自制物理實(shí)驗(yàn)教具實(shí)施自主探究教學(xué)

谷春生

首都師范大學(xué)附屬麗澤中學(xué)，北京 100071

1 引言

探究教學(xué)是國(guó)家課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重要教學(xué)內(nèi)容，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑。自制實(shí)驗(yàn)教具，實(shí)施自主探究教學(xué)是物理創(chuàng)新教學(xué)的有效途徑之一?！皦瘔薰蕻?dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”，自制教具分為教師自制教具、學(xué)生自制教具和教師指導(dǎo)學(xué)生制作教具三類?；谧灾平叹叩淖灾魈骄炕顒?dòng)把學(xué)生置于開放多元的學(xué)習(xí)環(huán)境中，增強(qiáng)了科學(xué)探究的創(chuàng)新性和趣味性，確立了學(xué)生的主體地位，可以更好地激發(fā)學(xué)生的好奇心和探究欲望，培養(yǎng)和提高他們的創(chuàng)新能力和核心素養(yǎng)。本文介紹了筆者開發(fā)教具，實(shí)施探究教學(xué)研究的三個(gè)具體案例，以供讀者參考。

2 自制教具演示“斷開回路中導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)”

在人民教育出版社出版的普通高中物理必修第三冊(cè)（2019年版）《電磁感應(yīng)》一章中提到“閉合回路的部分導(dǎo)體做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體棒兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，回路中產(chǎn)生感應(yīng)電流”。該部分內(nèi)容的演示實(shí)驗(yàn)容易做，理論解釋也不難理解。但斷開回路的部分導(dǎo)體棒做切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，回路中無感應(yīng)電流，導(dǎo)體棒兩端卻產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這部分知識(shí)內(nèi)容的演示實(shí)驗(yàn)一直是困擾高中物理教師的一個(gè)難題。筆者設(shè)計(jì)了如下創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，以求突破該難題。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)與制作

取一個(gè)大型強(qiáng)電磁鐵，通一恒定大電流（10 A），產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)恒的強(qiáng)磁場(chǎng)（約1.4 T），示意圖如圖1右側(cè)所示。取130根銅漆包線，兩端打磨掉絕緣漆焊接在一起（導(dǎo)線中間部分依然有漆包線間隔），把所有銅漆包線包裹在一起組成導(dǎo)體棒，放置在強(qiáng)磁場(chǎng)中。漆包線導(dǎo)體棒兩端外接導(dǎo)線，分別焊接到兩個(gè)拋光的大尺寸方形銅板中心，兩銅板相對(duì)放置組成平行板電容器。在兩個(gè)銅板間水平放入一個(gè)兩端加高壓的陰極射線管，左端接電源負(fù)極，右端接電源正極，如圖1所示。

圖1 自制教具演示“斷開回路中導(dǎo)體棒切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)”

2.2 實(shí)驗(yàn)操作與演示

大型強(qiáng)電磁鐵通電之后產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng),磁場(chǎng)的N/S極如圖1所示。雙手托著銅漆包線導(dǎo)體棒，使其水平向右快速勻速運(yùn)動(dòng)，這時(shí)發(fā)現(xiàn)左側(cè)陰極射線管中的電子射線向上偏轉(zhuǎn)（圖1）。

2.3 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象解釋和原理分析

銅漆包線導(dǎo)體棒勻速運(yùn)動(dòng)切割磁感線產(chǎn)生恒定的電動(dòng)勢(shì)E=BLv。130根銅漆包線同時(shí)切割磁感線如同130個(gè)電源并聯(lián)成一個(gè)大電源，進(jìn)而在兩銅板間產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的勻強(qiáng)電場(chǎng)。從陰極射線管中射出的陰極射線（電子流）受到電場(chǎng)力的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。銅漆包線導(dǎo)體棒持續(xù)勻速切割磁感線，導(dǎo)體棒兩端產(chǎn)生恒定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，兩銅板間產(chǎn)生持續(xù)穩(wěn)定的勻強(qiáng)電場(chǎng)，從而使得陰極射線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但由于穩(wěn)定的電容器相當(dāng)于斷路，所以電路中并沒有感應(yīng)電流。利用該創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具可直觀地演示出“斷開回路中導(dǎo)體棒切割磁感線運(yùn)動(dòng)時(shí)，回路中無感應(yīng)電流，但導(dǎo)體棒兩端卻產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)”的現(xiàn)象，輕松突破了該教學(xué)難點(diǎn)。

針對(duì)學(xué)生特別感興趣的問題開發(fā)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教具，能進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心和求知欲。通過對(duì)問題的自主探究，可以使學(xué)生品嘗探究的樂趣，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理學(xué)的熱愛，積極投入到物理學(xué)科的探究學(xué)習(xí)中去。

3 改進(jìn)簡(jiǎn)易“彈簧振子機(jī)械能守恒演示儀”

人民教育出版社出版的普通高中物理必修第二冊(cè)（2019年版）《機(jī)械能守恒》這一章節(jié)教學(xué)過程中，教師通常采用簡(jiǎn)易氣墊導(dǎo)軌水平彈簧振子（圖2）進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)。

圖2 簡(jiǎn)易氣墊導(dǎo)軌水平彈簧振子演示儀

氣墊導(dǎo)軌水平彈簧振子主要由“人”字形氣墊導(dǎo)軌、螺旋彈簧、無色塑料振子（帶黃銅指針）和鋁制刻度標(biāo)尺構(gòu)成，底座右上角連接有一個(gè)白色塑料進(jìn)氣口。通常情況下，教師上課時(shí)用一根乳膠軟管套在進(jìn)氣口上并擰緊，然后找一個(gè)肺活量大的學(xué)生，通過乳膠軟管的另一端向進(jìn)氣口吹氣。教師輕輕撥動(dòng)無色塑料振子使黃銅指針指到+6 cm處松手，然后讓學(xué)生觀察指針是否左右等幅振動(dòng)。結(jié)果往往因?yàn)閷W(xué)生吹氣力量不足，氣墊導(dǎo)軌阻力較大，指針左右振動(dòng)幅度明顯不相等，實(shí)驗(yàn)效果不理想。接下來，教師引導(dǎo)學(xué)生討論如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置。

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)設(shè)計(jì)

指針本應(yīng)該左右等幅振動(dòng)，但為何實(shí)際操作過程中指針左右振動(dòng)明顯不等幅？為了獲得更好的實(shí)驗(yàn)效果，該如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置？

水平彈簧振子在左右振動(dòng)的過程中，彈性勢(shì)能和動(dòng)能相互轉(zhuǎn)換。由于彈簧和振子組成的系統(tǒng)機(jī)械能守恒，所以理論上指針應(yīng)該左右等幅振動(dòng)。但實(shí)際實(shí)驗(yàn)過程中存在摩擦阻力，所以指針無法等幅振動(dòng)。那我們應(yīng)該如何改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置呢？有學(xué)生提出用大型專業(yè)氣墊導(dǎo)軌裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但大型專業(yè)氣墊導(dǎo)軌裝置搬運(yùn)不方便，我們應(yīng)該尋找更好的便攜式改進(jìn)裝置。

3.2 引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置

改進(jìn)設(shè)計(jì)1：由于原實(shí)驗(yàn)裝置無背景襯板，如果實(shí)驗(yàn)環(huán)境背景雜亂，則坐在教室中后排座位的學(xué)生不易看清彈簧和振子上的黃銅指針。我們可以用透明膠帶粘上白色硬紙片作為襯板（圖3）增加對(duì)比度，這樣坐在中后排的學(xué)生也容易觀察到指針的擺動(dòng)。

圖3 加上襯板的彈簧振子演示儀

改進(jìn)設(shè)計(jì)2：學(xué)生吹氣力量不足，彈簧振子與簡(jiǎn)易氣墊導(dǎo)軌依然存在摩擦，系統(tǒng)機(jī)械能損耗，所以無法實(shí)現(xiàn)等幅振動(dòng)。筆者嘗試了各種辦法，最后選定一個(gè)便攜式抽氣機(jī)，反其道而用之。將橡皮管一端接到抽氣機(jī)的排氣孔上，另一端接氣墊導(dǎo)軌的進(jìn)氣孔（圖4）。抽氣機(jī)從空氣中抽氣，通過排氣孔將空氣排入氣墊導(dǎo)軌進(jìn)氣孔。氣墊導(dǎo)軌中氣量充足，減少了彈簧振子與導(dǎo)軌的摩擦，基本實(shí)現(xiàn)了指針在鋁制標(biāo)尺-6 cm和+6 cm之間左右等幅振動(dòng)，從而可從實(shí)驗(yàn)直觀得出彈簧振子系統(tǒng)機(jī)械能守恒的結(jié)論。

圖4 改進(jìn)后的“彈簧振子機(jī)械能守恒演示儀”教具

這個(gè)探究實(shí)驗(yàn)可以培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的觀察能力、綜合動(dòng)手能力、團(tuán)結(jié)協(xié)作能力和語言表達(dá)能力等。學(xué)生在實(shí)踐觀察中學(xué)習(xí)物理知識(shí)，在愉快的氛圍中得到感悟，提升了對(duì)物理學(xué)習(xí)的興趣，提高了學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新能力。

4 自制“平靜對(duì)流現(xiàn)象演示儀”

教師提問：大家觀察過液體的對(duì)流現(xiàn)象嗎？

學(xué)生積極回答：家中用鋁壺?zé)畷r(shí)，打開壺蓋觀察過水的沸騰現(xiàn)象。

教師啟迪學(xué)生思考：壺水沸騰是一種劇烈的對(duì)流現(xiàn)象。大家有沒有觀察過平靜的對(duì)流現(xiàn)象？比如，將一杯冷水放在室溫環(huán)境中，用酒精燈緩慢加熱，這個(gè)過程有沒有對(duì)流現(xiàn)象發(fā)生呢？

學(xué)生積極思考，分析猜想：因?yàn)樗疁叵嗖畈幻黠@，所以沒有對(duì)流現(xiàn)象發(fā)生。

那真實(shí)情況究竟如何呢？

4.1 開發(fā)實(shí)驗(yàn)資源，自主探究實(shí)驗(yàn)

取一個(gè)圓柱形無色透明玻璃燒杯，倒入五分之四燒杯容積的冷水。找一個(gè)較大的厚型塑料泡沫圓板或軟木瓶塞，用一根長(zhǎng)的細(xì)鋼針穿過瓶塞中心，露出一截針尖。把綠色雪碧塑料瓶壁剪成“一”字形，然后把中間部位放在火上烘烤，將左、右兩部分向相反方向旋轉(zhuǎn)傾斜一定角度，形成一對(duì)螺旋槳（圖5）。用露出的針尖在“一”字形螺旋槳的正中央位置鉆一小孔，然后在針尖末端焊上石蠟，以防止塑料螺旋槳滑落。反復(fù)旋轉(zhuǎn)調(diào)試螺旋槳，使其轉(zhuǎn)動(dòng)靈活自如；最后將整個(gè)裝置浮于水面，如圖5所示。學(xué)生把燒杯放在穩(wěn)定的水平工作臺(tái)面上，用酒精燈通過石棉網(wǎng)對(duì)玻璃燒杯底部緩慢加熱，然后靜坐下來仔細(xì)觀察。半分鐘后，學(xué)生神奇地發(fā)現(xiàn)：螺旋槳慢慢旋轉(zhuǎn)起來了。

圖5 自制的“平靜對(duì)流現(xiàn)象演示儀”教具

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與猜想結(jié)果相反，這激起學(xué)生強(qiáng)烈的探究欲望：為什么螺旋槳會(huì)旋轉(zhuǎn)呢？

4.2 引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，進(jìn)行科學(xué)思考

塑料螺旋槳之所以會(huì)慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)，是因?yàn)橘N近杯底的水比杯上部的水先受熱。由于熱水的密度比冷水的密度小，杯底部中心的熱水會(huì)向上流動(dòng)，而四周溫度較低的水會(huì)流過來填補(bǔ)空隙，從而形成水的對(duì)流，于是推動(dòng)螺旋槳旋轉(zhuǎn)起來，這就是平靜的對(duì)流現(xiàn)象。如果不借助螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)，杯中水的平靜對(duì)流現(xiàn)象不易被人觀察到。

通過巧妙設(shè)計(jì)制作輕巧的塑料螺旋槳，短暫加熱水后，高靈敏度的螺旋槳就演示出水的平靜對(duì)流現(xiàn)象。這說明根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)的主觀猜想，往往不一定正確，需要經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)探究給學(xué)生提供檢驗(yàn)所學(xué)理論知識(shí)的機(jī)會(huì)，能綜合培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、動(dòng)手能力、分析能力和自主創(chuàng)新能力。

5 結(jié)論

綜上所述，自制實(shí)驗(yàn)教具，實(shí)施自主探究教學(xué)在全面提升學(xué)生核心素養(yǎng)方面具有廣闊的應(yīng)用前景，所以教師在教學(xué)過程中要深挖教材中的探究性因素，開發(fā)創(chuàng)新教學(xué)資源，自制教具或啟發(fā)學(xué)生自制學(xué)具，實(shí)施科學(xué)探究教育。學(xué)生在自制儀器中體驗(yàn)，在科學(xué)探究中感知，在質(zhì)疑交流中創(chuàng)新，從而培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度，樹立科學(xué)質(zhì)疑和自主探究的精神，鍛煉敏銳的觀察力以及靈活的動(dòng)手能力。提高學(xué)生語言表達(dá)能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力的同時(shí)，全面提升學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。