基于核心素養(yǎng)的高中物理自制教具探究

文 /施沙丹

引 言

物理課程本身所具備的實驗性和探究性，決定了教師要高度重視實驗教學(xué)。核心素養(yǎng)背景下，很多教師將實驗課程搬到了課堂上，讓學(xué)生多實驗、多觀察、多探究。教具和器具是開展實驗的基礎(chǔ)和前提，教師如果直接應(yīng)用學(xué)生不熟悉或者過新的教具，很容易導(dǎo)致學(xué)生的認知與實驗脫節(jié)的情況出現(xiàn)，進而影響到實驗效果。受其他因素的限制，學(xué)生無法在學(xué)校實驗室完成實驗，這時，自制教具的作用就凸顯出來。自制教具通過改裝與實驗相關(guān)的家用器具而成，不僅可以增強實驗效果，也不會使學(xué)生感覺到陌生和抵觸，而且學(xué)生自己對實驗的器具進行改造，有利于激發(fā)他們的創(chuàng)造熱情，使他們養(yǎng)成良好的實驗態(tài)度，這對提高學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)也有非常重要的意義。

一、物理學(xué)科核心素養(yǎng)

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）對物理學(xué)科核心素養(yǎng)提出了明確的要求，即教師要培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究及科學(xué)的態(tài)度和責(zé)任。

物理觀念主要指的是在物理學(xué)科當中的物理概念、定理、現(xiàn)象及規(guī)律。自制教具的實施基于物理觀念，所以物理概念在物理學(xué)科教學(xué)中具有輔助性的教育價值。物理科學(xué)思維主要指的是學(xué)生對物理事物、現(xiàn)象、內(nèi)部規(guī)律及其相關(guān)作用之間的認知與了解，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建物理模型。物理科學(xué)探究指的是對問題的猜想、驗證及解決，也就是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識的過程中發(fā)現(xiàn)問題，對問題進行猜想和假設(shè)，并據(jù)此制訂實施方案。這些都為物理教具的自制提供了有利的契機，也保證了教具的自制效果?？茖W(xué)態(tài)度和責(zé)任是物理學(xué)習(xí)的終極追求，也就是使學(xué)生經(jīng)過學(xué)習(xí)物理學(xué)科的本質(zhì)、物理技術(shù)及社會關(guān)系等具有科學(xué)的態(tài)度及責(zé)任，這也是物理知識體系不斷修正和發(fā)展的結(jié)果[1]。

二、高中物理自制教具及其特色分析

關(guān)于教具的理解有很多，一般認為教具是輔助物理課堂的物品，而最常見的就是教材。高中物理教具涉及的內(nèi)容非常廣泛，既包含各種實物，也包含圖像及模型，這些都可以對物理現(xiàn)象和科學(xué)過程進行再現(xiàn)。在高中物理教學(xué)中，教師和學(xué)生通過自制教具，對某一現(xiàn)象、知識點進行詮釋，能夠讓學(xué)生更直觀地理解相對抽象的物理知識點。

教具的使用主要有兩方面，一是教師對教學(xué)內(nèi)容進行演示，二是學(xué)生分組實驗的器材。在物理學(xué)科教學(xué)改革不斷推進的情況下，物理教學(xué)主要向?qū)W生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)靠攏，學(xué)生參與教具制作的積極性不斷提升，自制教具也直接體現(xiàn)了學(xué)生的動手與實踐能力，這也被納入物理教育的考查范圍。

自制教具在物理課堂教學(xué)中有很好的輔助作用，并且具有自己的特色。自制教具的應(yīng)用簡化了教學(xué)過程，提升了教學(xué)成效，具體特點體現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，靈活和多變性。自制教具主要是由生活中常見的日用品或一些廢舊物品制作而成，能夠改變學(xué)生對事物持有功能固定態(tài)度的想法，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力與創(chuàng)新力。自制教具具有經(jīng)濟性、創(chuàng)新性、靈活性的特點，能夠?qū)ξ锢砀拍?、定理等進行很好的解釋。

第二，充分體現(xiàn)物理學(xué)科核心素養(yǎng)。高中物理自制教具的應(yīng)用，需要學(xué)生將物理知識與其他學(xué)科的知識結(jié)合到一起，這也體現(xiàn)了核心素養(yǎng)下各學(xué)科之間的整合和滲透。自制教具材料簡單，操作方便，靈活多變，可以隨時隨地制作和使用。

第三，形式多樣化。隨著時代的變革，物理教學(xué)自制教具的覆蓋范圍也在不斷拓展。物理教具可以通過實物制作出來，也可以利用軟件進行編輯，以教師制作，或者師生合作探究性制作為主。教具的制作可以是針對一個知識點，也可以是針對不同的知識點。其制作內(nèi)容和形式不同，所呈現(xiàn)出的功能也就不同，這也是自制教具的魅力所在。因此，在高中物理教學(xué)中，通過自制教具，教師可以幫助學(xué)生更好地理解物理問題，對培養(yǎng)學(xué)生的物理思維，幫助他們突破重難點等有很大的幫助。

三、自制教具的選材及其設(shè)計原則

（一）自制教具選材的原則

第一，經(jīng)濟性。自制教具是為了方便物理授課，在教學(xué)實踐中，絕大多數(shù)物理教師是自費制作教具，所以經(jīng)濟性原則也是教具制作中必須充分考慮的，制作性價比高的教具至關(guān)重要。隨著教育教學(xué)改革的推進，自制教具在物理教學(xué)實踐中的應(yīng)用越來越深入。新課程改革也提倡教師自制教具，專項補貼也在不斷增加，這也為教師自制教具的實施提供了非常大的空間[2]。

第二，廣泛性。生活中的很多物品都可以被作為教具，包括礦泉水瓶、紙殼、木板、飲料罐、吸管等。自制教具在廣泛性的基礎(chǔ)上也具有一定的專業(yè)性，如磁鐵、金屬導(dǎo)線等，這些專業(yè)性的教具在現(xiàn)實生活中也非常容易購買。簡單來說，在現(xiàn)實生活中，只要是可以解決物理問題、展示物理現(xiàn)象的材料，都可以用在物理教具的制作當中。

（二）自制教具設(shè)計的原則

教師在物理教學(xué)中自制教具授課，主要目的是強化學(xué)生對物理知識點的學(xué)習(xí)和理解，加強學(xué)生的記憶與感知能力。教師利用自制教具開展物理實驗活動，可以鍛煉學(xué)生的思維，使學(xué)生將抽象思維和邏輯思維等結(jié)合到一起。在自制教具時，教師應(yīng)遵循如下原則。

第一，學(xué)生的參與性原則。在物理課堂上，最重要的是利用好教具組織實施物理實驗活動，所以學(xué)生的課堂參與度非常重要。學(xué)生積極參與到教學(xué)中，可以更好地理解物理現(xiàn)象，解釋物理問題。這不僅可以幫助學(xué)生了解更多的物理信息和相關(guān)的知識點，還能夠提升學(xué)生的物理實踐能力和創(chuàng)新能力。

第二，實用性原則。自制物理教具操作起來簡單、方便，而且具有可以直觀演示操作的特點，能夠更好地服務(wù)于教學(xué)，但是自制教具不能過分地關(guān)注外表，也不能過多地對其衍生性的效益進行考慮。這樣才可以避免學(xué)生將過多的關(guān)注點放在教具上，使教具更好地發(fā)揮自身的作用。

第三，科學(xué)性原則。自制教具是由教師或者教師和學(xué)生共同完成的，自制過程和結(jié)果都要具備科學(xué)性，不能弄虛作假。物理教具的使用主要是為了展示物理知識點，因此，教具制作及使用的科學(xué)性是必然的，這樣才可以更好地鍛煉學(xué)生的思維品質(zhì)。

四、核心素養(yǎng)下高中物理教具的自制

（一）以物理觀念為基礎(chǔ)的教具設(shè)計

學(xué)生物理觀念的培養(yǎng)重點應(yīng)放在物理現(xiàn)象、物理規(guī)律及物理概念上，這是強化學(xué)生物理學(xué)習(xí)效果非常重要的手段。物理學(xué)科中存在很多抽象和微觀的知識，很多物理知識點理解起來十分困難?；谖锢碛^念的教具設(shè)計可以夯實學(xué)生的基本功，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率[3]。物理觀念是高中物理學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)的基礎(chǔ)和前提。通過物理自制教具的設(shè)計與應(yīng)用，教師可以將知識點從微觀轉(zhuǎn)換到直觀、從抽象轉(zhuǎn)化到具體、從動態(tài)轉(zhuǎn)化到靜態(tài)。教師借助教具可以幫助學(xué)生更好地觀察物理實驗現(xiàn)象，使學(xué)生歸納現(xiàn)象背后的本質(zhì)及規(guī)律，并從實驗中找到解決問題的方法和策略。

高中物理中很多知識點比較抽象，這也是高中物理學(xué)習(xí)起來困難的原因所在。而想要對抽象的概念進行理解，學(xué)生就需要結(jié)合物理實驗，構(gòu)建物理模型或者通過多種方式對物理學(xué)的研究規(guī)律進行探析。教師要重點培養(yǎng)學(xué)生的物理思維、邏輯思維等，將抽象的物理知識具象化，強化物理概念。因此，在具體的教學(xué)設(shè)計中，教師還應(yīng)該堅持從抽象到具象的原則。

例如，在對“電場線”這一物理概念進行教學(xué)時，教師可以組織學(xué)生設(shè)計一個實驗教具。教師可以組織學(xué)生設(shè)計一個將頭發(fā)屑漂浮在蓖麻油當中的實驗，通電讓學(xué)生觀察受力情況。這個實驗很簡單，利用生活中的工具就可以改裝完成。學(xué)生通過教具設(shè)計和實驗觀察，可以將“電場線”理解得更加透徹。

又如，在教學(xué)“靜電”這一部分知識點時，教師可以組織學(xué)生利用生活中常見的工具制作靜電實驗儀器。首先，教師可以引導(dǎo)學(xué)生想一想家中哪些工具與靜電有關(guān)，引出夏季常用的電蚊拍，然后分析電蚊拍的工作原理，在蚊子觸碰電網(wǎng)后，電網(wǎng)就會短路，產(chǎn)生的電流可以將蚊子電暈。電蚊拍的內(nèi)部電路是不會對人產(chǎn)生危害的，所以可以將其用在高壓靜電的實驗當中。其次，制作靜電實驗儀器。準備工具：電蚊拍、導(dǎo)線、剪刀、錫紙、塑料瓶、易拉罐、泡沫板；將易拉罐剪出四個直徑為12厘米左右的圓形片；將錫紙用手搓成直徑在0.5厘米以內(nèi)的小球；在塑料瓶上剪出大概高為5厘米的環(huán)形邊，注意要用大口徑塑料瓶；每兩個圓片和環(huán)形邊組合成一個密封的小容器，將錫紙球放在里面，用熱熔膠固定，制作成靜電跳球?qū)嶒瀮x器。最后，實驗操作，取兩根導(dǎo)線，一端分別連接在電蚊拍高壓電網(wǎng)的內(nèi)外網(wǎng)上，另一端接在制作好的靜電跳球?qū)嶒瀮x器的兩個圓片上，打開電源后可以看到錫紙球在上下兩塊板之間來回跳動。

（二）培養(yǎng)科學(xué)思維的教具設(shè)計

物理作為一門實驗探究課程，重點在于培養(yǎng)學(xué)生的模型構(gòu)建能力和思維能力等。所以，在物理教學(xué)中，教師可以組織學(xué)生設(shè)計培養(yǎng)科學(xué)思維的教具，鍛煉與發(fā)展學(xué)生的逆向思維。

例如，在安培力大小這一單元的教學(xué)中，教師就可以設(shè)計關(guān)于安培力大小的探究實驗。首先，制作方法。準備兩個支架，一個支架上放有角度并且可以轉(zhuǎn)動的刻度盤，用釹鐵硼強磁鐵在刻度盤上構(gòu)建起平行的磁場，注意高度要保持在線圈之下，將臺秤放在水平的桌面上，并將另一個支架放在臺秤上，在第一個支架上固定多扎的銅絲線圈，另一個支架直接通過第一個支架刻度盤中間的孔，確保兩個支架不發(fā)生接觸。其次，實驗過程。保證桌面處于水平的狀態(tài)，利用臺秤上的去皮功能將第二個支架的質(zhì)量示數(shù)清零。然后轉(zhuǎn)動角度刻度盤，讓線圈和磁場保持垂直，接通電源，改變線圈電流的大小，對臺秤的示數(shù)進行記錄；改變釹鐵硼強磁鐵的個數(shù)，待磁場的強度改變后記錄臺秤的示數(shù)；改變接入電流的線圈匝數(shù)，然后接通電源記錄示數(shù)。分析實驗數(shù)據(jù)之后，學(xué)生便可得出安培力的大小和電流、磁場的強度、導(dǎo)線的長度及流經(jīng)線圈等都有直接關(guān)系。

（三）培養(yǎng)探究能力的教具設(shè)計

《課程標準》對素質(zhì)教育的重視程度越來越高，更強調(diào)對學(xué)生各方面素養(yǎng)的關(guān)注和培養(yǎng)，所以在自制教具時，教師也應(yīng)體現(xiàn)這一點，讓學(xué)生可以在制作教具的過程中啟發(fā)想象力，開發(fā)智力，在實驗探究及問題提出和解決中真正學(xué)習(xí)到知識。

例如，在教學(xué)“向心力”這部分知識點時，教師可以組織學(xué)生進行教具的自主設(shè)計。向心力是一節(jié)比較有趣的課程，教師可以設(shè)計“水流星”的自制教具。準備一根繩子，一邊綁住桶，一邊用手拉動快速地轉(zhuǎn)動，桶中的水沒有溢出，體現(xiàn)的實驗原理就是向心力。在課堂上，教師可以組織學(xué)生利用生活用品再做一個對向心力進行實驗的新教具。首先，制作方法。準備一根100厘米的繩子，一端固定一個50g的秤砣，一端穿過硬質(zhì)的塑料管，繩子的另一端固定一瓶沒有打開的礦泉水。實驗過程：在制作完教具后，教師可以將其用在圓周運動中，給學(xué)生制造懸念，激發(fā)學(xué)生對問題的探究欲望，然后用手將硬質(zhì)塑料管握住，讓秤砣在水平面上快速旋轉(zhuǎn)，秤砣離心之后繩子會繃緊，進而拉動礦泉水瓶子，確保其不落下來。將教具應(yīng)用在向心力探究中，能夠讓學(xué)生更加直觀地感受實驗效果。

結(jié) 語

綜上所述，高中物理自制教具重點考查的是學(xué)生的自主性和創(chuàng)造性，同時也是對學(xué)生物理知識學(xué)習(xí)情況的直接考查。因此，基于核心素養(yǎng)的高中物理教學(xué)要充分體現(xiàn)學(xué)生的自主性，巧妙地利用生活中現(xiàn)有的物品制作新的教具，創(chuàng)新學(xué)生思維，從物理理念的深入、學(xué)生科學(xué)思維及科學(xué)研究能力的培養(yǎng)方面強化自制教具的實驗效果，使學(xué)生真正得到鍛煉、得到成長。