創造技法在自制教具中的運用*
——以“力的分解演示儀”為例

楊艷玲 付麗萍

(閩南師范大學物理與信息工程學院 福建 漳州 363000)

1 引言

《普通高中物理課程標準(2017年版)》(以下簡稱“課標”)明確指出：教師要積極利用各種器材，積極創新實驗方式，盡可能多地開發出可視性強、證據性強、能引起學生濃厚興趣的演示實驗[1].將創造技法應用在研制實驗教具、儀器方面，不僅能有效指導教具的發明創造活動，還能提高制作者的創造能力.

創造技法，是從創造發明的實踐當中總結出來的一些規則、技巧和方法[2].常見的創造技法有：“缺點列舉法”、“希望點列舉法”、“檢核表法”等.下面以高中物理“力的分解演示儀”教具的自制過程為例，用“缺點列舉法”發現教學問題，用“希望點列舉法”明確制作目標，用“檢核表法”達成制作期望，用“希望點列舉法”與“檢核表法”檢驗并完善教具，以闡述常見創造技法在自制教具過程中的應用.

2 常見創造技法在自制教具中的應用

2.1 應用缺點列舉法發現教學問題

缺點列舉法，是通過列舉事物的缺點獲得新信息，以進行改進，或利用缺點，變弊為利[3].缺點列舉法簡便、易學、有效，將它應用于實驗教學有助于發現教學問題、改進實驗的儀器裝置.下面以司南版高中《物理·必修1》第五章第2節“力的分解”為例進行分析.

2.1.1 課標要求

必修1模塊的要求是：教學中應根據本模塊所學物理模型的特點，聯系生產生活實際，從多個角度創設情境，提出與物理學有關的問題，引導學生討論，讓學生體會建構物理模型的必要性及方法等[1].對本節要求是：通過實驗，了解力的合成與分解，知道矢量和標量[1].

2.1.2 教科書呈現方式

司南版教科書從日常生活現象“拎箱子”(圖1)和與力的合成的對比兩方面引出分力以及力的分解概念；還用一個演示實驗來強調力的分解應根據實際作用效果進行(圖2)；接著通過實例(圖3)討論了一種最常見的分解方法，即正交分解法[4].

圖1 分力的作用

圖2 沿斜面下滑

圖3 判斷力作用效果的簡易方法

教材的安排體現了從生活走向物理的理念，但在教學實踐中存在以下問題：學生在分析力產生的作用效果時對教科書所舉的部分實例存在認知障礙，如圖1中學生較難理解提箱子時分力F1的作用效果，圖3中學生較難感受到分力G2的作用效果. 而圖2中通過海綿判斷力的作用效果畫面不利于學生感知真實情境下的力的作用效果.

2.1.3 實驗資源

在教學中，許多教師用力的傳感器顯示力的作用效果以解決教學難點[5].但學生在學習過程中無法形象感受實驗效果，且目前并非每所中學都配備DIS實驗儀器；現有大多教具缺少典型性與實用性[5]，功能上雖然能放大“力的作用效果”，但無法反映力按實際作用效果分解時分力與夾角的關系.

應用缺點列舉法分析教學資源，能幫助教師發現問題，抓住問題的主要矛盾，有的放矢地進行創造性思考，實現教學目標.

2.2 應用希望點列舉法明確制作目標

希望點列舉法：是從人們的愿望和需要出發，通過列舉希望來形成創造目標和構想，進而產生出實用的創造發明[6]. 它是一種主動型的創造發明技法，列舉希望點需要大膽想象、奇特新穎的構思，這種技法常用來研制新的器材、開發物理實驗新的教學模式.我們在自制“力的分解演示儀”過程中，利用希望點列舉法明確了如下目標：

(1)能培養學生建模能力.

(2)能直觀穩定放大物塊重力產生的作用效果.

(3)能驗證分力與夾角的變化關系.

2.3 應用檢核表法達成制作期望

檢核表法：是人們主動積極地通過多方面、多角度的提問，從中引發思路，形成創造性設想，并變為實際的創造發明或創新的一類創造技法[6].檢核表是根據需要解決的問題或者需要創造發明的對象列出有關的問題，表中的每個問題都可能促進聯想起其他可能提出的問題，然后逐一核對討論各問題，以促進發明創造[6].在開發教具領域中，利用檢核表法能幫助教師從多方面審視待解決的問題，為進一步分析和解決問題奠定基礎.分析現有資源與希望點的差距，采用檢核表法以設問和思考的形式尋找自制教具的突破途徑.

(1)構建什么模型來提高學生的建模能力？如表1所示.

表1 用檢核表法達成期望(1)的思考過程

續表

(2)如何直觀穩定放大斜面物塊的重力G作用效果？如表2所示.

表2 用檢核表法達成期望(2)的思考過程

(3)如何驗證分力隨夾角的變化關系？如表3所示.

表3 用檢核表法達成期望(3)的思考過程

2.4 應用希望列舉法與檢核表法檢驗并完善教具

教具的創造過程需要教師在實踐中不斷打磨完善，經歷嘗試、反思、再嘗試的過程.在實踐中觀察教具演示效果是否符合預期設想，即利用希望列舉法進行檢驗；若效果不符，可再結合檢核表法進行核對、討論以完善教具.

所涉及的問題列在表4中.

表4 融合希望列舉法、檢核表法檢驗并完善成果

3 自制教具的成果展示

3.1 顯示小車重力作用效果

通過彈簧和塑料斜面的形變，直觀看出斜面上的小車重力產生的兩個作用效果：一個是使彈簧拉伸的沿斜面向下的作用效果；另一個是使塑料斜面向下擠壓的垂直于斜面的作用效果.還可以通過坐標背景板，對比彈簧和塑料斜面前后的變化，如圖4和圖5所示.

坐標背景板是以塑料斜面在三角底座上時所呈的自然直線狀態為橫坐標(紫線)，以與橫坐標中點處垂直的方向為縱坐標(綠線)所設計的.

圖4 斜面模型

圖5 斜面小車重力產生的作用效果

3.2 反映力按實際作用效果分解時合力與分力的關系

當斜面傾角一定時，通過指針確定小車所在斜面上的位置A(圖6)，用可擦馬克筆將其標記在坐標背景板上；

圖6 小車上的指針

通過墊高底座來增大斜面傾角，小車位置發生相應變化(圖7)，借助指針確定小車變化后的位置B，標記在坐標背景板上(圖8).通過對比小車在斜面傾角改變前后的位置變化情況，來分析這一過程中物體重力的兩個分力變化情況(圖9).

圖7 改變斜面傾角

圖8 小車位置的變化

圖9 小車位置變化情況的分析

根據理論分析可知，如果已知小車重力G、斜面傾角α，那么可得出沿斜面下滑的分力F1=Gsinα，垂直于斜面擠壓的分力F2=Gcosα.當斜面傾角α增大時，F1將增大，F2將減小.在斜面傾角增大的過程中，小車從A點運動到B點的過程中，在沿斜面方向上，小車的位置是下移了，說明沿斜面下滑的分力F1是增大了；在垂直于斜面方向上，小車的位置是上移了，說明垂直斜面擠壓的分力F2是減小了.

4 結語

開發教具資源是教師除常規備課外的另一種深度理解物理定律的方式，它能有效填補傳統教具資源不足，在提高課堂教學質量增強教師創新能力等方面也具有良好的效果.

本文應用創造技法，自制了一套“力的分解演示儀”來突破教學中的難點(該教具獲得2017 年第五屆“華夏杯”全國物理教學創新大賽教學組的實驗創新獎)，并且全面剖析了自制過程中的思維轉變，不僅說明“做了什么”，還說明“為什么這么做”，是“怎么想到這樣做”的，希望為廣大一線教師提供教具制作的參考.