自制教具在物理教學(xué)中的運用

摘 要：在初中物理教學(xué)中，探究晶體熔化規(guī)律的實驗通常會選用海波作為實驗材料。然而，在實際教學(xué)過程中，往往會因?qū)嵝圆詈褪軣岵痪鶆虻葐栴}，導(dǎo)致實際繪制的海波熔化過程溫度曲線與理論曲線存在較大差異。本研究采用Arduino開發(fā)板、振動電機、溫度傳感器等元件自制了一款新型教具，并在實際教學(xué)中用此教具對“海波的熔化”實驗進(jìn)行了改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：海波熔化實驗改進(jìn)；溫度傳感器；自制教具。

1 問題來源

目前，很多初中物理教材中都提到了使用海波（硫代硫酸鈉）進(jìn)行探究晶體熔化規(guī)律的實驗。這些教材普遍建議采用水浴加熱方式以確保海波受熱均勻，如圖1所示。然而，在實際教學(xué)中，如果完全按照教材中的裝置和步驟操作進(jìn)行實驗，往往難以得到與理論相符的結(jié)論。以下是導(dǎo)致這種情況的幾個原因。

原因1：海波導(dǎo)熱性差，導(dǎo)致試管壁上的海波往往最先熔化，內(nèi)外海波熔化不同步。

原因2：實驗室使用的溫度計精確度不高，分度值為1℃，不能精準(zhǔn)反應(yīng)溫度的變化。

原因3：隨著海波熔化，液面下降，溫度計玻璃泡未能浸沒在液態(tài)的海波中，玻璃泡未與“固液共存”狀態(tài)下的海波充分接觸，［1］導(dǎo)致無法準(zhǔn)確地測定出對應(yīng)的溫度。

原因4：在水浴加熱的過程中，為了解決海波受熱不均勻的問題，可以使用玻璃棒或改良的螺旋細(xì)鐵絲圈進(jìn)行攪拌。然而，由于試管口徑較窄，攪拌操作較為困難，這通常導(dǎo)致無法達(dá)到預(yù)期的攪拌效果。［2］

原因5：人工記錄溫度時容易產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致溫度數(shù)據(jù)與對應(yīng)時間不匹配。此外，由于該實驗耗時較長，人工實時記錄常常會影響上課進(jìn)度。

基于以上問題，作者使用Arduino開發(fā)板制作了一款電子溫度計。通過新增振動器和限位器解決了海波受熱不均勻和溫度計接觸不充分等問題，從而顯著提高了實驗的精確度。這一改進(jìn)不僅有助于學(xué)生更好地理解和驗證理論知識［3］，而且減少了人工干預(yù)和測量誤差，進(jìn)一步增強了實驗教學(xué)的效果。

2 教具制作

2.1 所需器材

Arduino開發(fā)板、數(shù)據(jù)傳輸線、DS18B20溫度傳感器模塊、OLED液晶顯示屏、開關(guān)、振動電機模塊、電阻、面包板、限位模塊、橡皮筋、亞克力板若干、連接線若干。

2.2 搭建器材

圖2展示了自制教具模型的簡圖。該教具模型主要由控制模塊、振動模塊、溫度采集模塊三部分構(gòu)成。

2.2.1 控制模塊

控制模塊的核心是Arduino開發(fā)板，它與電源、開關(guān)以及液晶顯示屏等組件一起構(gòu)成了整個裝置。Arduino開發(fā)板的主要功能是采集溫度傳感器模塊實時測得的溫度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸至電腦端。同時，它還將實時溫度數(shù)據(jù)顯示在液晶顯示屏上，使學(xué)生能夠直觀地觀察溫度的變化過程。該模塊的設(shè)計旨在增強實驗的可視化效果和數(shù)據(jù)精確度。［4］

2.2.2 振動模塊

振動模塊由電動機、偏心輪和固定外殼等部件組成。該模塊采用電機振動來替代傳統(tǒng)的人工攪拌，有效減少了人為操作可能導(dǎo)致的誤差。此外，通過振動模塊的作用，使晶體的熔化能夠更加均勻，從而進(jìn)一步提高溫度測量的準(zhǔn)確性。

2.2.3 溫度采集模塊

溫度采集模塊（如圖3所示）由溫度傳感器、一個限位裝置1和兩個限位裝置2組成。這些限位裝置的作用是將溫度傳感器固定在特定位置，以避免傳感器與試管內(nèi)壁及試管底部接觸。所有限位裝置均采用橡膠材質(zhì)，這樣不僅起到了限位的作用，還能夠減輕傳感器的振動，進(jìn)一步提高了測溫的穩(wěn)定性。

3 實驗步驟及改進(jìn)效果

3.1 實驗步驟

3.1.1 研磨海波

由于海波在空氣中易被氧化，應(yīng)將海波晶體包裹在紙中，然后研磨成粉末狀。這樣做不僅有助于海波受熱更加均勻，還可以縮短實驗所需的時間。

3.1.2 安裝溫度傳感器

將溫度傳感器插入試管中，位置應(yīng)靠近試管底部，以確保傳感器能夠準(zhǔn)確采集到固液共存狀態(tài)下的溫度數(shù)據(jù)。

3.1.3 安裝振動電機

使用橡皮筋和掛鉤將振動電機固定在試管口附近，通過電機的振動使海波受熱更加均勻，同時也避免了繁瑣的人工攪拌過程。

3.1.4 搭建裝置

根據(jù)實物圖（如圖4所示）搭建實驗裝置。將Arduino開發(fā)板連接到計算機，并通過數(shù)據(jù)傳輸線傳輸實時數(shù)據(jù)，然后打開相應(yīng)的操作界面以監(jiān)測溫度變化。

3.2 改進(jìn)后的優(yōu)勢分析

將溫度傳感器實時收集到的海波熔化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為熔化溫度曲線，如圖 5所示，經(jīng)過多次重復(fù)實驗，實驗結(jié)果依然很穩(wěn)定。結(jié)合實驗過程，我們可以分析得出改進(jìn)實驗的如下優(yōu)勢。

第一，在教材中原有的裝置基礎(chǔ)上增加了一個偏心振動裝置。該裝置通過穩(wěn)定的高頻率振動，有效地促進(jìn)了海波均勻受熱。相比傳統(tǒng)的人工攪拌方式，這個偏心振動裝置增加了有效碰撞的次數(shù)，從而使受熱更均勻。同時，使用這個裝置也降低了實驗操作的難度，讓實驗過程更加輕松。

第二，在普通試管中引入了限位器。其主要作用是防止溫度傳感器的探頭觸碰到試管的側(cè)壁和底部。同時，隨著海波的熔化，限位器也會在重力的作用下自動下降，以確保傳感器能夠準(zhǔn)確測量到處于固液共存狀態(tài)下的海波的溫度。這個限位器的設(shè)計大大提高了實驗的準(zhǔn)確性。

第三，相比于教材中的活動步驟——“待溫度升高到40℃，每隔0.5min記錄一次溫度”，采用Arduino開發(fā)板自制的電子溫度計可以實現(xiàn)每5s（時間間隔可根據(jù)需求自由設(shè)定）將溫度實時顯示在液晶顯示屏上，并將采集到的實時溫度傳輸至電腦端，以生成熔化過程的圖像。通過這些圖像，我們能夠直觀地觀察到海波熔化過程中存在一個平穩(wěn)的階段。這一階段的溫度保持在47～48℃之間，持續(xù)時間約為3min，這與理論預(yù)期相符。這個改進(jìn)提高了實驗的精確性和可視性。

第四，與傳統(tǒng)實驗室溫度計（分度值為1℃）相比，溫度傳感器（分度值為0.01℃）具有更高的測量精度，能夠更精確地測量溫度，更貼近實際情況。這一改進(jìn)提高了實驗數(shù)據(jù)的精確度，有助于更準(zhǔn)確地分析和理解熔化過程中的溫度變化。

4 結(jié)語

根據(jù)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）的要求，信息技術(shù)與物理教學(xué)的融合非常重要。［5］同時，《課程標(biāo)準(zhǔn)》還鼓勵教師積極參與自制教具、改進(jìn)和開發(fā)新實驗的工作。［6］

在這一背景下，筆者結(jié)合自身的教學(xué)經(jīng)驗和前人的研究成果，對已有的實驗裝置進(jìn)行了深入分析，并通過自制教具改進(jìn)了實驗裝置。這些改進(jìn)使得原本較為繁瑣的實驗操作變得更加簡單，同時也使實驗效果更加直觀。將信息技術(shù)與物理教學(xué)相融合的過程，不僅提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量［7］，還展示了教師在信息技術(shù)和教育領(lǐng)域積極探索與實踐的成果。

參考文獻(xiàn)

［1］蔡啟仙.海波熔化實驗的兩點改進(jìn)［J］.物理教師，2007，28（10）：31-32.

［2］李臣.海波熔化實驗失敗原因與成功改進(jìn)［J］.中學(xué)物理（初中版），2018，36（5）：17-19.

［3］張偉，羅星凱.物理自制教具及其實驗的獨特教育功能探究［J］.物理教師，1995（6）：1-3.

［4］孟湘蓮.利用DIS改進(jìn)海波熔化實驗［J］.物理教學(xué)，2021，43（4）：24-25.

［5］［6］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：43，55.

［7］沙琦波，陳心怡.核心素養(yǎng)導(dǎo)向下信息技術(shù)與初中物理教學(xué)的融合探索——以“物體的內(nèi)能”為例［J］.物理教師，2022，43（3）：40-43.