自制教具在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用

摘 要：初中物理是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)課程，其中的電學(xué)部分在初中物理教學(xué)中既是重點(diǎn)又是難點(diǎn)。江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社初中物理教材涉及電學(xué)的內(nèi)容較多，既有八年級(jí)下冊(cè)第六章第五節(jié)包含了物體的導(dǎo)電性（絕緣性）相關(guān)內(nèi)容的《物質(zhì)的物理屬性》，又有九年級(jí)《電路初探》《歐姆定律》以及《電功和電熱》三章內(nèi)容。通過(guò)演示自制教具“電學(xué)綜合演示儀”，能提高學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的興趣，激發(fā)物理學(xué)習(xí)熱情，同時(shí)也能提高教師將自制教具應(yīng)用于日常教學(xué)中的能力。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)電性；初中物理；自制教具；電學(xué)實(shí)驗(yàn)

作者簡(jiǎn)介：葛詩(shī)昂（1992—），男，江蘇省昆山市周市中學(xué)。

2022年版《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“2022年版物理新課標(biāo)”）中課程實(shí)施的教學(xué)建議指出，教師應(yīng)靈活運(yùn)用多種教學(xué)方式，注重“做中學(xué)”“用中學(xué)”。教師要通過(guò)活動(dòng)幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和運(yùn)用知識(shí)，提升學(xué)生的操作技能與探究能力［1］。物理實(shí)驗(yàn)和跨學(xué)科實(shí)踐是落實(shí)物理課程育人要求的重要載體，教師要確保物理課程實(shí)踐活動(dòng)教學(xué)質(zhì)量，重視發(fā)揮課程實(shí)踐活動(dòng)的綜合育人作用。

2022年版物理新課標(biāo)的課程內(nèi)容部分將電學(xué)與磁學(xué)的部分內(nèi)容合并為“電磁能”作為一個(gè)二級(jí)主題，列于一級(jí)主題“能量”內(nèi)，內(nèi)容要求有：1.從能量角度認(rèn)識(shí)電源和用電器的作用。2.知道電壓、電流和電阻。探究電流與電壓、電阻的關(guān)系，理解歐姆定律。3.會(huì)使用電流表和電壓表。4.會(huì)看、會(huì)畫(huà)簡(jiǎn)單的電路圖。會(huì)連接簡(jiǎn)單的串聯(lián)電路和并聯(lián)電路。5.結(jié)合實(shí)例，了解電功和電功率。知道用電器的額定功率和實(shí)際功率。6.通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解焦耳定律。能用焦耳定律說(shuō)明生產(chǎn)生活中的有關(guān)現(xiàn)象。7.了解家庭電路的組成。有安全用電和節(jié)約用電的意識(shí)［2］。在學(xué)習(xí)《物質(zhì)的物理屬性》中的導(dǎo)電性后，學(xué)生容易對(duì)導(dǎo)電性與絕緣性有固化的理解，不知道導(dǎo)電體與絕緣體在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。這不僅對(duì)學(xué)生之后的電學(xué)部分學(xué)習(xí)有影響，更不利于學(xué)生樹(shù)立安全用電意識(shí)。筆者希望通過(guò)對(duì)自制教具“電學(xué)綜合演示儀”的演示，讓學(xué)生了解到導(dǎo)電性與絕緣性可以相互轉(zhuǎn)化，樹(shù)立安全用電意識(shí)。對(duì)于江蘇鳳凰科學(xué)技術(shù)出版社物理教材中的《電路初探》《歐姆定律》以及《電功和電熱》三章內(nèi)容，本“電學(xué)綜合演示儀”也可以進(jìn)行一些演示實(shí)驗(yàn)。

一、自制教具“電學(xué)綜合演示儀”的結(jié)構(gòu)

筆者自制教具“電學(xué)綜合演示儀”電路圖如圖1所示，實(shí)驗(yàn)器材比較簡(jiǎn)單，都是生活中或者初中物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)中比較常見(jiàn)的器材，體現(xiàn)了從生活走向物理的課程理念。學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)內(nèi)容時(shí)，教師可以現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行組裝并演示，學(xué)生課下也可以在家長(zhǎng)的協(xié)助下動(dòng)手制作該實(shí)驗(yàn)儀器，不僅能增進(jìn)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，還能促進(jìn)學(xué)生動(dòng)手能力和探究能力的發(fā)展。

本實(shí)驗(yàn)儀器的主要部分是一塊長(zhǎng)600㎜，寬400㎜，厚度約為15㎜的長(zhǎng)方體木板，底部裝有兩根長(zhǎng)150㎜，寬50㎜，厚10㎜的木條作為支架?！半妼W(xué)綜合演示儀”不僅可以用于八年級(jí)下冊(cè)第六章第五節(jié)《物質(zhì)的物理屬性》的教學(xué)，為學(xué)生講解導(dǎo)電性與絕緣性的相互轉(zhuǎn)化，還可以用于九年級(jí)上冊(cè)第十三章《電路初探》的教學(xué)，為學(xué)生演示通路、短路和斷路，以及講解九年級(jí)下冊(cè)第十五章第三節(jié)《電熱器? 電流的熱效應(yīng)》的相關(guān)內(nèi)容。

二、自制教具“電學(xué)綜合演示儀”使用方法

（一）物質(zhì)的物理屬性——導(dǎo)電性（絕緣性）

使用“電學(xué)綜合演示儀”進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)前，開(kāi)關(guān)S1和S2一定要處于斷開(kāi)狀態(tài)，按照電路圖完成儀器組裝。需要注意的是第一次實(shí)驗(yàn)前在L1和L2處均放置完好的燈泡，用來(lái)檢驗(yàn)電路連接是否正確。組裝完成后接通電源，先閉合開(kāi)關(guān)S1，兩個(gè)燈泡均正常發(fā)光，再閉合開(kāi)關(guān)S2，燈泡L2由于短路而熄滅。以上現(xiàn)象說(shuō)明電路連接正確，各部分用電器工作正常。

完成上述實(shí)驗(yàn)操作后斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1，L1處燈泡不需要更換，將L2處的燈泡取下，換上提前制作好的實(shí)驗(yàn)用特殊燈泡（后文講解具體的制作方法），閉合開(kāi)關(guān)S1，觀察到L1處燈泡不能正常發(fā)光。斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1，調(diào)整好酒精燈高度后閉合開(kāi)關(guān)S1，點(diǎn)燃酒精燈，并用外焰對(duì)L2處的燈泡芯柱進(jìn)行加熱，在將無(wú)色透明的芯柱燒至紅熱狀態(tài)時(shí)，發(fā)現(xiàn)L1處燈泡發(fā)光且亮度逐漸增強(qiáng)；熄滅并移走酒精燈，L2處的芯柱繼續(xù)保持紅熱狀態(tài)，燈泡L1繼續(xù)發(fā)光。閉合開(kāi)關(guān)S2，將L2處燈泡短路，發(fā)現(xiàn)L1處燈泡亮度增加，說(shuō)明玻璃即使導(dǎo)電，電阻也不可以忽略不計(jì)，不能將其看作電阻可以忽略不計(jì)的導(dǎo)線。斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2，原本顏色慢慢變暗的L2處芯柱又恢復(fù)至紅熱狀態(tài)，L1處燈泡亮度變暗。斷開(kāi)所有開(kāi)關(guān)，實(shí)驗(yàn)完畢。

（二）電路初探——通路、短路和斷路

通路：在L1和L2處安裝上正常的燈泡，閉合開(kāi)關(guān)S1，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2，兩個(gè)燈泡均正常發(fā)光。斷路：將通路實(shí)驗(yàn)中的開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，兩盞燈均不亮。短路：在L1和L2處安裝上正常的燈泡，閉合開(kāi)關(guān)S1，兩個(gè)燈泡均正常發(fā)光，再閉合開(kāi)關(guān)S2，燈泡L2發(fā)生短路。還可以觀察到開(kāi)關(guān)S2閉合前后，燈泡L1亮度明顯增大，有助于學(xué)生認(rèn)識(shí)家庭電路發(fā)生短路的危險(xiǎn)性。需要注意的是，相對(duì)于直流電路，由于交流電路的電壓為220 V，電壓較高，在演示短路現(xiàn)象時(shí)，不能將導(dǎo)線不經(jīng)過(guò)用電器直接與電源相連，以免發(fā)生危險(xiǎn)。

（三）導(dǎo)體電阻與溫度有關(guān)

大量實(shí)驗(yàn)表明，電阻的大小與導(dǎo)體的長(zhǎng)度、橫截面積及種類(lèi)有關(guān)，即R=，這說(shuō)明電阻是導(dǎo)

體本身的一種性質(zhì)。通過(guò)學(xué)習(xí)，學(xué)生可以知道，導(dǎo)體電阻還與溫度有關(guān)。

在L1和L2處放置燈泡，閉合開(kāi)關(guān)S1，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S2，敲碎L(zhǎng)2處燈泡外殼，一段時(shí)間后觀察L1處燈泡亮度，再對(duì)L2處燈絲吹氣，使其降溫，再觀察L1處燈泡亮度。發(fā)現(xiàn)L2處燈絲溫度降低時(shí)L1處燈泡更亮，說(shuō)明導(dǎo)體溫度越高電阻越大。

（四）電流的熱效應(yīng)

在導(dǎo)電性（絕緣性）的演示實(shí)驗(yàn)中提到，熄滅并移走酒精燈，L2處的芯柱繼續(xù)保持紅熱狀態(tài)。這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)是在八年級(jí)的教學(xué)中做的，學(xué)生雖然看到了上述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但教師未進(jìn)行詳細(xì)解釋。而教師在講解教材九年級(jí)下冊(cè)《電熱器? 電流的熱效應(yīng)》這一節(jié)內(nèi)容時(shí)，可以給學(xué)生講解L2處的芯柱繼續(xù)保持紅熱狀態(tài)的原因（電流的熱效應(yīng)），有利于學(xué)生加深對(duì)于這部分內(nèi)容的理解。

初中物理教材上的內(nèi)容以簡(jiǎn)單直流電路為主，自制教具“電學(xué)綜合演示儀”作為教材內(nèi)容的重要補(bǔ)充，符合2022年版物理新課標(biāo)所提出的素材可源于日常生活的建議，同時(shí)可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、探究能力，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。

三、自制教具“電學(xué)綜合演示儀”在初中物理教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

安全用電在日常生活中是一個(gè)常見(jiàn)的話題。初中生有著較強(qiáng)的好奇心和動(dòng)手能力，安全意識(shí)相對(duì)成年人較淡薄，易發(fā)生用電事故。通過(guò)“電學(xué)綜合演示儀”的演示，可以讓學(xué)生清楚地觀察到本來(lái)絕緣的物體在一定條件下是可以導(dǎo)電的，原本電路的斷路變成了通路。課堂上的觀察獲得的直接經(jīng)驗(yàn)有利于加強(qiáng)學(xué)生對(duì)于學(xué)校安全用電教育的理解。

相對(duì)于教材中的常見(jiàn)教具以及生活中常見(jiàn)的物理現(xiàn)象，自制教具更能吸引學(xué)生的課堂注意力，提升其聽(tīng)課效率，并能激發(fā)學(xué)生課后自己制作、自己探索的興趣。這也符合2022年版物理新課標(biāo)中注重科學(xué)探究，倡導(dǎo)教學(xué)方式多樣化的課程理念。

初中教材中關(guān)于電學(xué)部分的內(nèi)容以直流電路為主，涉及交流電路的內(nèi)容只有《電能表與電功》《家庭電路與安全用電》這兩節(jié)，其他內(nèi)容主要在高中進(jìn)行學(xué)習(xí)。教師通過(guò)自制教具，讓初中的物理教學(xué)更貼近日常生活，有利于初中生了解家庭電路的組成，樹(shù)立安全用電和節(jié)約用電的意識(shí)，做到從生活走向物理，讓物理反饋生活。

“電學(xué)綜合演示儀”選用的都是生活中常見(jiàn)的、學(xué)生容易找到的器材進(jìn)行制作，制作成本較低?！半妼W(xué)綜合演示儀”的制作可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、探究能力，提升學(xué)生的核心素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)用特殊燈泡可以用家里壞掉的燈泡進(jìn)行制作，在拆解燈泡時(shí)學(xué)生也可以弄清楚燈泡發(fā)光的原理以及壞燈泡不能正常發(fā)光的原因，符合2022年版物理新課標(biāo)中的教學(xué)面向全體學(xué)生，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的課程理念。

四、“電學(xué)綜合演示儀”制作難點(diǎn)

（一）實(shí)驗(yàn)用特殊燈泡的制作

燈泡能正常發(fā)光是因?yàn)橐粋?cè)的導(dǎo)絲有電流流出，經(jīng)過(guò)中間的燈絲（通常為鎢絲）再流入另一側(cè)的導(dǎo)絲，和電路其他部分形成了閉合回路。在制作實(shí)驗(yàn)用特殊燈泡時(shí)，需要將白熾燈外面的玻璃燈罩敲碎，去除中間的燈絲（鎢絲）和鉬絲支架，并對(duì)芯柱進(jìn)行加熱，至紅熱狀態(tài)時(shí)將兩側(cè)的導(dǎo)絲附著在芯柱上，再進(jìn)行冷卻。需要注意的是，兩側(cè)的導(dǎo)絲附著在芯柱上時(shí)不能直接相互接觸，要做到兩側(cè)燈絲間相互絕緣，這是成功制作演示儀的關(guān)鍵。

（二）加熱源的選取

能將芯柱燒至紅熱狀態(tài)是演示實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。筆者查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)，玻璃的導(dǎo)電溫度在600攝氏度左右。筆者最先測(cè)試的加熱源為蠟燭，雖然蠟燭的外焰溫度能達(dá)到目標(biāo)溫度，但在實(shí)際操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)蠟燭作為加熱源成功率很低，原因有兩點(diǎn)：一是蠟燭在燃燒過(guò)程中高度會(huì)發(fā)生變化，無(wú)法一直利用外焰加熱；二是蠟燭在燃燒時(shí)會(huì)有黑煙冒出，無(wú)色透明芯柱變黑，影響實(shí)驗(yàn)效果。因此，蠟燭不能作為加熱源。筆者測(cè)試酒精噴燈作為加熱源時(shí)，其外焰溫度最高可以達(dá)到1000攝氏度，芯柱由無(wú)色透明狀態(tài)變成紅熱狀態(tài)所需要的時(shí)間極短，燈泡L1逐漸變亮的過(guò)程幾乎觀察不到，而且長(zhǎng)時(shí)間用酒精噴燈對(duì)芯柱加熱甚至?xí)屝局刍?，影響?shí)驗(yàn)正常進(jìn)行。因此，筆者最終選擇酒精燈作為物質(zhì)的物理屬性——導(dǎo)電性（絕緣性）演示實(shí)驗(yàn)的加熱源。

五、“電學(xué)綜合演示儀”不足之處與改進(jìn)

“電學(xué)綜合演示儀”采用的是220 V交流電進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在課后獨(dú)立制作時(shí)會(huì)有一定的危險(xiǎn)性，因此需要教師或其他專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行指導(dǎo)。學(xué)生自制“電學(xué)綜合演示儀”時(shí)，可以使用36 V的學(xué)生電源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生電源滿(mǎn)足本實(shí)驗(yàn)的交流電要求，也符合不高于36 V的人體安全電壓要求。為了讓學(xué)生深刻體會(huì)安全用電的重要性，可以在電路中加上熔絲（保險(xiǎn)絲），當(dāng)電路的電流超過(guò)一定限度，熔絲的溫度達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，它便會(huì)熔斷，自動(dòng)切斷電路，從而保證電路安全［3］。

教師可以進(jìn)行再設(shè)計(jì)，在燈泡L1處并聯(lián)一個(gè)燈泡和控制開(kāi)關(guān)，并接入電流電壓表，能進(jìn)行交流電路串并聯(lián)特點(diǎn)研究，從側(cè)面驗(yàn)證歐姆定律不僅適用于直流電路，也同樣適用于交流電路。

“電學(xué)綜合演示儀”質(zhì)量較大，不便于攜帶，教師可將其做成折疊式、可拆解式實(shí)驗(yàn)儀器，方便攜帶。

六、其他說(shuō)明

1.燈泡的功率越大，加熱所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。根據(jù)課堂時(shí)長(zhǎng)，選擇功率為40 W左右的燈泡較為合適。2.將燈泡外殼敲碎后，需對(duì)剩余部分仔細(xì)處理，以免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生割傷事故。3.酒精燈需選擇濃度較高的酒精，無(wú)水酒精或95%濃度的酒精比較合適。在選用酒精時(shí)，應(yīng)盡量選用未開(kāi)封的，以免因?yàn)殚_(kāi)封時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致酒精揮發(fā)，濃度降低，影響實(shí)驗(yàn)效果。4.在進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師需要時(shí)刻提醒學(xué)生注意用電安全，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的求學(xué)態(tài)度。

結(jié)語(yǔ)

2022年版的《義務(wù)教育課程方案》的修訂原則中指出，要堅(jiān)持創(chuàng)新導(dǎo)向，強(qiáng)化課程綜合性和實(shí)踐性，推動(dòng)育人方式變革，著力發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)。凸顯學(xué)生主體地位，關(guān)心學(xué)生個(gè)性化、多樣化的學(xué)習(xí)和發(fā)展需求［4］。

教師要讓學(xué)生從熟悉的生活現(xiàn)象中去探究并認(rèn)識(shí)物理，讓豐富多彩的物理世界成為學(xué)生生活的一部分，擴(kuò)大學(xué)生的知識(shí)視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并將學(xué)生引向一個(gè)更大的天地中去學(xué)習(xí)物理［5］。教師自制教具和演示實(shí)驗(yàn)可以激發(fā)并保持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的探索精神，符合2022年版物理新課標(biāo)中倡導(dǎo)教學(xué)方式多樣化，靈活選用教學(xué)方式的要求。

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