初中物理實(shí)驗(yàn)儀器的自制與改進(jìn)

許波祥

【摘? 要】初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，而實(shí)驗(yàn)儀器作為實(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)鍵工具，對提升實(shí)驗(yàn)效果和學(xué)生實(shí)踐能力起著重要的作用。本文旨在探討初中物理實(shí)驗(yàn)儀器的自制與改進(jìn)，通過對自制實(shí)驗(yàn)儀器的意義、分類與作用進(jìn)行分析，提出一系列策略以促進(jìn)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)儀器的制作和改進(jìn)過程。這些策略以期在降低實(shí)驗(yàn)成本基礎(chǔ)上提升實(shí)驗(yàn)操作的靈活性與實(shí)用性，為學(xué)生提供一個發(fā)揮創(chuàng)造力和探索精神的平臺，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)順利開展提供有效保障。

【關(guān)鍵詞】初中物理；實(shí)驗(yàn)儀器；自制與改進(jìn)；實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；創(chuàng)新能力

初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐能力的重要組成部分。實(shí)驗(yàn)儀器作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要工具，對保證實(shí)驗(yàn)過程的順利進(jìn)行以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性具有重要作用。基于資源受限等因素的影響，一些學(xué)校無法提供足夠多、高質(zhì)量的物理實(shí)驗(yàn)儀器，需要通過自制與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器的方式解決實(shí)驗(yàn)操作難題。自制實(shí)驗(yàn)儀器是指通過利用簡單材料和工具，結(jié)合物理原理，制作出符合實(shí)驗(yàn)需求的實(shí)驗(yàn)裝置，這樣能在提升實(shí)驗(yàn)儀器精準(zhǔn)度的基礎(chǔ)上獲得更加可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

一、自制與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器的意義分析

自制與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器是實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的重要環(huán)節(jié)，其具有重要的教育意義和實(shí)踐價值。自制實(shí)驗(yàn)儀器能夠降低實(shí)驗(yàn)成本，提升實(shí)驗(yàn)效果。首先，相比于購買昂貴的實(shí)驗(yàn)儀器，利用簡單的材料和工具自制實(shí)驗(yàn)儀器，能在保證實(shí)驗(yàn)質(zhì)量的前提下降低實(shí)驗(yàn)成本。其次，自制與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器可以拓展實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用范圍。通過靈活運(yùn)用自制與改進(jìn)技巧，可以使實(shí)驗(yàn)儀器適應(yīng)更多不同類型的實(shí)驗(yàn)，拓展其應(yīng)用范圍，為教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供更多可能性。同時，根據(jù)實(shí)際教學(xué)需求改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器，能提升實(shí)驗(yàn)儀器的性能和精確度，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確可靠。最后，物理教師通過指導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)儀器自制與改進(jìn)，能加深學(xué)生對實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理等內(nèi)容的了解，通過動手操作實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新思維與操作能力的培養(yǎng)。

二、初中物理實(shí)驗(yàn)儀器的分類與作用

初中物理實(shí)驗(yàn)儀器是在物理實(shí)驗(yàn)中用于進(jìn)行各種測量、觀察和驗(yàn)證物理原理的工具裝置，大致分為測量儀器、光學(xué)儀器、電路儀器等幾類。測量儀器用于測量物理量，如刻度尺、溫度計(jì)、電表等；光學(xué)儀器用于研究光學(xué)現(xiàn)象，如面鏡（平面鏡、凸面鏡、凹面鏡）、透鏡（凸透鏡、凹透鏡）等；電路儀器用于進(jìn)行電路實(shí)驗(yàn)，如電源、電阻等。不同類別的實(shí)驗(yàn)儀器在實(shí)驗(yàn)中起到各自不可替代的作用，實(shí)驗(yàn)儀器的運(yùn)用幫助學(xué)生了解物理學(xué)原理，而通過自制和改進(jìn)可以提升實(shí)驗(yàn)儀器性能，使實(shí)驗(yàn)效果更佳。

三、初中物理實(shí)驗(yàn)儀器的自制與改進(jìn)策略

（一）根據(jù)教學(xué)目標(biāo)自制簡單實(shí)驗(yàn)儀器

初中物理實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)技能的重要環(huán)節(jié)，而實(shí)驗(yàn)儀器的自制與改進(jìn)能有效提升實(shí)驗(yàn)的趣味性和教學(xué)效果。物理教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的要求，結(jié)合學(xué)校資源和實(shí)際情況，有針對性地自制一些簡單的實(shí)驗(yàn)儀器，以滿足教學(xué)需求。首先，教師應(yīng)該明確實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)和要求。不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容需要不同的儀器，因此，在自制實(shí)驗(yàn)儀器之前要梳理清楚實(shí)驗(yàn)的具體目的、確定所需的儀器種類和功能。其次，教師可以利用現(xiàn)有的教學(xué)資源和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，尋找合適的自制實(shí)驗(yàn)儀器的方案。教師通過參考教科書、網(wǎng)絡(luò)資源、學(xué)術(shù)論文等途徑，了解已有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和儀器構(gòu)建方案，然后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和改進(jìn)。最后，教師需要評估自制實(shí)驗(yàn)儀器的可行性和成本效益。考慮到學(xué)校資源限制和實(shí)驗(yàn)器材成本，教師需要權(quán)衡利弊，選擇簡單制作且成本較低的實(shí)驗(yàn)儀器。

以“探究杠桿的平衡條件”實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，教師可以制作一個簡單的杠桿實(shí)驗(yàn)裝置，用于學(xué)生探究杠桿的平衡條件。第一步，教師選擇一根長度適合實(shí)驗(yàn)需求的均勻細(xì)木棍，確保木棍沒有明顯的瑕疵或彎曲。根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑O(shè)計(jì)杠桿的形狀，可以選擇直杠或L形杠等，本次實(shí)驗(yàn)中選擇直杠。第二步，將支架座放在實(shí)驗(yàn)臺上，選擇一個適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置一個固定的支點(diǎn)，確保杠桿可以在其上順利旋轉(zhuǎn)。將選好的木棍放置在支點(diǎn)上，確保其能夠自由旋轉(zhuǎn)，以模擬真實(shí)的杠桿運(yùn)動。第三步，使用繩子或線將小砝碼掛載在杠桿的一側(cè)，確保砝碼可以在杠桿上自由移動（通過將繩子繞過砝碼并系在杠桿上來實(shí)現(xiàn)）。第四步，教師將自制杠桿帶到實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中，讓學(xué)生使用尺子等工具確保砝碼位置的準(zhǔn)確度，使杠桿保持平衡。第五步，指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中觀察杠桿在不同位置時的平衡狀態(tài)，記錄相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如杠桿長度、砝碼位置等信息。通過以上操作，教師能制作一個簡單的杠桿實(shí)驗(yàn)裝置，讓學(xué)生通過實(shí)踐探究杠桿的平衡條件，有助于學(xué)生掌握杠桿實(shí)驗(yàn)的原理與操作方法，也能培養(yǎng)其實(shí)驗(yàn)操作與觀察能力。

（二）重視改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器提升性能

現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器是提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的重要手段，物理教師通過對已有實(shí)驗(yàn)儀器的性能進(jìn)行改進(jìn)，使其更適應(yīng)教學(xué)需要，提升實(shí)驗(yàn)精確度和可靠性，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能和科學(xué)認(rèn)知水平。首先，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)之前明確改進(jìn)的具體目標(biāo)和需求。例如，是否需要提升儀器的測量精度、穩(wěn)定性或擴(kuò)展其功能等，這些目標(biāo)會直接指導(dǎo)后續(xù)的改進(jìn)方向。其次，對現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器的原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入的了解，通過分析實(shí)驗(yàn)儀器的工作原理，確定哪些部件或參數(shù)需要進(jìn)行改進(jìn)。教師通過學(xué)術(shù)論文、專業(yè)書籍、科研機(jī)構(gòu)的技術(shù)報(bào)告等渠道獲取最新技術(shù)與設(shè)計(jì)思路等信息，確定實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)的具體方向。再次，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)時選擇合適的材料和元件至關(guān)重要，選擇高精度的傳感器、穩(wěn)定的電子元件等能提升儀器性能。最后，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器改進(jìn)后進(jìn)行充分的測試和驗(yàn)證，確保改進(jìn)的效果符合預(yù)期。

實(shí)驗(yàn)儀器的改進(jìn)是一個持續(xù)的過程，教師根據(jù)實(shí)際的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和學(xué)生的反饋，不斷優(yōu)化和改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器，使其逐步達(dá)到最佳狀態(tài)。如在進(jìn)行熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)過程中，物理教師可以將原來的金屬棒替換為具有不同熱傳導(dǎo)特性的材料，如塑料、木材等，以便學(xué)生比較不同材料的熱傳導(dǎo)情況。在熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)棒的兩端各增加一個溫度傳感器，以便實(shí)時監(jiān)測溫度變化，利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行記錄和分析。同時，配備熱像儀，用于實(shí)時顯示實(shí)驗(yàn)棒表面的溫度分布，使學(xué)生直觀地觀察熱量的傳導(dǎo)過程。利用數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，讓學(xué)生通過數(shù)據(jù)的整理和分析，能更清晰地了解熱傳導(dǎo)的規(guī)律和特性。通過這些改進(jìn)，學(xué)生能夠更直觀地觀察和分析熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的過程，深入理解不同材料的熱傳導(dǎo)特性。同時也讓實(shí)驗(yàn)操作更加生動有趣，促使學(xué)生以更好的精神面貌參與實(shí)驗(yàn)操作與交流中，有利于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)精神與獨(dú)立思考能力。

（三）指導(dǎo)學(xué)生分組制作簡單實(shí)驗(yàn)儀器

本文認(rèn)為通過親自動手制作實(shí)驗(yàn)儀器，初中生將在實(shí)踐中獲取直觀、感性的認(rèn)知，使抽象的理論知識更加具體和實(shí)質(zhì)化。物理教師應(yīng)該指導(dǎo)學(xué)生分組制作簡單實(shí)驗(yàn)儀器，讓學(xué)生在儀器制作過程中獲得更多的知識體驗(yàn)。小孔成像是初中物理實(shí)驗(yàn)中的重要內(nèi)容，通過分組制作簡單的實(shí)驗(yàn)儀器，讓學(xué)生親自動手制作實(shí)驗(yàn)裝置，深入理解小孔成像的基本原理，培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和團(tuán)隊(duì)合作的能力。第一，教師在實(shí)驗(yàn)之前講解小孔成像的原理——當(dāng)光線通過一個小孔時，光線會在小孔處發(fā)生衍射現(xiàn)象，從而形成一個像。教師將學(xué)生分成不同的實(shí)驗(yàn)合作小組，每個小組需要共同努力制作簡單的實(shí)驗(yàn)操作儀器。第二，鼓勵學(xué)生在兩個紙杯上制作小孔，在兩個紙杯的底部用剪刀剪出一個小孔，小孔直徑約為1毫米。用黑紙剪出兩張小圓片，直徑稍大于小孔，將這兩張小圓片粘貼在紙杯底部的小孔周圍，以阻止過多的光線通過。將一張白紙剪成一個小方塊，大小適中可以覆蓋住紙杯的打底部，將這個白紙方塊用膠帶固定在一個紙杯的口部作為屏幕。將兩個紙杯對口相套，確保小孔對齊，用膠帶將兩個紙杯固定在一起，以保證位置不會移動。將這張裝置放置在陽光照射的地方，或者用手電筒照射，調(diào)整紙杯的位置，使小孔對準(zhǔn)一個物體，在另一個紙杯的屏幕上觀察形成的圖像（會看到一個倒置、放大的影像）。第三，指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)儀器制作之后進(jìn)行操作，重點(diǎn)記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與數(shù)據(jù)，如物體形狀與大小等信息。這樣不僅利于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)儀器制作探索，也能在互動交流中深刻理解光學(xué)成像的基本原理，進(jìn)一步思考小孔成像的特性，還能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀察記錄能力。

（四）鼓勵學(xué)生對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，學(xué)習(xí)是一種建構(gòu)知識的過程，學(xué)生通過參與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和改進(jìn)，將抽象的理論知識轉(zhuǎn)化為具體的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。物理教師通過鼓勵初中生對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，可以培養(yǎng)他們的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和創(chuàng)新思維，也提升解決問題和應(yīng)用知識的能力。例如，在進(jìn)行探究平面鏡成像的特點(diǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師通過以下做法激勵學(xué)生對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

首先，在實(shí)驗(yàn)開始前，明確實(shí)驗(yàn)的觀察目標(biāo)，例如觀察成像位置的變化、研究成像的清晰度等，讓學(xué)生知道實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)。教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考平面鏡成像的問題，例如“在何種條件下成像會最清晰？”或“如何使成像位置發(fā)生變化？”“背景條件不同是否會產(chǎn)生不同的成像結(jié)果？”鼓勵他們提出猜想或者想法。其次，需要準(zhǔn)備多個不同尺寸的平面鏡，讓學(xué)生嘗試使用不同大小的平面鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生觀察到不同尺寸平面鏡的成像效果，更全面地了解平面鏡成像特點(diǎn)。再次，鼓勵學(xué)生提供多個光源的位置選項(xiàng)，通過自由選擇光源放置位置的方式，讓學(xué)生探究光源位置對成像的影響。學(xué)生在選擇光源位置后逐一觀察平面鏡中的成像效果，對比分析成像位置、大小與清晰程度等信息。同時，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用不同顏色的背景板或物體，實(shí)驗(yàn)觀察不同背景條件是否對成像效果造成影響。最后，學(xué)生應(yīng)該自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)記錄表格，涵蓋平面鏡尺寸、光源位置、觀察角度等信息，以及相應(yīng)的成像效果。這樣在保障學(xué)生參與度基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的針對性優(yōu)化，培養(yǎng)其創(chuàng)新思維能力，利于學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中深入理解平面鏡成像的特點(diǎn)，提升他們運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力。

四、結(jié)束語

初中物理實(shí)驗(yàn)儀器的自制與改進(jìn)是一個有益且具有實(shí)踐意義的活動，能在降低實(shí)驗(yàn)成本基礎(chǔ)上提高實(shí)驗(yàn)儀器的操作性能，為學(xué)生理論學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)操作提供更好的條件支持。本文認(rèn)為在自制與改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)儀器過程中，教師應(yīng)該根據(jù)教學(xué)目標(biāo)自制簡單實(shí)驗(yàn)儀器，重視改進(jìn)現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器提升性能，以此提升實(shí)驗(yàn)精確度和可靠性。同時，教師也需要指導(dǎo)學(xué)生分組制作簡單實(shí)驗(yàn)儀器，重視鼓勵學(xué)生對實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，讓學(xué)生在分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上鞏固所學(xué)的理論知識。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郭曉萍，秦曉文，尹瑋，等.基于認(rèn)知理論的初中物理實(shí)驗(yàn)分類研究[J].物理實(shí)驗(yàn)，2021，41（11）：55-59，63.

[2]王建籌.初中物理“隨手取材”實(shí)驗(yàn)的意義與實(shí)踐[J].福建教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，21（12）：47-48.

[3]洪維貞，張貴林.對初中物理實(shí)驗(yàn)儀器使用的冷思考[J].物理教學(xué)，2020，42（5）：39-41.