吳 釩 魏 萌 羅海軍 王艷偉

(溫州大學(xué)數(shù)理學(xué)院 浙江 溫州 325035)

1 問題的提出

實驗是物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，在中學(xué)物理教學(xué)中實驗教學(xué)既是手段也是目的.實驗教學(xué)在傳授學(xué)生物理概念、原理、解題技巧等方面的效率未必比課堂講授高，有時甚至?xí)ㄙM(fèi)更多時間和金錢，看上去好像“事倍功半”；但學(xué)生從實驗演示中看到的，從實驗探究中得到的，從實驗交流中頓悟的，往往都是學(xué)生畢生難忘的知識與經(jīng)歷.具身在物理實驗探究活動中的學(xué)生，更能獲得對物理科學(xué)知識更本質(zhì)、更深刻、更持久的理解與感悟，更能體會到科學(xué)家探究物理真理的艱辛不易.

實驗教具在中學(xué)物理實驗教學(xué)中扮演著重要角色，教具又包括廠制教具和自制教具兩種.廠制教具專而精，在物理教學(xué)中占主要地位；自制教具廣又新，取材廣泛、制作新穎的自制教具通常作為廠制教具的補(bǔ)充.不可否認(rèn)的是自制教具的測量精確性和樣式美觀性難以與廠制教具相媲美，但自制教具更利于教師個性化教學(xué)，更利于激起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情，增進(jìn)實驗親近感[1].

2 自制教具的特點(diǎn)

物理自制教具是指教師指導(dǎo)、組織學(xué)生自己動手制作能呈現(xiàn)物理原理的實驗器具或指教師在實驗教學(xué)中使用自制的物理器具[2].自制教具主要有以下幾個特點(diǎn).

2.1 天然的趣味性 激趣實驗引入

自制教具有天然的趣味性.自制教具不同于廠制教具的精密嚴(yán)肅，有著自己天然的趣味性，具體表現(xiàn)在：(1)通過自制教具而非靠教師文字描述或是PPT圖片和視頻的形式呈現(xiàn)物理現(xiàn)象，可以將問題直接展示在學(xué)生面前，更加生動直接，形象真實.(2)自制教具選材廣泛，囊括生產(chǎn)生活的方方面面，特別是選取一些學(xué)生生活中常見的物品、材料加以組裝改造，“突?！钡某霈F(xiàn)在物理課堂上時，這其中的不協(xié)調(diào)性常常能引發(fā)學(xué)生好奇心和強(qiáng)烈的求知欲望.(3)自制教具的趣味性還表現(xiàn)在教具演示的實際現(xiàn)象與學(xué)生預(yù)料的結(jié)果不一致.若用學(xué)生更熟悉的自制教具插入課堂，學(xué)生對物理知識的神秘感和畏難情緒會大大減弱從而有著更為積極的課堂表現(xiàn)，對教師提出的問題活躍發(fā)言；然而經(jīng)過教師巧妙改造過的教具的演示現(xiàn)象往往出乎學(xué)生意料，學(xué)生潛在的錯誤前概念得以暴露.

例如，教師可將自制揚(yáng)聲器接入功放輸出音頻即可在課堂上播放音樂，引起學(xué)生注意力，激起學(xué)生探究熱情.

實驗器材：直徑0.2～0.3mm的漆包線，紙盒(或紙杯、紙袋等)，釹鐵硼圓磁鐵，透明膠帶，雙面膠，鱷魚夾等.

教具制作：先在紙盒底部貼上一層雙面膠，將漆包線以一定形狀緊貼在雙面膠上，再用透明膠帶貼牢固定(保證漆包線受安培力振動時能帶動紙盒一起振動發(fā)聲)，最后將漆包線兩引出端刮漆完全.

實驗現(xiàn)象及分析：將磁鐵放在紙盒上(或置于紙盒正下方)，再將漆包線兩引出端接上功放輸出音頻，即可神奇的還原動聽的音樂，如圖1(a)所示.學(xué)生的原理探析在教師引導(dǎo)下從揚(yáng)聲器原理圖出發(fā)，如圖1(b)所示.粘貼在紙盒上的線圈內(nèi)有從功放輸出的音頻交流電信號，線圈在磁場作用下受到安培力而帶動紙盒一起振動，因而完美還原了樂聲.因為頻率決定音調(diào)，振幅決定響度，所以線圈處處產(chǎn)生的聲音音調(diào)一樣只是大小不同罷了.可以看出，飽含趣味性的自制教具特別適合在教學(xué)引入環(huán)節(jié)使用，可以有效構(gòu)建多樣化教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知欲望.

(a)

2.2 必備的直觀性 改善演示效果

觀察和實驗是學(xué)習(xí)物理的重要手段，因而在物理教學(xué)中演示實驗也是占有重要地位的[3].為改善演示實驗的效果，幫助學(xué)生更為清晰明了地觀察物理現(xiàn)象，直觀性也是自制教具所必備的品質(zhì)之一.

首先，教具的外觀尺寸要有一定的規(guī)格.演示教具面向的是全體學(xué)生，應(yīng)當(dāng)做的盡量大一些，盡可能使全體學(xué)生能夠直觀清晰地看到實驗現(xiàn)象.其次，還應(yīng)變水平面展示為豎直面展示.用作演示實驗的教具要設(shè)法克服重力場的干擾，變水平展示為豎直展示，從學(xué)生視角出發(fā)也能看清實驗現(xiàn)象.最后，實驗演示目的要單一，突出重點(diǎn).教具制作切不可只顧外觀奇異花哨，而忽視了最初的制作目的，一切都要以促進(jìn)課堂教學(xué)效果的改善和學(xué)生有效學(xué)習(xí)的發(fā)生為要義，切不可以教具本身為重，喧賓奪主.

例如，教師可利用自制聲音可視化教具演示聲音的振動現(xiàn)象，改善演示效果.

實驗器材：外徑36mm(內(nèi)徑30mm)的PVC管，激光手電筒，兩塊方形平面鏡，橡皮薄膜，橡皮筋等.

教具制作：在兩端開口的PVC管的一端緊密貼上橡皮薄膜，將輕質(zhì)平面鏡固定在薄膜上，再將PVC管與一帶平面鏡的激光手電筒綁在一起，調(diào)整激光筆上平面鏡的角度，使得激光正好可以經(jīng)兩平面鏡的反射后落在墻上，如圖2(a)所示.

實驗現(xiàn)象及分析：當(dāng)學(xué)生用不同響度和音調(diào)的聲音對著PVC管喊話時，墻上圖案的大小、形狀都會改變，如圖2(b)所示.聲音是由振動產(chǎn)生的，但振動卻不易觀察到.本教具將聲音的微小振動通過光在平面鏡上反射放大照在墻壁上，通過觀察圖案的大小、形狀，明確聲音的響度和音調(diào)，實現(xiàn)聲音的可視化，較好地貫徹了直觀性原則.

(a)

2.3 可親的真實性 鼓勵動手實踐

物理知識來源于生活，又將應(yīng)用于生活.自制教具看似簡陋粗糙卻又蘊(yùn)涵豐富的物理知識，保證親切性的同時不失科學(xué)性，而且其制作過程還能鍛煉學(xué)生的動手操作能力和獨(dú)立設(shè)計能力，育人價值豐厚.

自制教具的真實性具體表現(xiàn)在制作材料真實、制作過程真實和實驗結(jié)論真實.制作材料真實是指在不違背科學(xué)性和美觀性的原則下，教具的制作材料盡量用學(xué)生生活中熟悉的材料為原料，讓學(xué)生倍感親切，放下對物理學(xué)科的“戒心”；制作過程真實指物理教具的制作過程在學(xué)生看來是真實的、可復(fù)制的，要讓學(xué)生也有設(shè)計制作的沖動，積極投入；實驗結(jié)論真實指對實驗事實和結(jié)果的尊重，絕不編造修改真實數(shù)據(jù)，培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的實驗態(tài)度.這正如蘇霍姆林斯基在《給教師的一百條建議中》所說：“讓學(xué)生體驗到一種自己在親自參與掌握知識的情感，乃是喚起少年特有的對知識的興趣的重要條件”.

例如，在學(xué)生學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)現(xiàn)象后，教師可引導(dǎo)學(xué)生自制簡易直流電動機(jī)展示物理學(xué)知識在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用.

實驗器材：直徑0.4mm的漆包線，一號干電池，釹鐵硼圓磁鐵，電池盒，金屬支架等.

教具制作：將漆包線依據(jù)一定形狀(如圓形、矩形、心形等)纏繞若干圈并固定，在漆包線兩端各繞出一個引出端，將兩個引出端絕緣漆一端全刮，另一端半刮，再放置在金屬支架上接入電源，最后將磁鐵置于線圈下方即可制成，如圖3(a)所示.

實驗現(xiàn)象及分析：通電線圈在磁場中會受到安培力的作用，由于線圈兩邊的電流方向相反而磁場相同，所以線圈受到的安培力即可充當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動的動力；由于右引出端絕緣漆半刮，當(dāng)線圈轉(zhuǎn)動半個周期后不受安培力而靠慣性轉(zhuǎn)動，這樣就實現(xiàn)了線圈的持續(xù)轉(zhuǎn)動.此外，若將該電機(jī)稍加變換還可變成一個迷你發(fā)電機(jī)，如圖3(b)所示.去掉電池后，用吹氣筒吹動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動切割磁感線，發(fā)現(xiàn)萬用表電壓擋有示數(shù)，重現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，模擬風(fēng)力發(fā)電，滲透科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

(a)

2.4 適當(dāng)?shù)木C合性 宜于模型建構(gòu)

自制教具還具備適當(dāng)?shù)木C合性.綜合性的自制教具融合了物理學(xué)科各類知識，甚至還包含一些其他學(xué)科的知識，十分宜于學(xué)生模型建構(gòu)能力的培養(yǎng).

自制教具的綜合性具體體現(xiàn)為構(gòu)造綜合和功能綜合.構(gòu)造綜合包括教具所含知識綜合，涵蓋中學(xué)物理力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等分支學(xué)科還包含其他相鄰學(xué)科的若干知識；也指教具體現(xiàn)的物理模型綜合，可由多種物理模型合理組合而成.功能綜合指教具的適用范圍廣，包括教學(xué)內(nèi)容廣泛和教學(xué)情境廣泛，同一教具可在不同知識點(diǎn)的教學(xué)和課堂教學(xué)的不同環(huán)節(jié)重復(fù)使用，做到一器多用.

例如，教師可自制光通信演示教具來演示光通信現(xiàn)象，協(xié)助培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)能力.

實驗器材：手電筒，50 V/100 μF規(guī)格的電容，10 mH規(guī)格的電感，功放，音箱，55 mm和60 mm的太陽能電池板等.

教具制作：將電容、電感和手電筒按圖4(a)所示的調(diào)制電路接好制成光通信手電筒，再將光通信手電筒和功放接在一起構(gòu)成發(fā)射端；將太陽能電池板兩引出端與音箱接在一起構(gòu)成接收端，如圖4(b)所示.

實驗現(xiàn)象及分析：當(dāng)功放和音箱通電且光通信手電筒的光照在太陽能電池板上時，音箱就發(fā)出動聽的音樂；而移走或用障礙物擋住光源時，音箱不發(fā)聲.其工作原理如圖4(c)所示，當(dāng)發(fā)射端將音頻信號通過調(diào)制電路和手電筒將聲音電信號轉(zhuǎn)換為光信號；接收端通過音頻線將太陽能電池板與音箱相接，光信號通過太陽能電池板、音箱等器件實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、電聲轉(zhuǎn)換，最終實現(xiàn)聲音的還原輸出.光通信演示教具成功實現(xiàn)了電光轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和電聲轉(zhuǎn)換，有力地證明了光是可以傳遞能量和信息的，演示現(xiàn)象震撼，具有一定的綜合性，宜于學(xué)生模型建構(gòu)能力的培養(yǎng).

(a)

2.5 一定的創(chuàng)新性 開拓創(chuàng)新能力

最后，自制教具還具備一定的創(chuàng)新性.事實上，利用生活中常見的物品、材料經(jīng)簡單加工設(shè)計，制成自制教具應(yīng)用在課堂教學(xué)活動的各個環(huán)節(jié)中本身就體現(xiàn)了創(chuàng)新性，教師對自制教具巧妙的設(shè)計、獨(dú)到的構(gòu)思時刻都在潛移默化地啟迪、激勵著學(xué)生的創(chuàng)造性思維.

自制教具的創(chuàng)新性體現(xiàn)在許多方面，諸如利用生活廢舊品合理改造反映廢物利用的創(chuàng)造思路；注重生活物品的物理屬性(包括形狀、密度、彈性、導(dǎo)電性、絕熱性等)而非其生活用途，突破功能固著的創(chuàng)造思路；借助同一物品制作不同類型的教具，實現(xiàn)一物多用的創(chuàng)造思路；利用重組、借用、代替、放大等原則對現(xiàn)有教具的不足之處改進(jìn)修正的創(chuàng)造思路等等.

例如，在電磁阻尼現(xiàn)象的演示實驗中，我們通常是讓小磁鐵從等長的鋁管和塑料管中下落作對比實驗演示電磁阻尼現(xiàn)象.雖然此實驗的演示現(xiàn)象對比明顯，但是鋁管是不透明的，無法直觀地觀察小磁鐵運(yùn)動情況.為此，筆者別具新意地自制了電磁阻尼演示教具.

實驗器材：300 mm×300 mm的薄鋁板，500 mm×400 mm的木板，3個釹鐵硼圓磁鐵，鋸子等.

教具制作： 用記號筆在薄鋁板上畫出若干間距均勻的橫線，再用鋸子7在鋁板上沿橫線鋸出若干規(guī)整細(xì)縫，再將鋁板放置在帶邊的木板上.

實驗現(xiàn)象及分析：將3個一樣的圓磁鐵同時同高地從同一傾斜度的有細(xì)縫鋁板、無細(xì)縫鋁板以及木板上靜止釋放，可以清晰地看到3個磁鐵的滑落情況，如圖5所示.學(xué)生據(jù)此不僅可以清晰地觀察到電磁阻尼現(xiàn)象，還可以定性判斷影響電磁阻尼大小的因素并分析3種情況下小磁鐵受力情況和運(yùn)動情況.本教具大膽地將鋁板鋸出若干細(xì)縫的做法對學(xué)生思維的啟發(fā)是大有裨益的，在新穎、巧妙的教具教學(xué)課堂里，學(xué)生的創(chuàng)造精神和開拓精神一定能夠得到有效培育.

(a)

3 設(shè)計制作自制教具的收獲

自制教具應(yīng)當(dāng)成為中學(xué)物理教學(xué)的重要組成部分，教具的制作過程是教師與學(xué)生知識水平、思維素養(yǎng)、實踐能力、創(chuàng)新精神和情感態(tài)度全面參與的協(xié)調(diào)發(fā)展過程.需要注意的是，好的教具是應(yīng)當(dāng)同時具備多種上述特性的，不同的教具甚至是同一個教具也可以出現(xiàn)在課堂的不同環(huán)節(jié)扮演不同的角色；教具的制作也不是一帆風(fēng)順的，需要反復(fù)制作、實驗、修改、研討才能合理應(yīng)用在物理課堂上，這都需要廣大物理教師們開發(fā)應(yīng)用，添彩物理課堂[4].