“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)教具的制作與設(shè)計(jì)
——以“重力做功特點(diǎn)”的演示教具為例

(福建師范大學(xué)附屬中學(xué),福建 福州 350007)

1 引言

“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)在促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知、能力培養(yǎng)、激發(fā)興趣與聯(lián)系生活等方面都具有獨(dú)特的教育價(jià)值,[1]在物理教學(xué)中適當(dāng)利用自制教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將對(duì)教學(xué)難點(diǎn)的突破、學(xué)生能力的培養(yǎng)起到重要的作用。

在人教版高中物理必修二“勢(shì)能的改變”這一節(jié)中,教材從“重力做功等于重力勢(shì)能的減少量”及“勢(shì)能的相對(duì)性”等角度說(shuō)明了重力做功與路徑無(wú)關(guān),與始末位置的高度差有關(guān)，僅從理論上分析得出重力做功的特點(diǎn),但未用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。[2]基于上述教材的局限性,從實(shí)驗(yàn)上利用自制教具突破該教學(xué)難點(diǎn)逐漸受到相關(guān)研究人員的重視，李學(xué)遠(yuǎn)在《重力做功跟路徑無(wú)關(guān)的演示》中利用沿不同路徑相同高度下落的彈子碰撞浸沒(méi)于水中的浮子,根據(jù)浮子下沉的深度來(lái)間接顯示彈子重力做的功;[3]陳魯明、施惠根在《探索新課程理念下自制教具的開(kāi)發(fā)》中將兩個(gè)金屬球從不同形狀相同高度的光滑塑料軌道上端釋放后,根據(jù)金屬球平拋運(yùn)動(dòng)的水平距離來(lái)間接顯示重力做的功。[4]他們的研究為本文教具的設(shè)計(jì)提供了參考。

本教具的制作意在采取創(chuàng)新的方法,從制作的便利性、現(xiàn)象的直觀(guān)性、軌跡的可視性以及運(yùn)動(dòng)維度的全面性等角度去設(shè)計(jì),利用該教具進(jìn)行課堂演示,引導(dǎo)學(xué)生積累充足的感性經(jīng)驗(yàn),促進(jìn)對(duì)重力做功特點(diǎn)的理解,進(jìn)一步深化鞏固所學(xué)的知識(shí)。

2 “重力做功特點(diǎn)”教具簡(jiǎn)介

2.1 教具的構(gòu)造與參數(shù)

教具的構(gòu)造如圖1所示，各部件的主要參數(shù)如表1所示。

圖1

教具的組成成分主要參數(shù)豎直支架1材料:木板;高度:20cm;寬度:25cm。豎直支架2材料:木板;高度:10cm;寬度:25cm。水平底座材料:木板;長(zhǎng)度:30cm;寬度:25cm。水平平臺(tái)材料:有機(jī)玻璃板;長(zhǎng)度:5cm;寬度:25cm。軌道1材料:有機(jī)玻璃管;直徑:2.5cm;上、下端直線(xiàn)長(zhǎng)度:42cm;總長(zhǎng):55cm。軌道2材料:有機(jī)玻璃管;直徑:2.5cm;上、下端直線(xiàn)長(zhǎng)度:42cm;總長(zhǎng):42cm。軌道3材料:有機(jī)玻璃管;直徑:2.5cm;上、下端直線(xiàn)長(zhǎng)度:42cm;總長(zhǎng):60cm。沙槽材料:塑料泡沫、沙;長(zhǎng)度:30cm;寬度:25cm。金屬球3個(gè)材料:鋁球;直徑:1.5cm。

2.2 教具的制作過(guò)程

① 用膠水將豎直支架1、2粘在水平底座上,且垂直于水平底座;

② 用膠水將水平平臺(tái)粘在豎直支架2上,并保持水平;

③ 軌道1、3經(jīng)電加熱，定形成所需的彎曲形狀;

④ 將軌道1、2、3兩端依次用膠水固定在豎直支架1、2上;

⑤ 將質(zhì)地松軟的沙子均勻鋪滿(mǎn)整個(gè)塑料泡沫槽。

2.3 教具的特點(diǎn)

基于自制教具的基本要求:富有啟發(fā)性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、可觀(guān)性等,本教具具有以下特點(diǎn)。

① 取材方便,穩(wěn)定性強(qiáng)。教具制作需要的有機(jī)玻璃板、木板、沙子、塑料泡沫及金屬球等都是生活中容易得到的,且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

② 精準(zhǔn)設(shè)計(jì),啟發(fā)性強(qiáng)。豎直支架1、2的高度差一定,這樣的設(shè)計(jì)旨在使金屬球經(jīng)軌道由同一高度靜止下滑后重力所做的功相同。有機(jī)玻璃材質(zhì)及特定的加工工藝減小了金屬球與軌道間的摩擦與碰撞,可近似認(rèn)為金屬球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中僅有重力做功。水平平臺(tái)的設(shè)計(jì)意在使金屬球滑出軌道后做平拋運(yùn)動(dòng),利用平拋運(yùn)動(dòng)落地點(diǎn)的水平距離間接反映金屬球重力做功的大小。

③ 現(xiàn)象直觀(guān),可視性強(qiáng)。軌道是透明的,金屬球運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程可直接觀(guān)察,現(xiàn)象明顯。同時(shí),沙槽用于記錄金屬球落地點(diǎn)的位置,形象且直觀(guān)。

④ 結(jié)論可靠,說(shuō)服力強(qiáng)。三根軌道的形狀不一,金屬球運(yùn)動(dòng)的路徑各不相同,其中軌道2、3處于同一平面(二維),而軌道1則在三維空間上,使得金屬球的運(yùn)動(dòng)不僅僅局限于二維空間,可推廣到三維空間上,從而使得結(jié)論更加具有說(shuō)服力。

3 “重力做功特點(diǎn)”教具的演示

結(jié)合物理新課程理念下演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略,[5]將該教具實(shí)驗(yàn)定位為課堂上的演示實(shí)驗(yàn)以及驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。

演示的目的是利用自制教具驗(yàn)證重力做功與路徑無(wú)關(guān),加深學(xué)生對(duì)重力做功特點(diǎn)的理解,形成對(duì)概念、規(guī)律的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。在演示的過(guò)程中,教師要引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與到實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)、實(shí)施與得出結(jié)論等過(guò)程中來(lái),這樣才能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生去主動(dòng)建構(gòu)物理知識(shí),而不僅僅是為了“演示”而做實(shí)驗(yàn)。因此基于上述的分析,“重力做功特點(diǎn)教具”的演示過(guò)程如表2所示。

表2

“重力做功特點(diǎn)”教具的演示過(guò)程充分體現(xiàn)了教師的主導(dǎo)地位、學(xué)生的主體地位，學(xué)生不是被動(dòng)接受知識(shí),而是讓學(xué)生主動(dòng)地參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì),自主建構(gòu)知識(shí),從而加深對(duì)重力做功特點(diǎn)的深刻理解。此外演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)還體現(xiàn)了物理方法(間接測(cè)量法、對(duì)比觀(guān)察法等)的滲透,提高了學(xué)生科學(xué)探究的能力。

4 結(jié)語(yǔ)

自制教具是我國(guó)對(duì)一種教學(xué)資源的特殊提倡,它的內(nèi)涵隨著時(shí)代而發(fā)展,可以說(shuō)已成為我國(guó)中學(xué)理科教學(xué)的優(yōu)良傳統(tǒng)之一，[1]自制教具有獨(dú)特的教學(xué)功能,其地位無(wú)法由專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)器材所替代。[6]在物理教學(xué)的過(guò)程中,教師要善于利用身邊的材料制作教具去突破教學(xué)重難點(diǎn),將“非常規(guī)”物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教育價(jià)值體現(xiàn)出來(lái)。