創(chuàng)造技法在自制教具中的運(yùn)用*
——以“力的分解演示儀”為例

楊艷玲 付麗萍

(閩南師范大學(xué)物理與信息工程學(xué)院 福建 漳州 363000)

1 引言

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“課標(biāo)”)明確指出：教師要積極利用各種器材，積極創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方式，盡可能多地開(kāi)發(fā)出可視性強(qiáng)、證據(jù)性強(qiáng)、能引起學(xué)生濃厚興趣的演示實(shí)驗(yàn)[1].將創(chuàng)造技法應(yīng)用在研制實(shí)驗(yàn)教具、儀器方面，不僅能有效指導(dǎo)教具的發(fā)明創(chuàng)造活動(dòng)，還能提高制作者的創(chuàng)造能力.

創(chuàng)造技法，是從創(chuàng)造發(fā)明的實(shí)踐當(dāng)中總結(jié)出來(lái)的一些規(guī)則、技巧和方法[2].常見(jiàn)的創(chuàng)造技法有：“缺點(diǎn)列舉法”、“希望點(diǎn)列舉法”、“檢核表法”等.下面以高中物理“力的分解演示儀”教具的自制過(guò)程為例，用“缺點(diǎn)列舉法”發(fā)現(xiàn)教學(xué)問(wèn)題，用“希望點(diǎn)列舉法”明確制作目標(biāo)，用“檢核表法”達(dá)成制作期望，用“希望點(diǎn)列舉法”與“檢核表法”檢驗(yàn)并完善教具，以闡述常見(jiàn)創(chuàng)造技法在自制教具過(guò)程中的應(yīng)用.

2 常見(jiàn)創(chuàng)造技法在自制教具中的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用缺點(diǎn)列舉法發(fā)現(xiàn)教學(xué)問(wèn)題

缺點(diǎn)列舉法，是通過(guò)列舉事物的缺點(diǎn)獲得新信息，以進(jìn)行改進(jìn)，或利用缺點(diǎn)，變弊為利[3].缺點(diǎn)列舉法簡(jiǎn)便、易學(xué)、有效，將它應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于發(fā)現(xiàn)教學(xué)問(wèn)題、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的儀器裝置.下面以司南版高中《物理·必修1》第五章第2節(jié)“力的分解”為例進(jìn)行分析.

2.1.1 課標(biāo)要求

必修1模塊的要求是：教學(xué)中應(yīng)根據(jù)本模塊所學(xué)物理模型的特點(diǎn)，聯(lián)系生產(chǎn)生活實(shí)際，從多個(gè)角度創(chuàng)設(shè)情境，提出與物理學(xué)有關(guān)的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生討論，讓學(xué)生體會(huì)建構(gòu)物理模型的必要性及方法等[1].對(duì)本節(jié)要求是：通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解力的合成與分解，知道矢量和標(biāo)量[1].

2.1.2 教科書(shū)呈現(xiàn)方式

司南版教科書(shū)從日常生活現(xiàn)象“拎箱子”(圖1)和與力的合成的對(duì)比兩方面引出分力以及力的分解概念；還用一個(gè)演示實(shí)驗(yàn)來(lái)強(qiáng)調(diào)力的分解應(yīng)根據(jù)實(shí)際作用效果進(jìn)行(圖2)；接著通過(guò)實(shí)例(圖3)討論了一種最常見(jiàn)的分解方法，即正交分解法[4].

圖1 分力的作用

圖2 沿斜面下滑

圖3 判斷力作用效果的簡(jiǎn)易方法

教材的安排體現(xiàn)了從生活走向物理的理念，但在教學(xué)實(shí)踐中存在以下問(wèn)題：學(xué)生在分析力產(chǎn)生的作用效果時(shí)對(duì)教科書(shū)所舉的部分實(shí)例存在認(rèn)知障礙，如圖1中學(xué)生較難理解提箱子時(shí)分力F1的作用效果，圖3中學(xué)生較難感受到分力G2的作用效果. 而圖2中通過(guò)海綿判斷力的作用效果畫(huà)面不利于學(xué)生感知真實(shí)情境下的力的作用效果.

2.1.3 實(shí)驗(yàn)資源

在教學(xué)中，許多教師用力的傳感器顯示力的作用效果以解決教學(xué)難點(diǎn)[5].但學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中無(wú)法形象感受實(shí)驗(yàn)效果，且目前并非每所中學(xué)都配備DIS實(shí)驗(yàn)儀器；現(xiàn)有大多教具缺少典型性與實(shí)用性[5]，功能上雖然能放大“力的作用效果”，但無(wú)法反映力按實(shí)際作用效果分解時(shí)分力與夾角的關(guān)系.

應(yīng)用缺點(diǎn)列舉法分析教學(xué)資源，能幫助教師發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，抓住問(wèn)題的主要矛盾，有的放矢地進(jìn)行創(chuàng)造性思考，實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo).

2.2 應(yīng)用希望點(diǎn)列舉法明確制作目標(biāo)

希望點(diǎn)列舉法：是從人們的愿望和需要出發(fā)，通過(guò)列舉希望來(lái)形成創(chuàng)造目標(biāo)和構(gòu)想，進(jìn)而產(chǎn)生出實(shí)用的創(chuàng)造發(fā)明[6]. 它是一種主動(dòng)型的創(chuàng)造發(fā)明技法，列舉希望點(diǎn)需要大膽想象、奇特新穎的構(gòu)思，這種技法常用來(lái)研制新的器材、開(kāi)發(fā)物理實(shí)驗(yàn)新的教學(xué)模式.我們?cè)谧灾啤傲Φ姆纸庋菔緝x”過(guò)程中，利用希望點(diǎn)列舉法明確了如下目標(biāo)：

(1)能培養(yǎng)學(xué)生建模能力.

(2)能直觀穩(wěn)定放大物塊重力產(chǎn)生的作用效果.

(3)能驗(yàn)證分力與夾角的變化關(guān)系.

2.3 應(yīng)用檢核表法達(dá)成制作期望

檢核表法：是人們主動(dòng)積極地通過(guò)多方面、多角度的提問(wèn)，從中引發(fā)思路，形成創(chuàng)造性設(shè)想，并變?yōu)閷?shí)際的創(chuàng)造發(fā)明或創(chuàng)新的一類(lèi)創(chuàng)造技法[6].檢核表是根據(jù)需要解決的問(wèn)題或者需要?jiǎng)?chuàng)造發(fā)明的對(duì)象列出有關(guān)的問(wèn)題，表中的每個(gè)問(wèn)題都可能促進(jìn)聯(lián)想起其他可能提出的問(wèn)題，然后逐一核對(duì)討論各問(wèn)題，以促進(jìn)發(fā)明創(chuàng)造[6].在開(kāi)發(fā)教具領(lǐng)域中，利用檢核表法能幫助教師從多方面審視待解決的問(wèn)題，為進(jìn)一步分析和解決問(wèn)題奠定基礎(chǔ).分析現(xiàn)有資源與希望點(diǎn)的差距，采用檢核表法以設(shè)問(wèn)和思考的形式尋找自制教具的突破途徑.

(1)構(gòu)建什么模型來(lái)提高學(xué)生的建模能力？如表1所示.

表1 用檢核表法達(dá)成期望(1)的思考過(guò)程

續(xù)表

(2)如何直觀穩(wěn)定放大斜面物塊的重力G作用效果？如表2所示.

表2 用檢核表法達(dá)成期望(2)的思考過(guò)程

(3)如何驗(yàn)證分力隨夾角的變化關(guān)系？如表3所示.

表3 用檢核表法達(dá)成期望(3)的思考過(guò)程

2.4 應(yīng)用希望列舉法與檢核表法檢驗(yàn)并完善教具

教具的創(chuàng)造過(guò)程需要教師在實(shí)踐中不斷打磨完善，經(jīng)歷嘗試、反思、再嘗試的過(guò)程.在實(shí)踐中觀察教具演示效果是否符合預(yù)期設(shè)想，即利用希望列舉法進(jìn)行檢驗(yàn)；若效果不符，可再結(jié)合檢核表法進(jìn)行核對(duì)、討論以完善教具.

所涉及的問(wèn)題列在表4中.

表4 融合希望列舉法、檢核表法檢驗(yàn)并完善成果

3 自制教具的成果展示

3.1 顯示小車(chē)重力作用效果

通過(guò)彈簧和塑料斜面的形變，直觀看出斜面上的小車(chē)重力產(chǎn)生的兩個(gè)作用效果：一個(gè)是使彈簧拉伸的沿斜面向下的作用效果；另一個(gè)是使塑料斜面向下擠壓的垂直于斜面的作用效果.還可以通過(guò)坐標(biāo)背景板，對(duì)比彈簧和塑料斜面前后的變化，如圖4和圖5所示.

坐標(biāo)背景板是以塑料斜面在三角底座上時(shí)所呈的自然直線狀態(tài)為橫坐標(biāo)(紫線)，以與橫坐標(biāo)中點(diǎn)處垂直的方向?yàn)榭v坐標(biāo)(綠線)所設(shè)計(jì)的.

圖4 斜面模型

圖5 斜面小車(chē)重力產(chǎn)生的作用效果

3.2 反映力按實(shí)際作用效果分解時(shí)合力與分力的關(guān)系

當(dāng)斜面傾角一定時(shí)，通過(guò)指針確定小車(chē)所在斜面上的位置A(圖6)，用可擦馬克筆將其標(biāo)記在坐標(biāo)背景板上；

圖6 小車(chē)上的指針

通過(guò)墊高底座來(lái)增大斜面傾角，小車(chē)位置發(fā)生相應(yīng)變化(圖7)，借助指針確定小車(chē)變化后的位置B，標(biāo)記在坐標(biāo)背景板上(圖8).通過(guò)對(duì)比小車(chē)在斜面傾角改變前后的位置變化情況，來(lái)分析這一過(guò)程中物體重力的兩個(gè)分力變化情況(圖9).

圖7 改變斜面傾角

圖8 小車(chē)位置的變化

圖9 小車(chē)位置變化情況的分析

根據(jù)理論分析可知，如果已知小車(chē)重力G、斜面傾角α，那么可得出沿斜面下滑的分力F1=Gsinα，垂直于斜面擠壓的分力F2=Gcosα.當(dāng)斜面傾角α增大時(shí)，F(xiàn)1將增大，F(xiàn)2將減小.在斜面傾角增大的過(guò)程中，小車(chē)從A點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到B點(diǎn)的過(guò)程中，在沿斜面方向上，小車(chē)的位置是下移了，說(shuō)明沿斜面下滑的分力F1是增大了；在垂直于斜面方向上，小車(chē)的位置是上移了，說(shuō)明垂直斜面擠壓的分力F2是減小了.

4 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)發(fā)教具資源是教師除常規(guī)備課外的另一種深度理解物理定律的方式，它能有效填補(bǔ)傳統(tǒng)教具資源不足，在提高課堂教學(xué)質(zhì)量增強(qiáng)教師創(chuàng)新能力等方面也具有良好的效果.

本文應(yīng)用創(chuàng)造技法，自制了一套“力的分解演示儀”來(lái)突破教學(xué)中的難點(diǎn)(該教具獲得2017 年第五屆“華夏杯”全國(guó)物理教學(xué)創(chuàng)新大賽教學(xué)組的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新獎(jiǎng))，并且全面剖析了自制過(guò)程中的思維轉(zhuǎn)變，不僅說(shuō)明“做了什么”，還說(shuō)明“為什么這么做”，是“怎么想到這樣做”的，希望為廣大一線教師提供教具制作的參考.