陳惠祥 楊果仁 羅丹金 周雪蓮 楊 蕾

（成都師范學院物理與工程技術學院 四川 成都611130）

中學物理是一門以觀察和實驗為主的科目，物理實驗是開展物理教學的重要手段和有效補充，自制教具作為物理實驗的輔助工具，在中學物理課堂教學中有著舉足輕重的地位。自制教具能將抽象的物理現(xiàn)象形象化、直觀化，將枯燥的物理知識生活化、趣味化，降低學生學習物理的難度，從而提高物理課堂教學效果。

1 新時期師生自制教具的價值分析

隨著教育技術的不斷革新和進步，倡導利用身邊簡單工具自制教具，目的是形象直觀解決物理教學中的重點和難點問題，教師用學生最熟悉的小物件做實驗，得到學生意想不到的實驗結果，既能激發(fā)學生的學習興趣，又讓學生認識到物理知識就是自己身邊的一些簡單的現(xiàn)象，是自己可以認識和探究的，這對激發(fā)學生自己動手的欲望有很大的幫助。自制教具是開拓社會主義新型教育模式的一個重要方面，是為了創(chuàng)新教育和實踐教育的需要，提高物理課堂效果，為了素質教育能力的發(fā)展，教師和學生一起常規(guī)性地進行自制教具[1]。

1.2 有利于培養(yǎng)學生的探究、動手、創(chuàng)新能力。自制教具的過程也是探究學習的過程，一般通過小組合作學習開展教具的制作，在合作學習中學生主動參與，積極交談，努力探索，有利于促進學生探究能力的培養(yǎng)。自制教具需要小組成員一起動手，制作過程中遇到困難一起克服，當遇到出乎意料的情況時，要集思廣益解決問題，培養(yǎng)了學生的應變能力與問題解決能力以及團隊合作精神。一個自制教具是許多物理知識的共同體現(xiàn)，并且一個教具上可能存在一種或多種物理模型，學生在進行教具設計時，有利于加深對知識的理解，有利于培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

1.3 有利于建立良好的師生關系。教師用自制教具進行演示實驗或讓學生自制教具，均會提高學生的積極主動性，使學生教師一起參與互動課堂，營造了輕松、融洽、民主的課堂氛圍，增進了師生之間的情誼，有利于實現(xiàn)“教學相長”。

1.4 有利于打造精彩課堂。在物理教學中教師大多使用現(xiàn)有的工業(yè)儀器教具。著名的卡文迪許實驗室，以自制教具為優(yōu)良傳統(tǒng)，其創(chuàng)始人麥克斯韋說：“實驗的教育價值往往與儀器的復雜性成反比，學生用自制的儀器，雖然經(jīng)常出毛病，但它卻比用仔細調整好的儀器學到更多的東西，仔細調節(jié)好儀器，學生易于依賴，不敢拆成零件”。利用身邊現(xiàn)有物品制作教具，一方面可讓課堂更生動直觀，另一方面也便于學生課后自主操作，提高動手能力。

課堂的精彩程度還與學生的參與度有關。判斷一堂課的教學質量，學生參與度是最顯著、最直觀的體現(xiàn)。一堂精彩的物理課能吸引學生的注意力，將學生游離的思緒及時拉回課堂，讓學生愛上學習，樂于學習。課堂的精彩程度還與教師授課方式有關。傳統(tǒng)授課方式大多為教學講、學生聽[3]。單純的教師講，使得教學過程變成像“流水線”作業(yè)般機械重復，教師就像重復加工的機器，學生像流水線的產(chǎn)品，他們之間的關系機械、簡單，是加工與被加工之間的關系。長期下去，不僅使學生感到枯燥乏味，喪失學習的積極性，也會讓教師失去熱情。以自制教具為突破口，改變傳統(tǒng)的授課方式，讓學生參與到教具制作過程，其自我價值感增強，自信心提高，更能發(fā)揮潛能，激發(fā)學習興趣。

2 自制教具優(yōu)化物理課堂教學的具體表現(xiàn)

2.1 激發(fā)學生的學習積極性。自制教具一般用仿制法、組合法、改造法進行制作，因其自身具有知識性、趣味性，會吸引學生主動參與制作，制作完成后產(chǎn)生的成就感也會使學生對物理知識產(chǎn)生濃厚的興趣，增強學生的學習自信，使其樂于參與物理學習活動。因此，自制教具的開發(fā)與制作能夠激發(fā)學生的學習熱情，發(fā)展學生自主探究、合作學習的能力，是學習物理知識的重要途徑[2]。

2.2 促進學生獲得豐富的學習體驗。自制教具一般是由小組一起共同完成，可以帶給學生小組合作的學習經(jīng)驗；自制教具會更加直觀，并且聯(lián)系生活，可以帶給學生與生活有關的直接經(jīng)驗；自制教具制作靈活，不應拘泥于教材，具有趣味性，可以強化學生對理論知識的學習；自制教具創(chuàng)新性強，不局限于使用特定儀器，取材可來自于生活常見物品，帶給學生知識貼近生活的感受；自制教具打破學生對知識的思維定式，可通過新穎的教具來改變學生對舊教具的厭倦，改變學生的固定思維，培養(yǎng)學生的成長型思維[3]?？傮w而言，使用自制教具有利于學生理解更加透徹，讓學生敢于大膽探究，促進學生獲得豐富的學習體驗。

2.3 通過自制教具強化理論知識的教學。根據(jù)物理知識有針對性的自制教具，讓抽象難理解的理論變得直觀易懂。大多數(shù)物理規(guī)律源自科學家的特殊試驗，物理實驗為學生認識物理規(guī)律提供了感性基礎，對于較難的物理理論知識教師可用自制教具來幫助理解，教師充分利用好自制教具，上“活”物理課，讓學生親身感受知識產(chǎn)生的過程。

為了保證地鐵軌道基標的精準度，要提高現(xiàn)場測量的技術，做好復測工作。組織安排基標復測工作時，要組織專業(yè)水平較高的人組成團隊進行測量。進行測量前要保證測量的精準度符合地鐵軌道項目的特點和施工方法，同時根據(jù)測量的距離合理安排路線和工作。

3 基于自制教具的精彩物理課堂教學設計

3.1 利用波義耳—馬略特定律自制粗略測量大氣壓強教具?，F(xiàn)有的粗測大氣壓強的教具中所用儀器主要是制作好的氣壓計，這種儀器的優(yōu)勢在于方便學生直觀的“讀出”大氣壓強，但是學生并不能理解其工作原理，也很難弄清楚大氣壓強產(chǎn)生的實質，學生學完這一節(jié)往往會出現(xiàn)“只知其果，不知其因”的現(xiàn)象?；谶@種情況，在此設計一款針對學生學習的大氣壓強測量教具，幫助學生理解大氣壓強，加深學生對大氣壓強的認識，最后對教具進行改進，使之成為一個簡易的測力計。

3.1.1 所需器材。封口針筒、鉤碼、細線、刻度尺。

3.1.2 具體設計。根據(jù)波義耳—馬略特定律(在定量定溫下，理想氣體的體積與壓強成反比)，現(xiàn)將針筒內注入少量空氣，堵住出口，記下活塞的初始位置，此時針筒內外壓強一致，活塞保持靜止。若在活塞下面掛上一個重物(用鉤碼或已知質量的小物塊)，活塞將向下運動一段距離，然后在大氣壓強差的作用下再次靜止，若能確定掛重物前后活塞的位置、針筒內壁直徑和重物的質量，則根據(jù)波義耳—馬略特定律、受力分析等知識可以推導出該教具所測壓強的表達式。

假設針筒內面積為S，標準大氣壓為P，初始時針筒內空氣的體積為V，掛上質量為M的鉤碼后，活塞自然向下運動直到靜止，此時通過針筒讀出體積為V"，利用刻度尺測出針筒內空氣柱的長度X"。此時對活塞受力分析如圖1：

圖1

則有：△PS=Mg①；根據(jù)波義耳—馬略特定律有：PV=C②；掛上鉤碼后：P"V"=C③；△P=P-P"④。聯(lián)立①②③④解出大氣壓強：P=⑤，⑤式即為該教具的大氣壓強測量計算式，但是考慮到活塞與針筒壁間有著較大的摩擦力，所以對教具的操作進行修改，利用回歸法消除實驗誤差。當掛上鉤碼活塞自然運動到靜止時，活塞有向下運動的趨勢，即摩擦力的方向向上，受力應該如圖2所示：

圖2

根據(jù)受力分析有：△PS+f=Mg⑥。此處的摩擦力是靜摩擦力，想要確定其大小十分困難，所以我們考慮使用回歸法來消除，具體操作為：待掛上鉤碼活塞下滑靜止后，再次人為用力將活塞向下拉動一段距離，松手過后活塞會因為內外壓強差的原因向上運動，最后達到靜止狀態(tài)，但是活塞會有向上運動的趨勢，所以摩擦力的方向向下。受力分析如圖3所示。

圖3

當活塞靜止時，記錄當前針筒內空氣的體積V"，假設此時針筒內的壓強為P""，則：△P"S=Mg+f⑦；P""V""=C⑧；△P"=P-P""⑨。聯(lián)立②③④⑥⑦⑧⑨解得：⑩，⑩式即為消除摩擦后的壓強測量計算公式。

此教具重點在于帶領學生推導大氣壓強計算公式的過程，在此過程中學生有參與到整個實驗的設計中，主動操作和處理問題，最終利用簡單的、生活中常見的器材完成實驗數(shù)據(jù)的收集，計算大氣壓強，帶領學生從物理走向生活，靠近生活。

通過上述分析，發(fā)現(xiàn)該教具不僅可以測大氣壓強，還能作為一個質量測量教具。在上面是利用已知質量的鉤碼來測量大氣壓強，若知道當?shù)氐拇髿鈮簭妱t還可利用此教具進行拉力測量，根據(jù)⑩式可以得出質量的計算公式：

上式即為利用大氣壓強測質量的計算式。

3.2 教具衍生。以上介紹了利用波義耳—馬略特定律制作了簡單的測量大氣壓強的教具，受此啟發(fā)，下面介紹一種測液體壓強的教具。

液體壓強也是中學物理學習中一個十分抽象的概念，老師在給學生推導液體壓強時，首先給出壓強的定義是壓力與面積的比值，接著舉例計算水杯中的水對杯底的壓力，假設杯中水的質量為M，杯底面積為S，水杯中水深h，那么可通過以下步驟推導出液體壓強：水杯中的水對杯底的壓力為F=Mg=ρ液Shg；杯底的壓強即為P=F/S=ρ液gh。

上式推導指向性很強，學生比較容易理解水底的壓強可以用上式計算，但是并沒有涉及到水的其他位置壓強此公式是否適用，大多數(shù)老師就會直接告訴學生上式適用于液體中任何位置壓強計算，但是不少學生明顯會覺得沒有任何的理論和實驗支持，憑什么就可以把上式延伸到液體的任何位置。要消除學生的疑惑，最好的辦法就是做實驗，得出真實數(shù)據(jù)，和理論數(shù)據(jù)進行對比。測液體壓強的教具很少見，大多數(shù)都是購買現(xiàn)成的測壓儀器來測量，但是這種成品用來教學的劣勢在于，學生看不懂儀器的內部結構，不清楚其工作原理，學生的參與程度不高，學生還是處于一種被迫接受的過程。為此，我們設計以下教具，幫助學生理解。

3.2.1 教具所需器材。水槽(水桶)、口底同大的水杯、刻度尺。

3.2.2 具體設計。將水杯倒扣在水面，用力將水杯壓下去，記錄好水杯口到水面的距離h，水杯位置不變，擰好水杯的蓋子，將水杯拿出來，測量水杯的深度X，水杯中水的深度X"。當把水杯壓入水中時，會有水溢進水杯中，最終達到平衡，對水杯的水分析可知，水杯中的水平衡是內外壓強差以及水的重力三者達到平衡狀態(tài)。

對水杯中空氣由波義耳—馬略特定律有：PV=C①；水杯壓入水中后，假設水的體積為△V，P"(V-△V")=C②。聯(lián)立①②解得，水杯壓入水中后，內部氣壓為P"=③；水杯內外平衡時：S+M水g④；化解得到：⑤；考慮到體積測量困難，同時：V=SH⑥。將⑥代入⑤中，化解得到：⑦，⑦式即為液體壓強的計算式，在課堂中只需帶領學生簡單的推導公式，然后實驗得出數(shù)據(jù)X"、X，即可算出此處的液體壓強，再利用公式P=ρ液gh計算此處理論壓強，將兩者對比即可。

上面推導出了液體壓強的計算公式，學生對比理論壓強和實際壓強即可得出在液體中某點的壓強只與此處的深度有關，接著還可以帶領學生利用此教具測量液體的密度，使用方式和上面介紹的一致，液體密度計算式推導如下：

某不知密度的溶液中，其深度為h處的壓強為：P=ρ液gh⑧；聯(lián)立⑦⑧式解得：⑨，其中P是當?shù)卮髿鈮簭?，h是杯口到液面的距離，X是水杯的深度，X"是杯中液體的深度。

上述教具及操作，可以讓學生課后自行完成，指導學生往水中加入食鹽或者其它物質以改變溶液的密度，學生經(jīng)過簡單的教具測出溶液的密度，能大大加強學生的學習興趣和自信心，增加學生的成就感。