自制教具提升物理教學(xué)有效性

熊建新

1 自制探究重力勢(shì)能與其影響因素有關(guān)的教具

從認(rèn)知心理學(xué)的角度來(lái)看，人的認(rèn)識(shí)一般是從實(shí)物、圖形到抽象數(shù)字符號(hào)的系統(tǒng)認(rèn)知過(guò)程。物理學(xué)的本質(zhì)是實(shí)驗(yàn)科學(xué)。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程是主動(dòng)的建構(gòu)的過(guò)程。有關(guān)研究表明，初中生的思維發(fā)展仍處于形象思維階段，這是從具體形象思維向抽象思維過(guò)渡的階段。綜上所述，通過(guò)觀察、實(shí)驗(yàn)、探究活動(dòng)幫助學(xué)生建構(gòu)概念，從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律是有效的教學(xué)模式。教學(xué)實(shí)踐也表明，機(jī)械地灌輸概念是低效、徒勞的。動(dòng)能、重力勢(shì)能是中學(xué)物理重要的抽象概念。在動(dòng)能教學(xué)中，人教版（2013版）教材設(shè)置了“探究物體的動(dòng)能跟哪些因素有關(guān)”的實(shí)驗(yàn)，而重力勢(shì)能的教學(xué)，教材通過(guò)打樁機(jī)打樁的例子，用陳述性的語(yǔ)言給出了重力勢(shì)能的定義，重力勢(shì)能的大小與質(zhì)量、高度的關(guān)系。站在教師的角度，筆者認(rèn)為這個(gè)內(nèi)容過(guò)于簡(jiǎn)單，為了追求效率，對(duì)教材照本宣科，學(xué)生的體會(huì)和理解不深刻，只能死記硬背結(jié)論。從落實(shí)三維教學(xué)目標(biāo)來(lái)看，采用探究式教學(xué)是優(yōu)化的選擇。采用探究式教學(xué)也有利于不同層次的學(xué)生獲得相應(yīng)的發(fā)展。重力勢(shì)能探究式教學(xué)的主要步驟為：①通過(guò)生活中的實(shí)例引導(dǎo)學(xué)生猜想重力勢(shì)能的大小跟哪些因素有關(guān)；②引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案（學(xué)習(xí)應(yīng)用控制變量法、轉(zhuǎn)換法）；③進(jìn)行實(shí)驗(yàn)；④引導(dǎo)學(xué)生分析歸納重力勢(shì)能的大小與質(zhì)量、高度的關(guān)系。實(shí)施探究式教學(xué)的關(guān)鍵是做好實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，學(xué)生經(jīng)歷知識(shí)的形成過(guò)程，對(duì)重力勢(shì)能有了感性認(rèn)識(shí)，會(huì)進(jìn)一步加深對(duì)控制變量法、轉(zhuǎn)換法的理解并逐步學(xué)會(huì)應(yīng)用。物理學(xué)的研究方法是物理教學(xué)的重要內(nèi)容，不應(yīng)在教師的講授中學(xué)習(xí)，也不應(yīng)在習(xí)題訓(xùn)練中學(xué)習(xí)，最佳途徑是在觀察、實(shí)驗(yàn)探究中體會(huì)感悟，這樣學(xué)生才會(huì)得到內(nèi)化和具體應(yīng)用。

探究重力勢(shì)能的大小與哪些因素有關(guān)的實(shí)驗(yàn)，常用下面兩種實(shí)驗(yàn)方案。

（1）撞沙法。使同一鋼球從不同高度落下，不同質(zhì)量的鋼球從同一高度落下，落到平整的濕沙上，觀察比較鋼球陷入沙的深度來(lái)比較鋼球重力勢(shì)能的大小。該方案操作簡(jiǎn)便，但學(xué)生觀察鋼球陷入沙的深度不方便，另外兩個(gè)鋼球大小不同會(huì)引入額外的影響因素。

（2）擊桌法。用4根較長(zhǎng)的鐵釘和一塊小正方體木板做一個(gè)小方桌，正放在平整的濕沙上或泡沫塊上，使同一重物從不同高度落下，不同質(zhì)量的物體從同一高度落下，觀察比較鐵釘陷入濕沙或泡沫塊的深度來(lái)比較物體重力勢(shì)能的大小。該方案存在的問(wèn)題是，物體落在小方桌上易擊偏，需要多次重復(fù)做。

上述兩種方案視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)效果平淡，實(shí)驗(yàn)效果不佳。在教學(xué)實(shí)踐中，筆者自制了探究重力勢(shì)能的大小與哪些因素有關(guān)的教具，實(shí)驗(yàn)效果好。介紹如下。

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

球從高處?kù)o止落下，落到蒙在鐵環(huán)上的平整的紙上，紙被破壞的程度越大，球穿過(guò)的紙?jiān)蕉?，球?qū)堊龅墓υ蕉?，具有的能量（重力?shì)能）越大。

1.2 制作及實(shí)驗(yàn)所需器材

方座支架，復(fù)夾2個(gè)，鐵環(huán)（外徑約9.5 cm）4個(gè)，木直尺，固體膠，圓規(guī)，剪刀，乒乓球2個(gè)，AB膠，磨尖的硬鐵絲，注射器（帶針頭），水，沙，紙。

1.3 制作方法

（1）取兩個(gè)相同的乒乓球，用磨尖的硬鐵絲分別扎個(gè)小孔，一個(gè)用注射器注滿水，另一個(gè)注滿沙子，用AB膠粘結(jié)密封小孔。注滿水和沙的乒乓球的質(zhì)量分別約為33 g和51 g。

（2）用圓規(guī)在紙上畫直徑比鐵環(huán)外徑大約1 cm的圓，用剪刀剪下，然后用固體膠把紙周邊粘接，覆蓋在鐵環(huán)上。共做4個(gè)蒙紙鐵環(huán)。

（3）組裝后的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟及現(xiàn)象

（1）把2個(gè)蒙紙鐵環(huán)平行于底座固定裝好，間隔約5 cm。

（2）在底座上豎立放一把木直尺，與底座垂直，讓水乒乓球（重心）從距上層蒙紙鐵環(huán)紙面中心高約15 cm處?kù)o止落下，上層紙破，球未穿過(guò)。

（3）更換上層蒙紙鐵環(huán)，讓水乒乓球（重心）從距上層紙面中心高約25 cm處?kù)o止落下，球穿過(guò)上層紙，落在下層紙上，下層紙完好。

（4）更換上層蒙紙鐵環(huán)，讓沙乒乓球（重心）從距上層紙面中心高約25 cm處?kù)o止落下，球穿過(guò)上下兩層紙，落在底座上，發(fā)出沉悶的撞擊聲。

以上數(shù)據(jù)僅供參考，紙質(zhì)、紙平整程度、球質(zhì)量等不同，數(shù)據(jù)會(huì)有差異。

1.5 自制教具優(yōu)點(diǎn)

制作所需器材易得，制作容易，操作簡(jiǎn)便，實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，現(xiàn)象明顯，在安靜的教室里球擊穿紙落到底座上發(fā)出的響聲給學(xué)生強(qiáng)烈的刺激，印象深刻。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)合多媒體呈現(xiàn)相關(guān)素材，滲透安全環(huán)保教育，學(xué)生對(duì)“禁止高空拋物”有了深刻的認(rèn)識(shí)。

2 自制簡(jiǎn)易氣體對(duì)外做功內(nèi)能減少實(shí)驗(yàn)器

內(nèi)能是物體內(nèi)部的能，也是中學(xué)物理重要的、抽象的概念。內(nèi)能部分的教學(xué)內(nèi)容抽象，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣普遍不高。教學(xué)中設(shè)計(jì)若干低起點(diǎn)、發(fā)散性的討論問(wèn)題（如：有哪些方法能增大鐵絲的內(nèi)能等）可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性。做好教材上的演示實(shí)驗(yàn)是吸引學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高教學(xué)效果的有效途徑。人教版（2013版）9年級(jí)物理教材上用空氣壓縮引火儀做“空氣被壓縮時(shí)內(nèi)能增大”的實(shí)驗(yàn)，教學(xué)中這個(gè)實(shí)驗(yàn)在氣溫較高的9月進(jìn)行，只要保證活塞與筒內(nèi)壁接觸密封良好（活塞直徑可以調(diào)整），將很小一團(tuán)硝化棉捻成細(xì)絲（增大與氧氣的接觸面積）放入筒底，猛地向下用力壓活塞后起火，實(shí)驗(yàn)的成功率是很高的。硝化棉燃燒產(chǎn)生的火花會(huì)給學(xué)生留下深刻難忘的印象，借助這個(gè)現(xiàn)象設(shè)計(jì)有梯度的問(wèn)題（如：①硝化棉燃燒說(shuō)明它的溫度發(fā)生了怎樣的變化？②硝化棉的內(nèi)能發(fā)生了怎樣的變化？③硝化棉的內(nèi)能增加是通過(guò)什么途徑？④筒內(nèi)空氣的溫度升高，內(nèi)能增大是通過(guò)什么途徑？⑤硝化棉燃燒的原因是什么？）引導(dǎo)學(xué)生思考、討論、表達(dá)，培養(yǎng)學(xué)生的觀察、思維和語(yǔ)言表達(dá)能力。同樣，教材上“空氣推動(dòng)塞子時(shí)，內(nèi)能減少”的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)塞子跳起來(lái)時(shí)，瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)明顯的白霧，會(huì)給學(xué)生留下深刻難忘的印象，借助這個(gè)現(xiàn)象設(shè)計(jì)有梯度的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考、討論、表達(dá)，從而實(shí)現(xiàn)有效教學(xué)。但是實(shí)驗(yàn)室配置的氣體做功內(nèi)能減少實(shí)驗(yàn)器演示現(xiàn)象不明顯。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都是很重要的，前一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能；后一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，內(nèi)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可為后續(xù)教學(xué)“汽油機(jī)的壓縮沖程、做功沖程中的能量轉(zhuǎn)化”以及“能量的轉(zhuǎn)化和守恒”等內(nèi)容作鋪墊，提高教學(xué)效率。

人教版教材上“空氣推動(dòng)塞子時(shí)，內(nèi)能減少”的實(shí)驗(yàn)中，該實(shí)驗(yàn)描述如下：“燒瓶（或可樂(lè)瓶）內(nèi)盛少量水。給瓶?jī)?nèi)打氣，當(dāng)瓶塞跳出時(shí)，觀察瓶?jī)?nèi)的變化。瓶?jī)?nèi)水上方存在著無(wú)色透明、無(wú)法看到的水蒸氣；當(dāng)塞子跳起來(lái)時(shí)，可以看到瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)白霧，說(shuō)明水蒸氣液化成了可以看到的小水滴。在這個(gè)過(guò)程中，氣體膨脹對(duì)外做功，溫度降低，內(nèi)能減少?！薄＝滩纳系膶?shí)驗(yàn)裝置存在3個(gè)不足：①安全性差，當(dāng)塞子跳起來(lái)時(shí)，玻璃彎管很可能摔破（換成有機(jī)玻璃做的彎管可以避免摔破），燒瓶（或可樂(lè)瓶）也可能傾倒；②費(fèi)時(shí)，要保證實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，塞子要塞緊，用兩用氣筒打氣，充氣時(shí)間較長(zhǎng)；③現(xiàn)象不明顯，瓶?jī)?nèi)盛少量水，即使塞子塞緊，當(dāng)塞子跳起來(lái)時(shí)，瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)白霧的現(xiàn)象也不明顯。

由于實(shí)驗(yàn)室提供的器材和教材上的裝置存在不足，筆者自制了簡(jiǎn)易氣體對(duì)外做功內(nèi)能減少實(shí)驗(yàn)器，實(shí)驗(yàn)效果好。介紹如下。

2.1 制作及實(shí)驗(yàn)所需器材

可樂(lè)瓶（可大可小）、與瓶口相配的橡皮塞、氣針（帶氣針套管）、打氣筒（帶氣針附件）、打孔器、錘子、AB膠、寬度大于可樂(lè)瓶直徑的長(zhǎng)方體木板、酒精。

2.2 制作方法

用打孔器在橡皮塞中心打一個(gè)比氣針外徑略大的孔，然后穿入氣針，用AB膠粘結(jié)密封。用AB膠將可樂(lè)瓶粘結(jié)在長(zhǎng)方體木板中部。整個(gè)裝置如圖2所示。

2.3 使用及效果

在可樂(lè)瓶?jī)?nèi)滴入幾滴酒精（易揮發(fā)），用氣針套管連接橡皮塞上的氣針和打氣筒上的氣針附

件，塞緊橡皮塞，用打氣筒猛打幾下（根據(jù)橡皮塞的塞緊程度而定），只聽(tīng)“嘭”的一聲，橡皮塞沖出，瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)濃濃的白霧，瓶口也有少量白霧，現(xiàn)象非常明顯，見(jiàn)圖3。

2.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

瓶?jī)?nèi)出現(xiàn)濃濃的白霧，原因是瓶?jī)?nèi)的酒精氣體（含水蒸汽）發(fā)生了液化。在氣體的壓強(qiáng)基本不變時(shí)，酒精氣體（含水蒸汽）的溫度必須足夠低才會(huì)被液化。因此，在橡皮塞沖出時(shí)，氣體膨脹對(duì)外做功，氣體的溫度降低，可以推斷其內(nèi)能減少。在這個(gè)過(guò)程中氣體的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為塞子的動(dòng)能。