自制實(shí)驗(yàn)教具 優(yōu)化初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

摘" 要：物理實(shí)驗(yàn)是落實(shí)物理課程育人要求的重要載體，實(shí)驗(yàn)教具則是物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必不可少的部分。教師可以通過(guò)自制實(shí)驗(yàn)教具，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行觀察和實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，從而提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞：自制教具；實(shí)驗(yàn)優(yōu)化；科學(xué)探究能力

1" 引言

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）對(duì)核心素養(yǎng)的內(nèi)涵進(jìn)行了新的界定，同時(shí)明確了物理課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個(gè)方面。［1］《課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，物理實(shí)驗(yàn)是落實(shí)物理課程育人要求的重要載體，而科學(xué)探究又是物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分，其要求學(xué)生能夠基于觀察和實(shí)驗(yàn)提出物理問(wèn)題、形成猜想與假設(shè)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案、獲取與處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思。［2］

實(shí)驗(yàn)教具是開展物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要依托。而在實(shí)際的教學(xué)中，由于實(shí)驗(yàn)器材的局限性，教師往往只能引導(dǎo)學(xué)生開展一些封閉式或是半開放式的探究實(shí)驗(yàn)。在封閉式實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生就像是被牽線的木偶，只能跟著教師的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)走，為了探究而探究之。半開放實(shí)驗(yàn)相比于前者稍好一些，但對(duì)發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力還是會(huì)有一定的限制，比如缺乏“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案”的能力訓(xùn)練。事實(shí)上，學(xué)生能想到、做到的要比教師設(shè)想的多，教師應(yīng)該適當(dāng)放手，給學(xué)生更多自主探究的空間，這也對(duì)學(xué)生使用的實(shí)驗(yàn)教具提出了更高的要求。

“探究影響浮力大小的因素”是2012年版蘇科版初中物理八年級(jí)下冊(cè)第十章第4節(jié)“浮力”中的一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)，上承浮力概念、下接阿基米德原理。本文將從“現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教具的不足”“實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)與創(chuàng)新”“新教具在教學(xué)中的使用及效果”“對(duì)新教具的反思與評(píng)價(jià)”四個(gè)方面，闡述如何對(duì)“探究影響浮力大小的因素”實(shí)驗(yàn)教具進(jìn)行優(yōu)化，以及如何利用該教具開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力。

2" 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教具的不足

物理教材提供的“探究影響浮力大小的因素”實(shí)驗(yàn)器材有彈簧測(cè)力計(jì)、圓柱體、盛有水和濃鹽水的容器各一個(gè)。

學(xué)校實(shí)驗(yàn)室配備的或市面上能買到的裝置主要是探究阿基米德原理實(shí)驗(yàn)器（見圖1），需要用到的主要器材有：彈簧測(cè)力計(jì)、溢水杯（可用燒杯代替）、重物（可用金屬圓柱體代替），其中接水小桶可不用。

教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生對(duì)于“影響浮力大小的因素”的猜想有很多，如物體浸入液體的深度、物體浸入液體的體積、液體密度、物體重力、物體形狀等。通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)器材，學(xué)生能夠探究浮力大小與排開液體體積、液體密度和物體重力三個(gè)因素的關(guān)系，雖能達(dá)成基本的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)，但限制了學(xué)生的自主探究范圍，不利于發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力。

教材最后定性論證了阿基米德推導(dǎo)式F浮＝ρ液V排液g與“探究影響浮力大小的因素”實(shí)驗(yàn)結(jié)論間的關(guān)系，但這對(duì)于發(fā)展學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力有一定的限制。如果獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅能得到定性結(jié)論，還能進(jìn)一步得到定量結(jié)論，則探究實(shí)驗(yàn)結(jié)論與阿基米德原理間的契合度會(huì)更高，也更有說(shuō)服力。

因此，有些教師也在教具上探索得到定量結(jié)論的可行性，比如用圓柱形玻璃瓶代替重物，記玻璃瓶的體積為V，將排開液體的體積以“0.25V、0.5V、0.75V”的形式呈現(xiàn)并開展探究（見圖2）。［3］但是，這套器材對(duì)玻璃瓶浸入液體中的體積大小有限制，且不能浸沒在水中。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中，此玻璃瓶只適用于“探究浮力與排開液體的體積的關(guān)系”一個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前后很難呼應(yīng)，不利于學(xué)生建構(gòu)整個(gè)影響浮力大小因素的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)。

再如通過(guò)增加小球個(gè)數(shù)成倍增加排開水的體積，同時(shí)完成影響浮力大小因素的探究實(shí)驗(yàn)和阿基米德原理實(shí)驗(yàn)（見圖3）。［4］但是，這套器材不利于學(xué)生確定浮力的研究對(duì)象，反而更適用于“驗(yàn)證阿基米德原理”實(shí)驗(yàn)。

3" 實(shí)驗(yàn)教具的改進(jìn)與創(chuàng)新

為了契合《課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力的要求，緊貼教材實(shí)驗(yàn)前后的知識(shí)點(diǎn)，故針對(duì)原有實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，力求在簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)器材的基礎(chǔ)上拓寬學(xué)生的探究范圍，盡可能滿足學(xué)生“探究影響浮力大小的因素”的實(shí)驗(yàn)需求，同時(shí)發(fā)展學(xué)生“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)與制訂方案”“獲取與處理信息”“基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋”以及“對(duì)科學(xué)探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行交流、評(píng)估、反思”等科學(xué)探究能力。［5］

3.1" 實(shí)驗(yàn)原理

利用“稱重法：F浮＝G－F拉”測(cè)浮力。

3.2" 新教具的組成

“探究影響浮力大小的因素”的教具包含：自制的六面磁性塑料立方體共5個(gè)（其中4個(gè)立方體質(zhì)量相等，1個(gè)立方體質(zhì)量較大）；量程為0～1.0N、分度值為0.02N的彈簧測(cè)力計(jì)1個(gè)；鐵架臺(tái)及試管夾各1個(gè)（主要用作固定彈簧測(cè)力計(jì)）；規(guī)格為“150mm×150mm”的升降臺(tái)1個(gè)（小于此規(guī)格則無(wú)法完成實(shí)驗(yàn)）；一杯清水；兩杯密度分別為1.1×103kg/m3和1.2×103kg/m3的鹽水（鹽水需在上課前利用密度計(jì)調(diào)配，飽和鹽水會(huì)使立方體漂浮，不可用）。

3.3" 制作新教具所需材料及方法

新教具的主體是棱長(zhǎng)為2cm的六面磁性塑料立方體，其原是作為數(shù)學(xué)空間幾何教具使用（見圖4）。該立方體中兩個(gè)相對(duì)的面可拆除，內(nèi)部分為上下兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)角上都放有一個(gè)可自由翻轉(zhuǎn)的釹磁鐵，其他部分為空心（見圖5）。

如果將該立方體直接投入水中，其將處于漂浮狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，教師應(yīng)先用美工刀打開正方體蓋，再將兩個(gè)直徑為8mm的小鋼珠放入立方體內(nèi)部空心處，增加立方體的質(zhì)量，使其能夠在水和鹽水中下沉（見圖6）。為了探究浮力大小與物體所受重力的關(guān)系，教師可在另外一個(gè)立方體內(nèi)部再加入一些直徑為2mm的小鋼珠，使立方體的質(zhì)量再增加5g左右（立方體可在水中下沉，且吸起后不會(huì)掉落為宜）。

制作完的立方體還要用熱熔膠密封，防止在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水向內(nèi)滲透而導(dǎo)致教具的質(zhì)量發(fā)生改變，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最后，教師在一個(gè)立方體上方用熱熔膠固定一個(gè)塑料小圈（可從吸管上剪取），方便懸掛。未加重物與加重物的兩種立方體在水中的狀態(tài)呈現(xiàn)出明顯差異（見圖7）。

3.4" 新教具的特點(diǎn)

新教具中的立方體在制作上主要有取材方便、成本低廉、制作簡(jiǎn)單三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

整套新教具在使用上主要有彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)穩(wěn)定、探究范圍廣、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確三個(gè)特點(diǎn)。

特點(diǎn)一，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)穩(wěn)定。新教具主要通過(guò)兩方面的改進(jìn)穩(wěn)定彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)：第一，利用升降臺(tái)，將燒杯置于升降臺(tái)上，根據(jù)需求調(diào)節(jié)升降臺(tái)平面的高度；第二，在試管夾上固定好彈簧測(cè)力計(jì)，調(diào)節(jié)立方體和彈簧測(cè)力計(jì)的高度，再將試管夾固定在鐵架臺(tái)上。

特點(diǎn)二，探究范圍廣。新教具立方體的六個(gè)面都有磁性，可相互吸合；立方體空心且方便拆裝，質(zhì)量可變；立方體密封，不會(huì)進(jìn)水導(dǎo)致質(zhì)量改變。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生能通過(guò)對(duì)立方體進(jìn)行不同的組合，完成浮力大小與

物體浸入液體的深度、排開液體體積、物體重力、物體形狀、液體密度關(guān)系的自主探究。值得注意的是，學(xué)生在探究浮力大小與物體形狀的關(guān)系時(shí)，相較于橡皮泥，新教具在操作過(guò)程中比較干凈，且體積不易改變。

特點(diǎn)三，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。新教具使用的立方體形狀規(guī)則，體積為8cm3，每個(gè)立方體間的間隔較小且容易發(fā)現(xiàn)。教具中的彈簧測(cè)力計(jì)分度值為0.02N，得到的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，誤差在0.01N左右。另外，學(xué)生還可通過(guò)數(shù)據(jù)分析得到定量的結(jié)論。

4" 新教具在教學(xué)中的使用及效果

新教具中的立方體為實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，學(xué)生拿到后可根據(jù)需求進(jìn)行任意拼裝，而其他教具則作為輔助，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)效果。該教具在“探究影響浮力大小的因素”的實(shí)驗(yàn)中，至少能夠針對(duì)５類猜想進(jìn)行探究。整套教具組裝好之后，學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作部分上手很快，得到的數(shù)據(jù)誤差也較小。教師可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，選擇探究的難度和深度。［6］

4.1" 探究浮力大小與物體浸入水中體積（排開液體體積）的關(guān)系

探究方法：首先將4個(gè)立方體顏色間隔地吸在一起，呈“一”字形，再將立方體豎直懸掛在彈簧測(cè)力計(jì)上，接著向上調(diào)節(jié)升降臺(tái)，使立方體柱緩慢浸入水中。每到一條分界線，讀出一個(gè)示數(shù)并記錄在表格中，實(shí)際探究過(guò)程如圖8所示。

記錄的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

數(shù)據(jù)處理：將表1中的數(shù)據(jù)通過(guò)“描點(diǎn)法”繪制成“浮力—排開液體體積”關(guān)系圖像（見圖9）。

初步結(jié)論：物體所受浮力大小與物體排開液體體積有關(guān)。當(dāng)液體密度相同時(shí)，物體排開液體的體積越大，其所受浮力越大。

深度結(jié)論：當(dāng)液體密度相同時(shí)，物體所受浮力大小與物體排開液體體積成正比。

4.2" 探究浮力大小與物體浸入液體深度的關(guān)系

探究方法：前期探究方法與4.1一致。當(dāng)立方體柱浸沒在水中后，繼續(xù)向上調(diào)節(jié)升降臺(tái)，觀察示數(shù)變化。拓展探究時(shí)，將立方體豎直連接，豎著和橫著各浸入水中一半，比較兩次浮力大?。ㄒ妶D10）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：物體所受浮力大小與物體浸入液體的深度無(wú)關(guān)。

4.3" 探究浮力大小與物體所受重力的關(guān)系

探究方法：用重力不同的小立方體替換豎直組合中的一個(gè)，用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出其浸沒在水中的浮力，并與替換前的組合進(jìn)行比較（見圖11）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：物體所受浮力大小與物體重力無(wú)關(guān)。

4.4" 探究浮力大小與物體形狀的關(guān)系

探究方法：利用小立方體的磁性，改變小立方體的組合形狀，用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出其浸沒在水中時(shí)受到的浮力，并對(duì)不同組合形狀的立方體在水中受到的浮力進(jìn)行比較（見圖12）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：物體所受浮力大小與物體形狀無(wú)關(guān)。

4.5" 探究浮力大小與液體密度的關(guān)系

探究方法：將小立方體分別浸沒在兩杯密度不同的鹽水中，用彈簧測(cè)力計(jì)分別測(cè)出小立方體柱受到的浮力，將測(cè)得的數(shù)據(jù)記入表格，并與此立方體柱浸沒在水中時(shí)受到的浮力進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示。

數(shù)據(jù)處理：將表中的數(shù)據(jù)通過(guò)“描點(diǎn)法”繪制成“浮力－液體密度”關(guān)系圖像如圖13所示。

初步結(jié)論：物體所受浮力與液體密度有關(guān)。當(dāng)物體排開液體體積相同時(shí)，液體密度越大，物體所受浮力越大。

深度結(jié)論：當(dāng)物體排開液體體積相同時(shí)，物體所受浮力大小與液體密度成正比。

該教具在學(xué)生探究過(guò)程中有較多留白，從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)到制訂方案并不是一蹴而就的，需要一個(gè)從理論設(shè)計(jì)到實(shí)際操作的思考過(guò)程。第4部分中給出的實(shí)驗(yàn)方案只是其中一種可行的探究方法，方法并不唯一。在實(shí)際教學(xué)中，學(xué)生在不受限制的思考中更容易碰撞出思維的火花，深度提升自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方案制訂能力。

5" 新教具對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展

通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取信息對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)難度不大，但如何處理信息、如何從信息中找到證據(jù)并得到結(jié)論，則是一個(gè)難點(diǎn)，也是現(xiàn)有教具在獲取數(shù)據(jù)上較難突破之處。使用該教具獲得的較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，不僅為學(xué)生提供了定量分析數(shù)據(jù)的可能，也助力了學(xué)生發(fā)展數(shù)據(jù)處理與分析、歸納總結(jié)、交流反思等科學(xué)探究能力。

此外，學(xué)生的科學(xué)探究能力指向多個(gè)方面且水平各異。雖然新教具能夠進(jìn)行多個(gè)探究活動(dòng)，但限于學(xué)生猜想的范圍以及學(xué)生的思維深度和廣度，在課堂中教師可能不會(huì)做到所有的實(shí)驗(yàn)，也不是每次探究都能夠得到定量的結(jié)論。因此，如果學(xué)生基礎(chǔ)較弱，教師可以選擇在新授課中止步于得到初步結(jié)論，另在復(fù)習(xí)課中再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行深度總結(jié)。如果學(xué)生基礎(chǔ)較好，教師可以直接在初步結(jié)論的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)圖像得到深度結(jié)論。教師可以根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，有選擇性地開展實(shí)驗(yàn)，不必刻意強(qiáng)求。

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