自制物理教具 添彩物理課堂

吳 釩 魏 萌 羅海軍 王艷偉

(溫州大學(xué)數(shù)理學(xué)院 浙江 溫州 325035)

1 問(wèn)題的提出

實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)，在中學(xué)物理教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)既是手段也是目的.實(shí)驗(yàn)教學(xué)在傳授學(xué)生物理概念、原理、解題技巧等方面的效率未必比課堂講授高，有時(shí)甚至?xí)ㄙM(fèi)更多時(shí)間和金錢(qián)，看上去好像“事倍功半”；但學(xué)生從實(shí)驗(yàn)演示中看到的，從實(shí)驗(yàn)探究中得到的，從實(shí)驗(yàn)交流中頓悟的，往往都是學(xué)生畢生難忘的知識(shí)與經(jīng)歷.具身在物理實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)中的學(xué)生，更能獲得對(duì)物理科學(xué)知識(shí)更本質(zhì)、更深刻、更持久的理解與感悟，更能體會(huì)到科學(xué)家探究物理真理的艱辛不易.

實(shí)驗(yàn)教具在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中扮演著重要角色，教具又包括廠(chǎng)制教具和自制教具兩種.廠(chǎng)制教具專(zhuān)而精，在物理教學(xué)中占主要地位；自制教具廣又新，取材廣泛、制作新穎的自制教具通常作為廠(chǎng)制教具的補(bǔ)充.不可否認(rèn)的是自制教具的測(cè)量精確性和樣式美觀(guān)性難以與廠(chǎng)制教具相媲美，但自制教具更利于教師個(gè)性化教學(xué)，更利于激起學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情，增進(jìn)實(shí)驗(yàn)親近感[1].

2 自制教具的特點(diǎn)

物理自制教具是指教師指導(dǎo)、組織學(xué)生自己動(dòng)手制作能呈現(xiàn)物理原理的實(shí)驗(yàn)器具或指教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用自制的物理器具[2].自制教具主要有以下幾個(gè)特點(diǎn).

2.1 天然的趣味性 激趣實(shí)驗(yàn)引入

自制教具有天然的趣味性.自制教具不同于廠(chǎng)制教具的精密?chē)?yán)肅，有著自己天然的趣味性，具體表現(xiàn)在：(1)通過(guò)自制教具而非靠教師文字描述或是PPT圖片和視頻的形式呈現(xiàn)物理現(xiàn)象，可以將問(wèn)題直接展示在學(xué)生面前，更加生動(dòng)直接，形象真實(shí).(2)自制教具選材廣泛，囊括生產(chǎn)生活的方方面面，特別是選取一些學(xué)生生活中常見(jiàn)的物品、材料加以組裝改造，“突?！钡某霈F(xiàn)在物理課堂上時(shí)，這其中的不協(xié)調(diào)性常常能引發(fā)學(xué)生好奇心和強(qiáng)烈的求知欲望.(3)自制教具的趣味性還表現(xiàn)在教具演示的實(shí)際現(xiàn)象與學(xué)生預(yù)料的結(jié)果不一致.若用學(xué)生更熟悉的自制教具插入課堂，學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的神秘感和畏難情緒會(huì)大大減弱從而有著更為積極的課堂表現(xiàn)，對(duì)教師提出的問(wèn)題活躍發(fā)言；然而經(jīng)過(guò)教師巧妙改造過(guò)的教具的演示現(xiàn)象往往出乎學(xué)生意料，學(xué)生潛在的錯(cuò)誤前概念得以暴露.

例如，教師可將自制揚(yáng)聲器接入功放輸出音頻即可在課堂上播放音樂(lè)，引起學(xué)生注意力，激起學(xué)生探究熱情.

實(shí)驗(yàn)器材：直徑0.2～0.3mm的漆包線(xiàn)，紙盒(或紙杯、紙袋等)，釹鐵硼圓磁鐵，透明膠帶，雙面膠，鱷魚(yú)夾等.

教具制作：先在紙盒底部貼上一層雙面膠，將漆包線(xiàn)以一定形狀緊貼在雙面膠上，再用透明膠帶貼牢固定(保證漆包線(xiàn)受安培力振動(dòng)時(shí)能帶動(dòng)紙盒一起振動(dòng)發(fā)聲)，最后將漆包線(xiàn)兩引出端刮漆完全.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析：將磁鐵放在紙盒上(或置于紙盒正下方)，再將漆包線(xiàn)兩引出端接上功放輸出音頻，即可神奇的還原動(dòng)聽(tīng)的音樂(lè)，如圖1(a)所示.學(xué)生的原理探析在教師引導(dǎo)下從揚(yáng)聲器原理圖出發(fā)，如圖1(b)所示.粘貼在紙盒上的線(xiàn)圈內(nèi)有從功放輸出的音頻交流電信號(hào)，線(xiàn)圈在磁場(chǎng)作用下受到安培力而帶動(dòng)紙盒一起振動(dòng)，因而完美還原了樂(lè)聲.因?yàn)轭l率決定音調(diào)，振幅決定響度，所以線(xiàn)圈處處產(chǎn)生的聲音音調(diào)一樣只是大小不同罷了.可以看出，飽含趣味性的自制教具特別適合在教學(xué)引入環(huán)節(jié)使用，可以有效構(gòu)建多樣化教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和求知欲望.

(a)

2.2 必備的直觀(guān)性 改善演示效果

觀(guān)察和實(shí)驗(yàn)是學(xué)習(xí)物理的重要手段，因而在物理教學(xué)中演示實(shí)驗(yàn)也是占有重要地位的[3].為改善演示實(shí)驗(yàn)的效果，幫助學(xué)生更為清晰明了地觀(guān)察物理現(xiàn)象，直觀(guān)性也是自制教具所必備的品質(zhì)之一.

首先，教具的外觀(guān)尺寸要有一定的規(guī)格.演示教具面向的是全體學(xué)生，應(yīng)當(dāng)做的盡量大一些，盡可能使全體學(xué)生能夠直觀(guān)清晰地看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.其次，還應(yīng)變水平面展示為豎直面展示.用作演示實(shí)驗(yàn)的教具要設(shè)法克服重力場(chǎng)的干擾，變水平展示為豎直展示，從學(xué)生視角出發(fā)也能看清實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.最后，實(shí)驗(yàn)演示目的要單一，突出重點(diǎn).教具制作切不可只顧外觀(guān)奇異花哨，而忽視了最初的制作目的，一切都要以促進(jìn)課堂教學(xué)效果的改善和學(xué)生有效學(xué)習(xí)的發(fā)生為要義，切不可以教具本身為重，喧賓奪主.

例如，教師可利用自制聲音可視化教具演示聲音的振動(dòng)現(xiàn)象，改善演示效果.

實(shí)驗(yàn)器材：外徑36mm(內(nèi)徑30mm)的PVC管，激光手電筒，兩塊方形平面鏡，橡皮薄膜，橡皮筋等.

教具制作：在兩端開(kāi)口的PVC管的一端緊密貼上橡皮薄膜，將輕質(zhì)平面鏡固定在薄膜上，再將PVC管與一帶平面鏡的激光手電筒綁在一起，調(diào)整激光筆上平面鏡的角度，使得激光正好可以經(jīng)兩平面鏡的反射后落在墻上，如圖2(a)所示.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析：當(dāng)學(xué)生用不同響度和音調(diào)的聲音對(duì)著PVC管喊話(huà)時(shí)，墻上圖案的大小、形狀都會(huì)改變，如圖2(b)所示.聲音是由振動(dòng)產(chǎn)生的，但振動(dòng)卻不易觀(guān)察到.本教具將聲音的微小振動(dòng)通過(guò)光在平面鏡上反射放大照在墻壁上，通過(guò)觀(guān)察圖案的大小、形狀，明確聲音的響度和音調(diào)，實(shí)現(xiàn)聲音的可視化，較好地貫徹了直觀(guān)性原則.

(a)

2.3 可親的真實(shí)性 鼓勵(lì)動(dòng)手實(shí)踐

物理知識(shí)來(lái)源于生活，又將應(yīng)用于生活.自制教具看似簡(jiǎn)陋粗糙卻又蘊(yùn)涵豐富的物理知識(shí)，保證親切性的同時(shí)不失科學(xué)性，而且其制作過(guò)程還能鍛煉學(xué)生的動(dòng)手操作能力和獨(dú)立設(shè)計(jì)能力，育人價(jià)值豐厚.

自制教具的真實(shí)性具體表現(xiàn)在制作材料真實(shí)、制作過(guò)程真實(shí)和實(shí)驗(yàn)結(jié)論真實(shí).制作材料真實(shí)是指在不違背科學(xué)性和美觀(guān)性的原則下，教具的制作材料盡量用學(xué)生生活中熟悉的材料為原料，讓學(xué)生倍感親切，放下對(duì)物理學(xué)科的“戒心”；制作過(guò)程真實(shí)指物理教具的制作過(guò)程在學(xué)生看來(lái)是真實(shí)的、可復(fù)制的，要讓學(xué)生也有設(shè)計(jì)制作的沖動(dòng)，積極投入；實(shí)驗(yàn)結(jié)論真實(shí)指對(duì)實(shí)驗(yàn)事實(shí)和結(jié)果的尊重，絕不編造修改真實(shí)數(shù)據(jù)，培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的實(shí)驗(yàn)態(tài)度.這正如蘇霍姆林斯基在《給教師的一百條建議中》所說(shuō)：“讓學(xué)生體驗(yàn)到一種自己在親自參與掌握知識(shí)的情感，乃是喚起少年特有的對(duì)知識(shí)的興趣的重要條件”.

例如，在學(xué)生學(xué)習(xí)電磁感應(yīng)現(xiàn)象后，教師可引導(dǎo)學(xué)生自制簡(jiǎn)易直流電動(dòng)機(jī)展示物理學(xué)知識(shí)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用.

實(shí)驗(yàn)器材：直徑0.4mm的漆包線(xiàn)，一號(hào)干電池，釹鐵硼圓磁鐵，電池盒，金屬支架等.

教具制作：將漆包線(xiàn)依據(jù)一定形狀(如圓形、矩形、心形等)纏繞若干圈并固定，在漆包線(xiàn)兩端各繞出一個(gè)引出端，將兩個(gè)引出端絕緣漆一端全刮，另一端半刮，再放置在金屬支架上接入電源，最后將磁鐵置于線(xiàn)圈下方即可制成，如圖3(a)所示.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析：通電線(xiàn)圈在磁場(chǎng)中會(huì)受到安培力的作用，由于線(xiàn)圈兩邊的電流方向相反而磁場(chǎng)相同，所以線(xiàn)圈受到的安培力即可充當(dāng)線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力；由于右引出端絕緣漆半刮，當(dāng)線(xiàn)圈轉(zhuǎn)動(dòng)半個(gè)周期后不受安培力而靠慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了線(xiàn)圈的持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng).此外，若將該電機(jī)稍加變換還可變成一個(gè)迷你發(fā)電機(jī)，如圖3(b)所示.去掉電池后，用吹氣筒吹動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)切割磁感線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)萬(wàn)用表電壓擋有示數(shù)，重現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，模擬風(fēng)力發(fā)電，滲透科學(xué)態(tài)度與責(zé)任.

(a)

2.4 適當(dāng)?shù)木C合性 宜于模型建構(gòu)

自制教具還具備適當(dāng)?shù)木C合性.綜合性的自制教具融合了物理學(xué)科各類(lèi)知識(shí)，甚至還包含一些其他學(xué)科的知識(shí)，十分宜于學(xué)生模型建構(gòu)能力的培養(yǎng).

自制教具的綜合性具體體現(xiàn)為構(gòu)造綜合和功能綜合.構(gòu)造綜合包括教具所含知識(shí)綜合，涵蓋中學(xué)物理力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等分支學(xué)科還包含其他相鄰學(xué)科的若干知識(shí)；也指教具體現(xiàn)的物理模型綜合，可由多種物理模型合理組合而成.功能綜合指教具的適用范圍廣，包括教學(xué)內(nèi)容廣泛和教學(xué)情境廣泛，同一教具可在不同知識(shí)點(diǎn)的教學(xué)和課堂教學(xué)的不同環(huán)節(jié)重復(fù)使用，做到一器多用.

例如，教師可自制光通信演示教具來(lái)演示光通信現(xiàn)象，協(xié)助培養(yǎng)學(xué)生模型建構(gòu)能力.

實(shí)驗(yàn)器材：手電筒，50 V/100 μF規(guī)格的電容，10 mH規(guī)格的電感，功放，音箱，55 mm和60 mm的太陽(yáng)能電池板等.

教具制作：將電容、電感和手電筒按圖4(a)所示的調(diào)制電路接好制成光通信手電筒，再將光通信手電筒和功放接在一起構(gòu)成發(fā)射端；將太陽(yáng)能電池板兩引出端與音箱接在一起構(gòu)成接收端，如圖4(b)所示.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析：當(dāng)功放和音箱通電且光通信手電筒的光照在太陽(yáng)能電池板上時(shí)，音箱就發(fā)出動(dòng)聽(tīng)的音樂(lè)；而移走或用障礙物擋住光源時(shí)，音箱不發(fā)聲.其工作原理如圖4(c)所示，當(dāng)發(fā)射端將音頻信號(hào)通過(guò)調(diào)制電路和手電筒將聲音電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)；接收端通過(guò)音頻線(xiàn)將太陽(yáng)能電池板與音箱相接，光信號(hào)通過(guò)太陽(yáng)能電池板、音箱等器件實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、電聲轉(zhuǎn)換，最終實(shí)現(xiàn)聲音的還原輸出.光通信演示教具成功實(shí)現(xiàn)了電光轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和電聲轉(zhuǎn)換，有力地證明了光是可以傳遞能量和信息的，演示現(xiàn)象震撼，具有一定的綜合性，宜于學(xué)生模型建構(gòu)能力的培養(yǎng).

(a)

2.5 一定的創(chuàng)新性 開(kāi)拓創(chuàng)新能力

最后，自制教具還具備一定的創(chuàng)新性.事實(shí)上，利用生活中常見(jiàn)的物品、材料經(jīng)簡(jiǎn)單加工設(shè)計(jì)，制成自制教具應(yīng)用在課堂教學(xué)活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)中本身就體現(xiàn)了創(chuàng)新性，教師對(duì)自制教具巧妙的設(shè)計(jì)、獨(dú)到的構(gòu)思時(shí)刻都在潛移默化地啟迪、激勵(lì)著學(xué)生的創(chuàng)造性思維.

自制教具的創(chuàng)新性體現(xiàn)在許多方面，諸如利用生活廢舊品合理改造反映廢物利用的創(chuàng)造思路；注重生活物品的物理屬性(包括形狀、密度、彈性、導(dǎo)電性、絕熱性等)而非其生活用途，突破功能固著的創(chuàng)造思路；借助同一物品制作不同類(lèi)型的教具，實(shí)現(xiàn)一物多用的創(chuàng)造思路；利用重組、借用、代替、放大等原則對(duì)現(xiàn)有教具的不足之處改進(jìn)修正的創(chuàng)造思路等等.

例如，在電磁阻尼現(xiàn)象的演示實(shí)驗(yàn)中，我們通常是讓小磁鐵從等長(zhǎng)的鋁管和塑料管中下落作對(duì)比實(shí)驗(yàn)演示電磁阻尼現(xiàn)象.雖然此實(shí)驗(yàn)的演示現(xiàn)象對(duì)比明顯，但是鋁管是不透明的，無(wú)法直觀(guān)地觀(guān)察小磁鐵運(yùn)動(dòng)情況.為此，筆者別具新意地自制了電磁阻尼演示教具.

實(shí)驗(yàn)器材：300 mm×300 mm的薄鋁板，500 mm×400 mm的木板，3個(gè)釹鐵硼圓磁鐵，鋸子等.

教具制作： 用記號(hào)筆在薄鋁板上畫(huà)出若干間距均勻的橫線(xiàn)，再用鋸子7在鋁板上沿橫線(xiàn)鋸出若干規(guī)整細(xì)縫，再將鋁板放置在帶邊的木板上.

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析：將3個(gè)一樣的圓磁鐵同時(shí)同高地從同一傾斜度的有細(xì)縫鋁板、無(wú)細(xì)縫鋁板以及木板上靜止釋放，可以清晰地看到3個(gè)磁鐵的滑落情況，如圖5所示.學(xué)生據(jù)此不僅可以清晰地觀(guān)察到電磁阻尼現(xiàn)象，還可以定性判斷影響電磁阻尼大小的因素并分析3種情況下小磁鐵受力情況和運(yùn)動(dòng)情況.本教具大膽地將鋁板鋸出若干細(xì)縫的做法對(duì)學(xué)生思維的啟發(fā)是大有裨益的，在新穎、巧妙的教具教學(xué)課堂里，學(xué)生的創(chuàng)造精神和開(kāi)拓精神一定能夠得到有效培育.

(a)

3 設(shè)計(jì)制作自制教具的收獲

自制教具應(yīng)當(dāng)成為中學(xué)物理教學(xué)的重要組成部分，教具的制作過(guò)程是教師與學(xué)生知識(shí)水平、思維素養(yǎng)、實(shí)踐能力、創(chuàng)新精神和情感態(tài)度全面參與的協(xié)調(diào)發(fā)展過(guò)程.需要注意的是，好的教具是應(yīng)當(dāng)同時(shí)具備多種上述特性的，不同的教具甚至是同一個(gè)教具也可以出現(xiàn)在課堂的不同環(huán)節(jié)扮演不同的角色；教具的制作也不是一帆風(fēng)順的，需要反復(fù)制作、實(shí)驗(yàn)、修改、研討才能合理應(yīng)用在物理課堂上，這都需要廣大物理教師們開(kāi)發(fā)應(yīng)用，添彩物理課堂[4].