據(jù)個(gè)人的喜好，物品可以調(diào)整；

圖5　用泡沫箱制成手提冰箱的冷凍室

4)將6號(hào)泡沫盒放入3號(hào)泡沫盒內(nèi)的右側(cè)，如圖6所示，左側(cè)放置3瓶易拉罐啤酒，每個(gè)容積350毫升、一瓶330毫升的制冷劑、一瓶330毫升的冷藏水，6號(hào)盒密封后放在3號(hào)盒內(nèi)，做為冷凍區(qū)，而3號(hào)盒內(nèi)剩余區(qū)域則為冷藏區(qū)，在圖6中，6號(hào)盒子的側(cè)面還可以放上5根旺旺碎碎冰．

圖6　將手提冰箱的冷凍室放入大號(hào)泡沫箱

(4)教具使用效果．

密封前，冷凍食鹽水及碎碎冰等-22℃，水及啤酒溫度為3℃；密封后放在33℃的空調(diào)間內(nèi)，經(jīng)過(guò)8 h后，打開(kāi)泡沫盒，冷藏室溫度2℃，冷凍室溫度為-8℃，冷凍區(qū)飽和食鹽水仍然為固體．

這一教具的出現(xiàn)，不但解決了前文冰熔化實(shí)驗(yàn)中冷凍食鹽水的保存問(wèn)題，而且這教具還可以廣泛適用于車用、家用、郊游、醫(yī)用(疫苗運(yùn)輸?shù)?、運(yùn)輸(海鮮產(chǎn)品等)、運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域．通過(guò)此活動(dòng)，極大的激發(fā)了學(xué)生“學(xué)物理、用物理”的熱情，培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力．

3基于物理學(xué)史——再現(xiàn)世界上最早的電動(dòng)機(jī)

物理課程標(biāo)準(zhǔn)明確指出，“物理學(xué)不僅含有探索大自然的知識(shí)成果，而且含有探索者的科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神等”[4]．探索者們所用的實(shí)驗(yàn)儀器直接體現(xiàn)出當(dāng)時(shí)的物理學(xué)和社會(huì)發(fā)展水平．他們使用的實(shí)驗(yàn)器材正是體現(xiàn)探索者的科學(xué)思想和科學(xué)方法的重要載體．目前的自制教具一般側(cè)重教學(xué)中遇到的困難，針對(duì)性較強(qiáng)，而基于物理學(xué)史的教具開(kāi)發(fā)則幾乎是一片空白．筆者仍然以食鹽水為例，再現(xiàn)世界上最早的電動(dòng)機(jī)[5]．

1821年英國(guó)科學(xué)家法拉第首先證明可以把電力轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)電液體為水銀．本教具巧用食鹽水代替水銀，利用生活及實(shí)驗(yàn)室中的一些簡(jiǎn)單用品，使得世界上最早的電動(dòng)機(jī)模型得以再現(xiàn)，現(xiàn)象直觀明了．

(1)制作材料．1.25 L透明大飲料瓶一個(gè)，330 ml小塑料瓶1個(gè)，細(xì)漆包線，牛奶吸管，圓形磁鐵，電池4節(jié)，導(dǎo)線3根，開(kāi)關(guān)1個(gè)，食鹽，鋁皮．

(2)制作方法．

1)如圖7，將大飲料瓶側(cè)壁靠近底部約5 cm處開(kāi)一個(gè)10 cm×10 cm的孔；

圖7　用簡(jiǎn)易器材制成的電動(dòng)機(jī)

2)將瓶蓋中心挖一小孔，使牛奶吸管能夠緊湊穿過(guò)；

3)將一根細(xì)銅絲從牛奶吸管中穿入瓶中，露出吸管，并彎成一個(gè)小鉤；

4)將另一根銅絲的上端也彎折成一個(gè)小鉤，并懸掛在吸管中露出來(lái)的小鉤上，下端則略低于塑料瓶側(cè)壁開(kāi)口下端；

5)將強(qiáng)磁體放入大飲料瓶?jī)?nèi)底部正下方，并將濃食鹽水緩緩倒入飲料瓶中；

6)將鋁片彎折，掛在雪碧瓶開(kāi)口處下沿，鋁片下端浸入濃鹽水中；

7)鋁片和瓶蓋上方露出來(lái)的銅絲作為電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)接線柱，接入電路即可．

(3)使用方法．

1)將磁鐵放入雪碧瓶底的下中央，并將小的圓形磁體朝上；

2)將已配置好的濃食鹽水從側(cè)面開(kāi)口處沿雪碧瓶?jī)?nèi)壁緩緩倒入其中，把細(xì)漆包線從開(kāi)口處伸入，并與上方的掛鉤掛好．

3)從雪碧瓶口調(diào)整瓶?jī)?nèi)下端細(xì)漆包線浸入食鹽水中的深度，約為2 cm，并大體位于瓶?jī)?nèi)的正中央．

4)將6 V電池接入，一端接到鋁皮，一端接入瓶口線頭．接通電路，可見(jiàn)下端的細(xì)漆包線在食鹽水中繞著圓形磁體轉(zhuǎn)動(dòng)．

(4)此方案不但可以再現(xiàn)世界上最早的電動(dòng)機(jī)，而且還可以探究通電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力方向與哪些因素有關(guān)．

通過(guò)自制教具，再現(xiàn)一段歷史．從教具及其相應(yīng)實(shí)驗(yàn)中去體會(huì)探索者的科學(xué)思想、科學(xué)方法、科學(xué)態(tài)度和科學(xué)精神，這不正是新課程標(biāo)準(zhǔn)提倡而現(xiàn)實(shí)教學(xué)過(guò)程中常常缺少的維度嗎？

綜上所述，以上所舉3個(gè)案例，以食鹽水為核心器材(資源)，分別從概念規(guī)律建立、綜合實(shí)踐活動(dòng)開(kāi)發(fā)、物理學(xué)史再現(xiàn)等3個(gè)典型角度進(jìn)行了自制教具系列化的呈現(xiàn)．其實(shí)，自制教具系列化，不但可以根據(jù)某一核心器材(資源)進(jìn)行系列化，而且還可以從知識(shí)層面對(duì)某一章節(jié)、板塊進(jìn)行系列化，根據(jù)學(xué)生的個(gè)性特點(diǎn)進(jìn)行系列化或者根據(jù)物理學(xué)史進(jìn)行系列化等等．另外，不同視角的自制教具系列化彼此之間不是獨(dú)立的，而是彼此交叉滲透的．自制教具系列化是為了更好地服務(wù)于“學(xué)”與“教”．總之，自制教具系列化具有豐富的內(nèi)涵和外延，有待于我們?nèi)ミM(jìn)一步研究討論．

參 考 文 獻(xiàn)

1蘇科版物理8年級(jí)(上冊(cè)).南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，2014.39～41

2吳小兵，王秀玲，張耀生.巧用食鹽水改進(jìn)冰熔化實(shí)驗(yàn)．物理通報(bào)，2011(3)：48

3王秀玲，吳小兵.巧用食鹽水自制手提冰箱．實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2012(6)：46

4物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011版).北京：北京師范大學(xué)出版社，2012

5左卷健男.趣味物理實(shí)驗(yàn)(下冊(cè)).北京：中國(guó)民族攝影藝術(shù)出版社，2005.163