淺談中學物理自制教具的開發(fā)

王理想

（新疆師范大學附屬中學，新疆 烏魯木齊 830054）

1 自制教具開發(fā)現(xiàn)狀背景

隨著教學改革的不斷深入，教育部頒布的《物理課程標準》涉及教育思想、人才培養(yǎng)模式、教育內容和教學方法等方面的改革，也對中學物理實驗提出了更高、更新的要求.目前，中學物理實驗教學所需的常規(guī)實驗器材配置相對齊全，DIS實驗室的建立更是為實驗教學帶來了活力.傳統(tǒng)的實驗和先進的科學技術相結合給實驗教學帶來便捷、直觀、實時、準確等特點，同時也促使學生了解先進的科學技術、獲得科學的學習方法、形成正確的學習態(tài)度，促進了實驗教學的改革.但是，在實際教學中，教師為了讓物理實驗回歸物理探索的本義、切實提高課堂教學的有效性、解決教學中的重難點、探索實驗課堂探究多樣化教學方式，會面臨出現(xiàn)實驗器材缺乏或不足的現(xiàn)象、實驗器材放不進教室、改教師演示實驗為學生探究實驗等問題.解決這些問題的有效途徑之一就是自己動手、就地取材大力開展自制教具活動.

《物理課程標準》提出開發(fā)實驗室的課程資源，倡導利用日常器具做實驗.實驗室的課程資源不僅限于實驗室的現(xiàn)有設備，學生身邊的物品和器具也是重要的實驗室資源.新課程所表現(xiàn)出的綜合化、生活化、整體化和情景化等特點也對教師提出了更高的要求，同時把學生能力的培養(yǎng)融入實驗教學之中，實驗教學的改革自然要從物理實驗教學開始，因此教師只有用心探索、悉心教研，制作精良、實用的教具來彌補現(xiàn)用教材和教具的不足；突破實驗條件制約，推進物理教學的改革.正如著名科學家李政道博士在參觀一所中學時曾經說過“自己做的儀器永遠比買來的好”，設計制作相應的教學實驗設備已成為新課程實施和完成上述改革的必然內容和必要條件.

2 自制教具開發(fā)目的和意義

自制教具往往構思巧妙、結構簡單，有利于學生動手，學生可以清楚了解其結構和原理及實驗現(xiàn)象的觀察；結合實踐設計相應的自制、仿制或創(chuàng)新演示實驗對物理過程進行演示，使物理過程展現(xiàn)在學生的面前，形象直觀，學生一看就明白，正如我國著名物理教育家朱正元教授所說：“對于物理概念、物理規(guī)律等一些理論性的東西，往往是千言萬語說不清，一看實驗就分明”.多年來，在自制教具開發(fā)方面，許多教師都做了有益的研究和探討.

（1）促進儀器完善、實驗室建設.自制教具作為一種教學科研成果，反映時代技術特點，凝聚了一線教師的智慧.把優(yōu)秀的作品和做法推廣到廣大教師中去，在教育教學改革中發(fā)揮出作用，促進教學儀器完善；另一方面，還存在學校因財力不足，實驗室建設不達標，原有的教學器材滿足不了教學的需要或滯后于時代發(fā)展，這樣許多實驗需要師生共同開發(fā)自制教具，促進了實驗室建設.

（2）促使物理實驗回歸物理探索的本義，提高教學質量，有助于突破教學中的重難點.自制教具直觀化、形象化、易操作的特點，使得教師借助自制教具講解比較抽象的物理知識時，可以將復雜的問題簡單化，簡單的問題趣味化，趣味的問題藝術化；改善實驗效果，最大限度地重現(xiàn)自然界中的物理現(xiàn)象，通過實驗來喚醒沉睡在學生頭腦中對自然現(xiàn)象的記憶.把自然現(xiàn)象、生活實際和課堂教學融合起來.

（3）培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和科技意識，有利于學生成為教學的主體.絕大多數(shù)教具不是簡單的儀器仿制，要經過一定的思考、創(chuàng)意、構思和設計，需要具有創(chuàng)新意識.在自制教具的活動中，也可引導、啟發(fā)學生研制教具，設計實驗，通過“做中學”去貫徹“從生活走向物理，從物理走向社會”的理念，自然深化了實驗教學的內涵，還給學生成為教學主體提供了機會.正如溫家寶同志在視察學校時曾經指出？“學生從小不僅要學會動腦，還要學會動手.過去教育的毛病就是把手、腦分離.我們培養(yǎng)的學生將來不僅要有知識，更重要的是要用這種知識去解決世界上的問題，這就要養(yǎng)成動腦和動手相結合的習慣.”

（4）提升教師綜合素質和科研能力，促進教師專業(yè)成長.作為一名教師，自制教具能力應當是一項基本功，自制教具需要教師擁有創(chuàng)新的活力、扎實的理論知識、嫻熟的制作技能、堅強的意志等.教師在自制教具過程中，一方面領悟了物理教具研制的基本原則和基本技能，另一方面又可以促使教師深入鉆研課程標準，認真分析教材，明確教學的重難點.所以教師必須刻苦學習，增長多方面知識，并最終實現(xiàn)提高教師科研能力的目的.

3 自制教具開發(fā)思路和內容

自制教具是一種個性化創(chuàng)新活動，是推進實驗教學改革，全面實施素質教育的有效途徑.自制教具設計思路應來源于生活并服務教學，讓學生感知到我們在物理的世界中，提倡和推廣“壇壇罐罐做儀器，因陋就簡做實驗”，注重科學探究，提倡實驗教學方式多樣化.自制教具同時需在8個方面綜合考慮：在功能上具有需要性；在原理上具有創(chuàng)新性；在現(xiàn)象上具有差異性；在結構上具有簡潔性；在感觀上具有藝術性；在造價上具有低廉性；在制作上具有容易性；在操作上具有方便性.

科研課題大多來源于生活和教學實踐，研究者要善于觀察思考、鉆研課程標準和新教材，善于從教改的實際需要和生活實踐中發(fā)現(xiàn)和捕捉新課題.課題的選擇應充分發(fā)揮參與者（教師）的優(yōu)勢和專長，選題大小、難度應適中，做到先小后大、先易后難.設計方案又得在教學實踐中趨于完善和合理，因此要求研制者要有耐心和恒心，要有不怕失敗的思想準備.

3.1 從教改的實際需要和教學實踐中發(fā)現(xiàn)尋找課題

如自感現(xiàn)象演示裝置制作（如圖1）.

3.1.1 實驗說明

“互感和自感”教學中采用如圖2和圖3所示的電路圖教具，演示通電自感和斷電自感實驗.

演示通電自感、斷電自感分別在兩個不同的電路中進行，如果用圖1電路做斷電自感實驗，眼睛觀察不到實驗現(xiàn)象，容易帶給學生概念理解、規(guī)律探究導向性錯誤.電路中不能直觀地觀察到自感電動勢產生感應電流的方向.經過實踐，在圖1電路中置入發(fā)光二極管，即可彌補以上的缺點且制作簡單.

圖1

圖2

圖3

3.1.2 制作材料與方法

塑料泡沫板一塊（不用的宣傳標語底板）、電位器2只、小燈泡座2個、小燈泡2只、電感線圈1個、開關1個、發(fā)光二極管50個，干電池5－6節(jié)、導線若干.先在塑料泡沫板表面粘上一層白紙，按圖1在白紙上畫好電路，仔細扎上發(fā)光二極管.再將元件安裝連接好.

3.1.3 實驗操作與現(xiàn)象

通電自感：閉合開關S，調節(jié)電位器，使2小燈泡A1、A2正常發(fā)光，亮度大致相同，支路D2、D4發(fā)光二級管發(fā)光顯示出電流方向（如圖4）.斷開開關S，再閉合開關S瞬間，即可觀察到小燈泡A1相對小燈泡A2發(fā)光延時現(xiàn)象，同時支路D2、D4發(fā)光二級管發(fā)光顯示出電流方向.可知電流瞬間增大使電感線圈L中產生了左正右負的自感電動勢阻礙流過小燈泡A1電流.

圖4

圖5

3.2 以人教版教材課后習題、教材閱讀材料為課題性問題設計演示實驗、制作教具

圖6

如旋轉的液體裝置制作（如圖6）.

3.2.1 實驗說明

該實驗利用液體的旋轉來顯示洛倫茲力的存在，學生能夠自行操作并觀察實驗現(xiàn)象，實驗教學的效果顯著.通電后，導電液體內陰陽離子定向移動形成電流，處在磁場中的離子受到洛倫茲力的作用，根據(jù)左手定則，陰陽離子受到同方向的力，從而帶動器皿中的液體旋轉起來.

3.2.2 制作材料與方法

金屬器皿深1.5cm左右一個（裁剪金屬易拉罐）、干電池3～4節(jié)、導線若干、銅條1根、蹄形磁鐵1個、硫酸鉀溶液、可懸浮在液體表面的小顆粒一些（可選木材鋸末）.將配置好的硫酸鉀溶液倒入金屬器皿內，撒上少許鋸末，手持銅條，連接好電路（如圖6）.

3.2.3 實驗操作與現(xiàn)象

用一次性紙杯將水倒人金屬器皿中，再將硫酸鉀適量溶解在水中，按圖6所示裝置連接好電路.將一頭彎曲的銅條放人器皿中心，可以觀察到銅條周圍有氣泡產生同時，即可看到鋸末在液體中旋轉.現(xiàn)象有趣，安全，無副作用.既可用于驗證性實驗，也可用于探究性實驗，大大地激發(fā)了學生的科學探究熱情和創(chuàng)作熱情.

3.3 以解釋生活中的物理現(xiàn)象為課題制作演示儀器

如模擬雷電現(xiàn)象和避雷針原理裝置制作（如圖7）.

3.3.1 實驗說明

雷電是自然界中宏偉壯觀的景象.通過實驗揭開了雷電神秘的面紗，證明了雨中的雷電和實驗室中產生的電具有相同的性質，即雷電就是一種放電現(xiàn)象.對于避雷針的使用，學生對避雷針的避雷現(xiàn)象沒有親眼目睹，不能真正的理解其原理.為了讓學生親身觀察感受到生活中的自然現(xiàn)象，制作實驗裝置.

3.3.2 制作材料與方法

靜電高壓電源、兩圓形平行金屬板、兩絕緣支架、帶兩個鐵夾鐵架臺、導線若干.按圖7安裝好，將靜電高壓電源兩極分別接在兩金屬板的邊緣.

3.3.3 實驗操作與現(xiàn)象

圖7

圖8

模擬雷電現(xiàn)象：接通電源，兩金屬板間形成火花放電，可聽到噼啪聲，并看到火花（如圖8）.若看不到火花，可繼續(xù)調大電壓或適當減小兩金屬板間的距離.演示完畢后，關閉電源.

避雷針原理：在圖8兩金屬板之間放一塊浸了酒精的脫脂棉球，再放入一枚圖釘，調整棉球的形狀分別高于、低于圖釘各一次.接通電源，發(fā)現(xiàn)棉球高于圖釘實驗中，棉球被電火花點燃（如圖9）.棉球低于圖釘實驗中，棉球沒有被點燃（如圖10）.

圖9

圖10

圖11

3.4 改進、創(chuàng)新現(xiàn)有的實驗器材、實驗方案為課題

如改進 “探究功與速度變化的關系”（如圖11）.

3.4.1 實驗說明

人教版高中物理新課標·必修2，引入“探究功與物體速度變化的關系”實驗，通過實驗探究對原來靜止的物體做的功與物體獲得的速度的關系，目的是為了讓學生經歷和體驗探究的過程，提高理論聯(lián)系實際的水平.DIS實驗系統(tǒng)使用提高了物理實驗課堂探究效率裝置簡單，易于操作，且重復性強可轉變學生的學習方式、提高實踐能力、培養(yǎng)創(chuàng)新精神.經教學實踐，本實驗改進方案實驗效果良好，大大提高了實驗效率.

3.4.2 制作材料與方法

DIS實驗系統(tǒng)、鐵架臺、彈簧、米尺，按圖11安裝實驗器材，實驗中用彈簧的彈力拉動小車做功使小車獲得動能，探究彈簧的彈力做的功與小車速度變化的關系.

3.4.3 實驗操作與現(xiàn)象

3.5 利用優(yōu)秀自制教具實例方案為課題，仿制教具

如靜電除塵演示儀器的制作（圖12）.

圖12

3.5.1 實驗說明

靜電除塵是靜電最重要的應用.是給學生展現(xiàn)物理理論在實踐中的應用的極好的例子.靜電除塵技術常用于以煤為燃料的工廠電站等單位主要用于收集煙氣中的煤灰和粉塵等.靜電除塵的基本原理是利用高壓電源產生的超高電壓在金屬圓筒與金屬線之間形成高壓電場，將空氣電離為正離子和電子在奔向正極的過程中遇到塵粒、塵埃，從而使塵粒、塵埃帶負電，帶負電的塵粒、塵埃，則會在電場力的作用下被吸附到帶正電的金屬圓筒上，然后在重力的作用下下落到煙筒的底部，從而達到靜電除塵的目的.

3.5.2 制作材料與方法

靜電高壓電源、圓形平行金屬板1個、絕緣支架1個、帶鐵夾鐵架臺、5cm長鐵釘1個、一次性紙杯1個、蚊香若干、導線若干.5cm長鐵釘穿過紙杯底部，按圖12安裝好.

3.5.3 實驗操作與現(xiàn)象

調節(jié)好金屬板與鐵釘尖端間距5cm左右.將點燃的蚊香放在它們之間.接通電源，蚊香產生的煙被金屬板吸附；若斷開電源，煙又裊裊上升.

教育事業(yè)的不斷發(fā)展對教學儀器的需求沒有止境，所以自制教具的研究就沒有止境；教育改革的發(fā)展離不開教具，只會對自制教具提出更高的要求，而教具的發(fā)展只有更好沒有最好.自制教具活動集動手動腦、創(chuàng)新實踐、知識科學于一身的特點，必在素質教育、創(chuàng)新教育、實踐教育領域發(fā)揮其特殊的作用.我們教師要持之以恒，堅持不懈，一定會使自制教具活動開展越來越好，為全面推進素質教育服務，為發(fā)展我國的教學儀器事業(yè)作出新的、更大的貢獻.

1 錢曉.自制教具在物理教學中的應用［J］.物理教師，2014（6）：46－48.

2 林瑞漢.在物理教學中做一個有心人——談談教具的制作［J］.物理教師，2012（4）：16－17.

3 黃樹清，陳美玲.物理概念與規(guī)律教學教具研制與應用［J］.物理教師，2013（10）：42－44.

4 李天順.第七屆全國優(yōu)秀自制教具評選活動頒獎大會上的講話［EB/OL］.［2009－12－13］.http：/www.fjzzjy.gov.cn/newsInfo.aspx？pkId＝67431

5 朱正元.加強物理實驗，提倡自制教具［J］.人民教育，1978（1）.

6 張軍鵬，李德安，全漢炎.高中物理趣味實驗［M］.廣州：廣東教育出版社，2011：68－74.

7 王理想.“探究功與速度變化的關系”實驗的改進［J］.實驗教學與儀器，2014（1）.

8 王理想.“探究功與速度變化的關系”教學設計［J］.物理教學探討，2014（1）.

9 王理想.自感現(xiàn)象演示裝置改進［J］.物理教師，2014（4）.