自制教具系列化——以食鹽水為核心的教具及實驗開發(fā)*

吳小兵王秀玲

(江蘇省灌南縣初級中學江蘇 連云港222500)

江蘇省教育科學“十二五”規(guī)劃課題“彈性物理實驗中學生個性化發(fā)展的實踐研究”和連云港市中小學教學研究第九期課題“初中物理實驗個性化教學實踐研究”階段成果之一，編號：D/2011/02/073

摘 要：自制教具在物理教學過程中具有重要的作用，但自制教具也存在著一些困難．通過以食鹽水為例，闡述以某一核心資源進行自制教具系列化和實驗開發(fā)的一些參考路徑．

關鍵詞：自制教具系列化食鹽水

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

收稿日期：(2015-06-02)

物理是一門以實驗為基礎的學科．物理實驗既是物理教學的重要方法，也是物理教學的重要內(nèi)容．自制教具曾因取材方便、制作簡單、造價低廉且有利于培養(yǎng)學生的動手能力與創(chuàng)新精神等特點而備受吳有訓、朱正元等老一輩物理教育家的推崇與提倡，在物質匱乏的年代也深受教師喜歡，但是隨著社會發(fā)展，自制教具也出現(xiàn)了一些新的情況．首先，隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，政府對教育的不斷加大投入，為各學校配套了大量的實驗器材，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)，競爭加劇，一線教師好的創(chuàng)意發(fā)表后短時間內(nèi)很快產(chǎn)品化，并且迅速推向市場．網(wǎng)購的普及更是開闊了教師的眼界，一切觸手可及．在網(wǎng)絡提供豐富而快捷的產(chǎn)品背景下，教師覺得沒有必要再去自制教具．再次，教師在自制教具過程中，指導思想出現(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，制作成本遠高于購買類似產(chǎn)品的價格，背離了朱正元先生提倡的“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”的主張．最后，師生在自制教具過程中往往局限于某一個實驗難點，解決某一個問題，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，在低成本的原則下，以食鹽水為例談一談自制教具及實驗開發(fā)．

1基于概念規(guī)律建立——冰熔化實驗教具的開發(fā)

物理概念和規(guī)律的教學，歷來是初中物理教學的重點和難點．熔化和凝固的現(xiàn)象雖然在生活中常見，但是要通過實驗探究活動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驗[1]．因為冰熔化實驗在特定的教學時間相對應季節(jié)，在45 min內(nèi)很難取得成功，分組實驗更是被大多數(shù)教師認為不具有可操作性．筆者通過較長時間的實踐探索，尋得了一些簡易的方案[2]．

圖1　用學生尺測量小試管的長度

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“奇妙的小實驗——無冰箱、無電源現(xiàn)場快速制冰棍”吸引學生注意力，激發(fā)學生興趣，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，因為小試管內(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．這一趣味實驗大大激發(fā)了學生的興趣．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．如有的實驗操作時間較長，不適合在課堂進行演示或分組；有的雖然能夠看到溫度保持在0℃一段時間，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．筆者設計了如下方案：取一個如前文所述規(guī)格的小試管，在其底部約3 cm處貼上標志線，內(nèi)部放少量從清潔球上拆除的金屬絲，加強導熱性，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)加水至標志線處．再找一個小的橡皮塞，中間帶孔，溫度計從塞子中間小孔穿過，玻璃泡插入小試管內(nèi)的水中，下不靠底，側不碰壁，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℃時并保持一段時間，隨后繼續(xù)下降，當降至-5℃時將小試管取出，用面巾紙將小試管外圍擦干，同時觀察并記錄水的溫度隨時間變化和小試管內(nèi)冰水狀態(tài)及多少的變化．降溫及凝固過程只觀察不記錄，重在體驗，升溫和熔化過程觀察、記錄并描點作圖像．

如圖4是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)利用幾何畫板畫出的圖像．學生分組探究時，一人計時，一人讀數(shù)，一人描點，整個時間在18 min左右，時間完全在允許的范圍內(nèi)．

圖4

通過這一套教具的開發(fā)，使得凝固和熔化現(xiàn)象趣味引入，概念建立自然；學生通過分組探究，不但探究了冰的熔化特點，還觀察了水的凝固過程；通過比較，加深凝固和熔化規(guī)律的理解，通過自制教具，突出了教學的重點，也克服了實驗的難點．整套教具，成本低廉，制作簡單，使用方便．由于本實驗方案的典型性，“熔化和凝固”課堂教學視頻在江蘇省中小學教研室“名師課堂”點播，反響很好．

2基于綜合實踐活動——手提冰箱教具及實驗的開發(fā)

綜合實踐活動因為具有綜合性、開放性、靈活性等特點，在各物理教材中越來越多的出現(xiàn)．通過綜合實踐活動的實施，不但可以使學生認識物理學科知識與生活、社會的聯(lián)系，培養(yǎng)學生學以致用的能力，而且可以增強學生參與社會和解決社會問題的意識．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物理“用電冰箱研究物態(tài)變化現(xiàn)象”課題為起點，以凍食鹽水為核心，制作手提冰箱，進一步拓寬綜合實踐活動內(nèi)容．現(xiàn)將手提冰箱制作過程簡單介紹如下[3]：

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

(2)簡易型手提冰箱的制作．

1)在生活中找到泡沫盒，如裝運水果、實驗器材的泡沫盒，根據(jù)存儲的物品用美工刀對其內(nèi)部空間拓展；

2)在泡沫盒的封口處，上下均單獨用透明膠帶纏繞；

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

4)使用時，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)組合升級型手提冰箱的制作．

1)利用兩個或兩個以上的泡沫箱進行不同的組合，實現(xiàn)冷凍與冷藏的個性化需求，此案例中的泡沫盒是3和6號兩個泡沫盒組合；

2)配置飽和食鹽水放入冰箱的冷凍室進行冷凍，使其完全凝固為固體；

3)使用時，將冷凍后的飽和食鹽水放入6號箱內(nèi)，作為制冷劑；將食品一并放入6號箱，如圖5，密封，做為冷凍室． 6號箱內(nèi)除了放入4瓶200毫升營養(yǎng)快線制冷劑外，還可放入10個小布丁，一個奶杯；根據(jù)個人的喜好，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號泡沫盒放入3號泡沫盒內(nèi)的右側，如圖6所示，左側放置3瓶易拉罐啤酒，每個容積350毫升、一瓶330毫升的制冷劑、一瓶330毫升的冷藏水，6號盒密封后放在3號盒內(nèi)，做為冷凍區(qū)，而3號盒內(nèi)剩余區(qū)域則為冷藏區(qū)，在圖6中，6號盒子的側面還可以放上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8 h后，打開泡沫盒，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驗中冷凍食鹽水的保存問題，而且這教具還可以廣泛適用于車用、家用、郊游、醫(yī)用(疫苗運輸?shù)?、運輸(海鮮產(chǎn)品等)、運動等領域．通過此活動，極大的激發(fā)了學生“學物理、用物理”的熱情，培養(yǎng)了學生的動手能力．

3基于物理學史——再現(xiàn)世界上最早的電動機

物理課程標準明確指出，“物理學不僅含有探索大自然的知識成果，而且含有探索者的科學思想、科學方法、科學態(tài)度和科學精神等”[4]．探索者們所用的實驗儀器直接體現(xiàn)出當時的物理學和社會發(fā)展水平．他們使用的實驗器材正是體現(xiàn)探索者的科學思想和科學方法的重要載體．目前的自制教具一般側重教學中遇到的困難，針對性較強，而基于物理學史的教具開發(fā)則幾乎是一片空白．筆者仍然以食鹽水為例，再現(xiàn)世界上最早的電動機[5]．

1821年英國科學家法拉第首先證明可以把電力轉變?yōu)樾D運動，導電液體為水銀．本教具巧用食鹽水代替水銀，利用生活及實驗室中的一些簡單用品，使得世界上最早的電動機模型得以再現(xiàn)，現(xiàn)象直觀明了．

(1)制作材料．1.25 L透明大飲料瓶一個，330 ml小塑料瓶1個，細漆包線，牛奶吸管，圓形磁鐵，電池4節(jié)，導線3根，開關1個，食鹽，鋁皮．

(2)制作方法．

1)如圖7，將大飲料瓶側壁靠近底部約5 cm處開一個10 cm×10 cm的孔；

圖7　用簡易器材制成的電動機

2)將瓶蓋中心挖一小孔，使牛奶吸管能夠緊湊穿過；

3)將一根細銅絲從牛奶吸管中穿入瓶中，露出吸管，并彎成一個小鉤；

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

5)將強磁體放入大飲料瓶內(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的銅絲作為電動機的兩個接線柱，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面開口處沿雪碧瓶內(nèi)壁緩緩倒入其中，把細漆包線從開口處伸入，并與上方的掛鉤掛好．

3)從雪碧瓶口調(diào)整瓶內(nèi)下端細漆包線浸入食鹽水中的深度，約為2 cm，并大體位于瓶內(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，可見下端的細漆包線在食鹽水中繞著圓形磁體轉動．

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

通過自制教具，再現(xiàn)一段歷史．從教具及其相應實驗中去體會探索者的科學思想、科學方法、科學態(tài)度和科學精神，這不正是新課程標準提倡而現(xiàn)實教學過程中常常缺少的維度嗎？

綜上所述，以上所舉3個案例，以食鹽水為核心器材(資源)，分別從概念規(guī)律建立、綜合實踐活動開發(fā)、物理學史再現(xiàn)等3個典型角度進行了自制教具系列化的呈現(xiàn)．其實，自制教具系列化，不但可以根據(jù)某一核心器材(資源)進行系列化，而且還可以從知識層面對某一章節(jié)、板塊進行系列化，根據(jù)學生的個性特點進行系列化或者根據(jù)物理學史進行系列化等等．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于“學”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一步研究討論．

參 考 文 獻

1蘇科版物理8年級(上冊).南京：江蘇科學技術出版社，2014.39～41

2吳小兵，王秀玲，張耀生.巧用食鹽水改進冰熔化實驗．物理通報，2011(3)：48

3王秀玲，吳小兵.巧用食鹽水自制手提冰箱．實驗教學與儀器，2012(6)：46

4物理課程標準(2011版).北京：北京師范大學出版社，2012

5左卷健男.趣味物理實驗(下冊).北京：中國民族攝影藝術出版社，2005.163