自制低成本教具，提高初中物理演示實驗教學的有效性

謝桂英

（廣州市第五中學，廣東 廣州510220）

1 問題的提出

當前，不少學校的實驗教學有逐步弱化的趨勢.很多教師覺得，要提高紙筆測驗中實驗題的分數，做實驗不如講實驗，講實驗不如記實驗.在這種思想指導下，教師編輯了許多實驗題及其答案讓學生記，不僅學生的實驗能力得不到發展，學生解決問題的基本素質也難以提高.在這種背景下，《物理新課程標準（2011年版）解讀》教學建議指出：“實驗教學是物理教學的重要組成部分，是落實物理課程目標、全面提高學生科學素養的重要途徑.”

該標準（2011年版）對義務教育物理課程的實驗提出了明確的要求.在“內容要求”中，凡是用“通過實驗”這一措辭陳述知識內容，都必須通過實驗來學習，這些實驗是必須做的.

但是，由于應試教育的強大壓力、實驗設備的不足以及實驗技術的落后等客觀因素的影響，在當前的物理實驗教學中，尤其演示實驗仍是極其薄弱的環節，還是有不少教師干脆不做實驗，把演示實驗變成“口說實驗”或“板書實驗”，這種狀況將影響學生的知識能力結構和非智力因素的發展.其實，針對這種情況我們完全可以“自力更生”，利用現有資源，自制低成本教具，提高初中物理演示教學的有效性.

2 研究的理論基礎

2.1 奧蘇貝爾的接受-同化學習理論

根據奧蘇貝爾（Ausubel）的意義接受學習說，學習可以按進行的方式分類為接受學習與發現學習；又可以按內容分類為機械學習與有意義的學習.根據學校教與學的特點，奧蘇貝爾提倡有意義的言語接受學習，即學習者把以定論形式呈現給自己的學習材料與其已形成的認知結構聯系起來，以掌握對這種學習材料的學習方式.

筆者認為，對于物理學科而言，中學物理所涉及的知識是人類從最初直至20世紀才總結形成的，是一門建立在反復科學實驗基礎上，又與數學方法緊密聯系的學科，具有范圍廣、理論性強、邏輯性強、系統嚴密、應用廣泛等特點，要學生在學校學習中通過歸納性發現的方式來重新一一獲得全部知識并不可行，而應該更多地在認知心理學基礎上，采用意義接受式學習，這是學生獲取知識的一種現實的、高效的方法，既符合大部分學校、學生實際，又批判傳統的灌輸教學，強調理解及融會貫通，強調注意學生原有的知識結構.

2.2 皮亞杰的認知理論

皮亞杰認為，認知過程是在個體思維不斷成熟的基礎上，當主客體間發生相互作用時，主體會根據自己原有的認識圖式對外界客體作出反應并試圖吸納、改造，所謂“同化”，對不能同化的因素則進行自我調整，改變原有圖式，所謂“順應”，通過不斷的“同化-順應”，使圖式不斷地更新、協調和豐富（即平衡），獲得個體經驗與社會經驗，從而實現認知的發展.

大部分初中學生的思維尚處于形象思維階段，因此，在初中物理教學中需要具體形象材料的支持，在很大程度上，學生仍習慣于靠經驗材料判斷分析事物，不善于從理論上進行推導.心理學研究表明：人們認識事物存在著知覺優先的傾向.這就要求教師必須給學生提供足夠的感性材料和活動機會，初中學生在沒有學習物理之前往往有一定的認識圖式，學生通過實驗，使原有的認識圖式不斷地“同化-順應”，從而不斷地加深對物理概念和規律的理解.

2.3 演示實驗的有效性教學的涵義

根據2001年8月出版的《基礎教育課程改革綱要（試行）解讀》中的“有效教學”理念，所謂“有效”，主要是指通過教師在一段時間的教學后，學生獲得具體的進步或發展，學生有無進步或發展是教學有沒有效益的唯一指標.物理演示實驗的有效教學，就是要讓學生通過觀察或操作演示實驗，學到物理知識，深刻理解物理原理，在知識、技能和情感上都獲得進步.

2.4 演示實驗教學的基本要求

演示實驗的設計要遵循科學性強，實驗現象明顯、直觀、易于觀察，演示實驗安全可靠、成功率高，實驗裝置結構簡單、操作簡便的原則.為立足于先進的教育理念對演示實驗的要求，要從教與學的角度把握演示實驗應遵循的基本要求.

3 自制低成本教具，提高演示實驗教學有效性的實例研究

我國物理教育家朱正元先生力主自制教具.他提倡“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”.他說：“不要迷信只有工廠制造的儀器才是儀器.”他提倡物理教師要設法不花一文錢而能做物理實驗.針對以上情況，作者結合自己近十年的教學體會，利用現有資源，自制低成本教具，使得演示實驗操作變得方便，成功率高.下面作者從以下幾個方面結合案例進行說明.

3.1 案例1 重力勢能直觀演示儀

原來情況：人教版初中物理八年級機械能一節，演示重力勢能和什么因素有關實驗時，一般用重物砸沙池，根據沙的凹陷程度判斷被舉高重物具有的重力勢能，也有人利用重物砸木棒，根據木棒的下陷程度判斷被舉高重物具有的重力勢能，這些實驗在理論上沒有問題，但因為重物很難砸中木棒，木棒很容易歪，所以2種實驗效果一般.

本教具利用廢水管（用刀挖了一半，方便學生觀察）和木板（上面鉆3組圓孔，注意孔大小）定位，讓重物砸鉛筆時，鉛筆不會歪.從而保證效果明顯.

制作材料：水槽和鉤碼（實驗原來有）、鉛筆、廢水管、木板、鐵皮、沙.

制作方法：

1）截取木塊1塊，用鐵皮包好木板，讓其剛好蓋在水槽上，并在木板（上面鉆3組圓孔，注意孔大小和3組圓環）.

2）截取3段等長廢水管，用刀挖開一半，方便學生觀察.

3）用502膠水將2個鉤碼粘在一塊.

實驗過程：探究重力勢能與質量和被舉高的高度有關.

1）先將木板蓋在水槽上，并將鉛筆插在3個孔上.

2）將廢水管插上.

3）用鉤碼砸鉛筆，如圖1.

4）將廢水管拿掉，分析得出結論.

圖1 重力勢能演示裝置

創新之處：1）鉤碼不會打偏；2）實驗操作方便；3）能基本定量得到重力勢能與質量的關系，實驗效果明顯；4）實驗成本低.

3.2 案例2 磁懸浮直流電動機和換向器直觀演示儀

原來情況：人教版初中物理九年級電學有電動機和換向器的講述，實驗室原來只有直流電動機模型和學生實驗用小電動機，教師一般處理都是用模型和掛圖配合講授換向器原理，電動機如何轉動沒有演示實驗，很多教師都用“口說實驗”或“板書實驗”代替.由于本節內容比較復雜，學生較難理解.

自制器材：利用U085蹄形磁鐵、線圈、電刷、木塊、小木頭，電線銅片（這些實驗室原來都有）和2塊廢揚聲器的磁錢，自制成磁懸浮直流電動機和換向器直觀演示儀.制作過程省略.使用過程：將2個電刷分別放置上下2段，演示沒有換向器時，線圈轉動情況.圖2將2個電刷分別放置中間，演示有換向器時，線圈轉動情況.

圖2 磁懸浮直流電動機和換向器演示裝置

創新之處：1）中間利用2塊圓形磁鐵隔開，起到磁懸浮的作用，可以減少轉動過程受到的阻力，降低能耗；2）用此演示儀可以完成課本通電線圈在磁場中受力偏轉、換向器的作用和電動機3個演示實驗；3）能直觀地觀察到通電線圈在磁場中扭轉，在換向器作用下，能自動改變電流方向，使電動機能飛快轉動，演示效果明顯，學生易理解.

3.3 案例3 海市蜃樓演示儀

原來情況：人教版初中物理八年級光的折射提到海市蜃樓現象，但是通常只是看視頻，學生興趣不大，但如果用探究活動，用實驗讓學生親身感受海市蜃樓，則能提高學生學習興趣.實驗演示裝置如圖3所示.

圖3 海市蜃樓演示裝置

實驗器材：圓弧形的自制水槽，鹽，水.

實驗過程：

1）用透明塑料板拼裝成圓弧形水槽，用玻璃膠拼接，保證容器不漏水.

2）在水槽中裝滿水.

3）在水槽中均勻灑上1層鹽（或白沙糖），不可攪拌，放置0.5h以上.

4）0.5h后，用激光筆從水槽一側射入激光，在較暗的環境下，可以看得激光在水中沿曲線運動，實驗現象如圖4.

圖4 光線在水中彎曲

創新之處：1）能直觀演示光在不均勻介質傳播，光的傳播方向會發生改變；2）實驗現象明顯，可讓學生親身感受觀察到海市蜃樓現象，提高學生學習興趣；3）操作方便；4）實驗成本低.

3.4 案例4 簡易功的原理和機械效率實驗組合直觀演示儀

原來情況：人教版初中物理九年級功原理和機械效率是很重要的實驗，但沒有專用的器材.都是用鐵架臺、刻度尺和滑輪、杠桿和斜面來分別做對應的實驗.操作麻煩，效果一般.自制器材：用廢木板噴漆劃線，利用實驗室現有的斜面和滑輪（或滑輪組）制成，如圖5所示（正反均可使用）.

圖5 機械效率演示裝置

創新之處：1）可以將功的原理和測機械效率實驗組合起來；2）操作簡單方便，直觀準確，可提高上課的效率；3）實驗效果明顯；4）實驗成本低.

3.5 案例5 燈泡實際功率演示儀

原來情況：2個燈泡串、并聯實際功率大小與額定功率大小關系是教學中的難點.

制作材料：50cm×40cm的硬質板1塊，40W和60W的燈泡各1只，2根綠色的導線，紅色導線，螺絲釘，燈座，插頭，開關，接線柱，鐵架臺.

制作方法：

1）在硬質板的2個接線柱上分別接導線，一端導線連接插頭，一端連接分別連接1個燈座（接60W的燈泡）和1個開關.

2）在開關的另一端接1個活動的接線柱，這個接線柱的一端接1個燈座（40W的燈泡），再加1個活動的接線柱，與接60W的燈泡的這個燈座連接起來.

使用方法：

1）先將直板豎直放到鐵架臺上，將燈泡串聯在電路中，如圖6所示，通電后發現40W的燈泡發光很亮，而60W的燈泡發光微弱.

2）調節電路，使燈泡并聯.發現60W的燈泡比40W的燈泡亮，如圖7所示.

3）將圖6其中一燈泡短接，可以直觀演示短路現象.

特點：直接、形象地把在不同電路中的燈泡亮暗顯現出來，操作方便.

圖6 燈泡功率演示裝置（燈炮串聯）

圖7 燈炮功率演示裝置（燈炮并聯）

4 結束語

用日常器具或自制低成本教具進行實驗探究活動，有利于學生動手，發展學生實驗技能，培養學生的創新意識.利用現有資源，自制低成本教具，實驗裝置結構簡單、操作簡便變得簡便，演示實驗安全可靠、成功率高，實驗現象明顯和直觀、易于觀察，提高了演示實驗教學的有效性.

［1］中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2011年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2012.

［2］廖伯琴.義務教育物理課程標準（2011年版）解讀［M］.北京：高等教育出版社，2012：95-96.