高中物理低成本實驗器材的創(chuàng)新研究與應(yīng)用

■煙臺市牟平育英藝術(shù)中學(xué) 任麗媛

高中物理是培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的重要組成部分，是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的基礎(chǔ)，是國家創(chuàng)新人才戰(zhàn)略形成的關(guān)鍵。根據(jù)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)，要求學(xué)生掌握現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和符合社會時代發(fā)展的物理知識，培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能、思維和解決問題的能力，這些能力都要從實際的物理實驗操作獲得。物理實驗的實施一定離不開實驗器材，但是在當(dāng)前學(xué)校中，實驗器材過于陳舊，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足教師和學(xué)生的實際學(xué)習(xí)需求，所以教師應(yīng)另辟蹊徑，研究簡單、易于操作、成本低廉的實驗器材。因此，為適應(yīng)課程的發(fā)展和滿足課程創(chuàng)新的需求，開發(fā)低成本實驗器材至關(guān)重要。本研究分析了當(dāng)前高中物理教學(xué)過程中的缺陷與原因，探索了低成本實驗器材的應(yīng)用價值，為研究創(chuàng)新型的低成本實驗器材提供思路，為一線教師的教學(xué)提供建設(shè)性的參考。

一、當(dāng)前高中物理教學(xué)過程中的缺陷與原因

物理課是以探究、實驗為主要活動的課程。在物理課上，通過一系列實驗操作，不僅能開闊學(xué)生的視野，還能有效提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和技能。但是目前學(xué)校在實驗技能的培養(yǎng)上，還有些放不開手腳。在實際高中物理教學(xué)中，關(guān)于實驗的實際操作較少，一些實驗的理念、過程和結(jié)果都通過教師口頭傳述，并且大部分都由教師在黑板上或者多媒體課件上演示，學(xué)生只能“聽”或“看”實驗，并不能真實地感受實驗所帶來的魅力。造成當(dāng)前高中物理教學(xué)缺陷的原因有以下幾個方面。首先，對學(xué)校來說，在實驗室建設(shè)方面投入的資金較少，實驗室設(shè)備不健全，儀器老化、材料短缺、年久失修，造成物理實驗的資源稀缺，使部分物理實驗不能照常進(jìn)行，盡管部分實驗?zāi)茏觯惨驗檎n時有限、教師課程規(guī)劃不合理而沒有辦法完成。其次，在應(yīng)試教育模式下，物理教師只注重學(xué)生的成績，缺乏對學(xué)生綜合素質(zhì)的培養(yǎng)，只重視理論知識的教導(dǎo)，不重視物理實驗的展示，他們認(rèn)為在課上講實驗比做實驗所帶來的學(xué)習(xí)效果更好。最后，對教師來說，要想在課堂呈現(xiàn)完美的實驗，要在課下認(rèn)真挑選器材、熟悉實驗步驟和過程，不僅要花費很長的時間，還要教師付出腦力和體力勞動。但是實驗器材不足，教師想要在課上展示實驗，也沒有辦法進(jìn)行，所以提倡教師運用生活中的物品，采取低成本實驗器材，邀請學(xué)生共同參與課上進(jìn)行物理實驗研究，提高物理課堂的教學(xué)質(zhì)量。

二、低成本實驗器材的應(yīng)用價值

低成本實驗器材是運用廉價或者常見的玩具、物品、科技材料而制作的器材，但是卻能以最簡單的方式滿足學(xué)生對實驗的需求，使學(xué)生直觀地了解到實驗的整個流程，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。由于其材料的易獲取性和普遍性，所以低成本實驗器材開放性很高，有著非常廣泛的開發(fā)空間，在教學(xué)過程中應(yīng)用價值也極大。

（一）材料獲取方便，效率高

低成本實驗器材最重要的特點就是方便獲取、價格便宜、簡單制作，雖然其原本的價值較低，但是通過制作后，其所帶來的應(yīng)用價值卻極高。首先，制作低成本實驗器材的材料大多數(shù)是來自生活中常見的物件，在學(xué)生的認(rèn)知范圍之內(nèi)，價格低、易獲取，有利于物理實驗的大范圍展開。其次，使用低成本實驗器材，能提高效率。再次，教師不用過分關(guān)注于實驗器材短缺這一問題，而是可以花較少的時間就地取材，選取簡單的生活用品來制作實驗器材，提高教師的備課效率。最后，教師可以在課堂上指導(dǎo)學(xué)生制作簡易的實驗器材，使學(xué)生熟悉實驗器材的操作，深刻地掌握實驗理念和步驟，提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

（二）激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

興趣是學(xué)習(xí)的啟發(fā)者，是保證教學(xué)效率的重要前提。在物理教學(xué)過程中，相比教師刻板的理論知識輸入和公式推導(dǎo)，生動、形象的物理實驗更能吸引學(xué)生的注意。所以，在課程進(jìn)行之前，先用一個有趣的低成本實驗來導(dǎo)入，吸引學(xué)生的注意力，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和探究欲望。在講解電磁感應(yīng)現(xiàn)象時，教師可以用兩塊相同的強(qiáng)磁鐵，一個塑料管和一個鋁管（兩個管的粗細(xì)、長短也相同）做一個有趣的小實驗。豎直固定兩個管，將兩個強(qiáng)磁鐵同時在兩個管內(nèi)自由釋放，我們可以發(fā)現(xiàn)，塑料管內(nèi)的磁鐵先落下，而鋁管內(nèi)的磁鐵稍慢一些。之后教師提出問題“為什么鋁管內(nèi)的磁鐵下落較慢？”，吸引學(xué)生進(jìn)行關(guān)注、思考，再解釋其原因，由于磁鐵的下落，在鋁管中產(chǎn)生了感應(yīng)環(huán)形電流，而這個電流產(chǎn)生的磁場將會影響磁鐵的下落，這就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。這種簡單的實驗可以激發(fā)好奇心，引導(dǎo)學(xué)生的探究意識，而且整套實驗器材幾乎不花錢，還可以重復(fù)利用、節(jié)約資源。

（三）提升學(xué)生的創(chuàng)新思維

低成本實驗器材是以學(xué)生的思維發(fā)展為基礎(chǔ)，符合學(xué)生認(rèn)知水平，方便學(xué)生制作和使用。但是在其制作過程中，并不是將生活用品簡單的組合，而是要靠學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，對原有的實驗材料進(jìn)行改裝，制作成簡易版的實驗。這樣既保證了低成本實驗制作的開放性，又為學(xué)生創(chuàng)設(shè)了一個基礎(chǔ)的實驗器具創(chuàng)新平臺，提供了更多的實踐機(jī)會，對學(xué)生的創(chuàng)新思維、實踐能力的提升產(chǎn)生了積極影響。除此之外，學(xué)生在制作實驗材料之前，必須以保證實驗效果和理解實驗理念為前提，這樣使學(xué)生深刻掌握了課程目標(biāo)和物理實驗規(guī)律，為學(xué)生的深遠(yuǎn)發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

（四）動手參與，直觀生動

物理是一門與生活緊密聯(lián)系的學(xué)科，所以將物理實驗聯(lián)系到實際生活，讓學(xué)生運用常見中的素材，直接參與制作低成本的實驗器材，不僅能提高學(xué)生的主動意識，還能有效降低學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識的難度，提高課堂學(xué)習(xí)效果。同時，實驗器材源于現(xiàn)實生活，價格低、方便制作，教師不用過于擔(dān)心實驗器材的損壞，而且對接受能力較慢的學(xué)生，還可以重復(fù)使用，直到深刻理解實驗規(guī)律，掌握實驗結(jié)果。

學(xué)生動手參與到低成本實驗器材的制作中，不僅能直觀、生動地觀察到實驗的發(fā)展過程和物理規(guī)律，還能獲得大量的感性知識，促進(jìn)物理知識與實際生活的認(rèn)知相融合，為建構(gòu)新知識作鋪墊。此外，學(xué)生對自己親身制作的實驗器材，有親近感，能摒除探究物理實驗的恐懼心理，豐富物理課堂的學(xué)習(xí)內(nèi)容。而且直觀觀察物理實驗，能對學(xué)生未來的自主實驗起到促進(jìn)作用。

（五）有利于培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)

為了提升國家科技競爭力，滿足國家科技發(fā)展的需求，提高公民的科學(xué)素養(yǎng)，必須對物理教學(xué)進(jìn)行改革創(chuàng)新，因為物理課程教學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)是使學(xué)生掌握符合社會發(fā)展的基礎(chǔ)物理知識和實驗技能，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，提升學(xué)生的應(yīng)用能力。物理實驗所要求知識、操作和應(yīng)用是科學(xué)探究和綜合能力的必備元素，也是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分。因此，必須把實驗操作作為高中物理課程的重要活動，實驗必然離不開器材，而低成本實驗器材的制作更強(qiáng)調(diào)實驗操作、物理知識的運用和創(chuàng)新意識，更有利于培訓(xùn)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。同時，低成本實驗更貼近于社會生活，能使學(xué)生感受到科學(xué)技術(shù)對社會發(fā)展所起到的積極影響，提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理的動力。

三、制作高中物理低成本實驗器材的創(chuàng)新方法

（一）利用替代法，用低成本材料進(jìn)行模仿

利用已有的材料對原實驗器材進(jìn)行仿制，是制作實驗器材最常用的一種方法。在高中實驗室內(nèi)，存放著不少精美制作的實驗儀器，有著特定的用途和理念，所以可以根據(jù)所需的實驗器材的設(shè)計原理和該器材的應(yīng)用需求，利用一些低成本材料進(jìn)行模仿，制作出簡易版的實驗儀器。

在物理課上，一個精致的慣性演示器包括底座、彈片、立柱、鋼片和鋼球幾個部分。在底座上固定彈片和立柱兩部分，再將鋼片和鋼球放在立柱上。在固定住底座和立柱情況下，將彈片撥動到一定的角度，迅速有效的彈走鋼片，在保證彈片不打到鋼球的情況下，就能使鋼球保持其原有的慣性而不移動。

在了解了慣性演示器的設(shè)計原理后，就可以利用生活中常見的材料設(shè)計出一個簡便的慣性演示器。需要一個裝滿水的礦泉水瓶和一張堅韌的紙片，將礦泉水瓶放在紙片上，水瓶底完整的壓在紙片的邊緣部分，用手迅速抽走紙張，就能看到水瓶由于自身的慣性而停留在原位置，這便是低成本的物理實驗。每一個學(xué)生都能操作，親身體會物理實驗的原理，不僅能提高到物理課的趣味性，還能豐富物理知識體系。

（二）利用設(shè)計法，根據(jù)實驗?zāi)康脑O(shè)計實驗

如果缺乏現(xiàn)有的實驗器材做參考，那就只有按照原本的實驗?zāi)康?，設(shè)計一個新的物理實驗。那么如何在保證低成本的情況下設(shè)計一個創(chuàng)新性的實驗?zāi)?？這就要包括以下幾個方面：材料便宜且容易制作；與學(xué)生的實際生活聯(lián)系密切；激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；拓展學(xué)生的創(chuàng)新意識；促進(jìn)物理知識的學(xué)習(xí)等。

例如，在學(xué)習(xí)“超重與失重”這一章節(jié)時，教師首先設(shè)計一個實驗來引入，這個實驗叫“書里的大力士”，選取兩本大小、厚度類似的兩本書相對而放，將部分書頁疊到一起，然后合起來。首先讓力氣比較大的男生來挑戰(zhàn)，兩只手分別捏住書脊向外拉，會發(fā)現(xiàn)很難分開兩本書。再邀請一位力氣較小的女生，在她捏住書脊向外拉的同時，教師提醒她上下拉動，這時很容易地分開了兩本書。這種簡易的實驗器材，全班學(xué)生都可以動手制作，讓每一個學(xué)生都切實感受兩種情況下的結(jié)果，同時對比這兩種實驗結(jié)果，引發(fā)學(xué)生的思考和探究。接下來，引入課程內(nèi)容，在學(xué)生了解了失重和超重的基礎(chǔ)知識后，再回到這個實驗上，詳細(xì)地解釋在書本向下運動時處于失重狀態(tài)，而這時是不存在摩擦力的，所以能很輕松地分開兩本書。

（三）利用常見的小器具，制作低成本實驗器材

其一，利用生活中的小玩具。生活中的小玩具大都是科學(xué)的產(chǎn)物，其整體都符合物理規(guī)律，體現(xiàn)著科學(xué)的理念。除此之外，玩具擁有美麗的外表，獨特的設(shè)計，能激發(fā)學(xué)生的興趣，吸引學(xué)生的注意力，使學(xué)生在愉快的氛圍中學(xué)習(xí)知識。如果教師能將玩具應(yīng)用到低成本實驗中，利用其有趣的特點來開展物理實驗、講述物理原理，能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，調(diào)動課堂積極的氛圍，做到真正的寓學(xué)于樂。在學(xué)習(xí)摩擦力能使車子前進(jìn)這一內(nèi)容時，可以借助生活的遙控汽車來進(jìn)行實驗，用六根鉛筆、一片硬紙板和一輛玩具汽車作為實驗器材。先將六根鉛筆間隔有序地排列在硬紙板下面，將遙控汽車放在硬紙板上面，用遙控控制汽車向前制動，這時就會發(fā)現(xiàn)硬紙板在向后移動。再引導(dǎo)學(xué)生對硬紙板進(jìn)行受力分析，采用牛頓第三定律分析車輪的受力，就能發(fā)現(xiàn)汽車前進(jìn)的動力是摩擦力。

其二，利用實驗室的小器械。學(xué)校的物理實驗室里肯定會有一些比較基礎(chǔ)的實驗器材，比如木板、小車、音叉和秤砣等，當(dāng)教師無法保證每一個學(xué)生都能在實驗室進(jìn)行實驗時，可以利用實驗室基礎(chǔ)的儀器、設(shè)備，設(shè)計出簡便的低成本物理實驗帶到課堂上，讓學(xué)生真實、清楚地觀察實驗過程，貫徹從生活走向物理的課程理念。在學(xué)習(xí)振動發(fā)聲時，讓學(xué)生用手摸自己的聲帶，說話時聲帶會發(fā)生振動，那么其他物體發(fā)出聲音時是不是也會振動呢？這時，教師拿出實驗室的音叉和一根穿了線的乒乓球，拿橡皮錘敲打音叉，使其發(fā)出聲音，然后手提起細(xì)線，將乒乓球懸掛在空中，接近于發(fā)出聲音的音叉，然后就會看到乒乓球在接近音叉的位置振動，這就說明音叉在發(fā)出聲音時，也會振動，振動是物體的發(fā)聲方式。采用這種客觀物理實驗可以簡單、直觀地了解物理實驗原理，比口述理論知識的效果要好得多。

其三，利用生活中的電子元件和產(chǎn)品。隨著科技時代的發(fā)展，給人們生活帶來了日新月異的變化，一些高級的科技設(shè)計和新科技材料廣泛應(yīng)用于日常生活，例如，智能手機(jī)、電腦、聲控?zé)?、紅外遙控、3D打印技術(shù)和超導(dǎo)材料等都是可以生活中方便接觸到的科技和材料，教師應(yīng)該積極地運用這些寶貴的資源，通過將其進(jìn)行簡單的改造，就能利用這些簡便的器材來進(jìn)行物理實驗或者探究物理現(xiàn)象。

為了給學(xué)生比較聲波和電磁波的傳播方式的差異，教師通?？陬^傳授理論知識，但是今天可以用一個手機(jī)和可以真空的水槽來制作低成本實驗，讓學(xué)生更直觀地了解兩種波傳播方式的不同。首先，將手機(jī)放進(jìn)密封袋中，水槽里注滿水，再用繩子系住密封袋，放進(jìn)水槽里，使手機(jī)懸浮在水槽中。然后撥打水中手機(jī)的號碼，能看到手機(jī)亮起，同時還能聽到鈴聲響起，學(xué)生能清楚地感知到聲波和電磁波都能在水中傳播。接下來進(jìn)行另一個實驗，將手機(jī)放進(jìn)沒有水的水槽內(nèi)，并抽完空氣，使手機(jī)處于真空狀態(tài)，這時再次撥打手機(jī)，能看到手機(jī)亮起但是卻聽不到鈴聲，這就說明電磁波能在真空狀態(tài)下傳播，但是聲波不能。這種低成本物理實驗更貼近學(xué)生的日常，使學(xué)生真切地感受到物理對人類社會的影響，拉近了抽象理論與現(xiàn)實生活的距離。

綜上所述，實驗是掌握物理知識、實驗技能的基礎(chǔ)，是形成科學(xué)素養(yǎng)的前提，所以教師應(yīng)注重實驗對學(xué)生的引導(dǎo)作用。而低成本物理實驗不僅便宜、方便，能促進(jìn)學(xué)生直觀、生動的觀察物理實驗，還能培養(yǎng)學(xué)生的動手參與能力，有著巨大的應(yīng)用價值。因此，在高中物理教學(xué)過程中，教師要善于利用生活中的物件，開發(fā)創(chuàng)新思維，可以通過用低成本材料模仿實驗儀器、根據(jù)實驗?zāi)康脑O(shè)計簡易版實驗、利用日常生活中的小器具等方法來制作低成本實驗器材，并將其引入到物理課堂，用以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，優(yōu)化物理課堂的實驗探究，建設(shè)高效物理課堂。