淺談中學物理系列自制教具的設計與開發
——以激光筆為例

林 珠

(寧波市北侖區東海實驗學校 浙江 寧波 315800)

1 引言

國家舉辦了九屆全國自制教具大賽，各省市、自治區也分別舉辦各類自制教具比賽，國內有朱正元、陶洪、劉炳昇、馮容士、羅星凱等專家學者的努力，出版了《物理實驗論》《中學物理實驗教學與自制教具》等重要專著，但是在實際教學中，由于單一的評價方式、設備的缺乏及相關教師實驗技能訓練不足等問題，存在“做實驗不如講實驗，講實驗不如背實驗”的現狀.物理實驗教學的發展不論在師資方面還是設備方面，均不能滿足目前課程改革推進的需要.

在國外利用自制教具進行教學相較于國內更加廣泛和普遍，而且更為注重學生自己動手的過程.比如在美國就非常重視自制教具實驗，電視節目上經常播放一些制作低成本趣味教具的視頻，讓學生在娛樂的同時學習知識.另外，各學校實驗室都使用大量的自制教具，而且非常提倡學生自己探索研制新的教具.

在初中課程標準中要求教師注重科學、技術、環境的聯系，關注涉及模型、教具、儀器等的制作，引導學生“動手”和“動腦”相結合.本文以激光筆為例，談一談自制教具在多個物理維度的開發和利用.

2 以激光筆為例的系列自制教具的設計與開發

在實際生活中，有很多物品可以直接作為實驗器具用于課堂演示，例如氣球、可樂瓶、電子秤等，當然，也有很多物品經過二次加工用于課堂教學[1].為了體現物理與生活的密切聯系，本文用日常生活中常見的激光筆為基礎，從熱、光、聲等多個物理維度，設計了一個系列的自制教具.除了常見的利用激光筆來演示光沿直線傳播、光的反射、光的折射等實驗外，還可以設計以下系列實驗.

2.1 光的衍射自制教具

“光的衍射”是人教版高中《物理·選修3-4》教材的內容，此節內容通過單縫衍射、泊松亮斑等說明光發生明顯衍射的條件和現象.而教師可以將光的衍射自制教具(圖1)作為補充，用于課堂引入或者課后知識拓展，打破慣有的衍射現象，引起學生的興趣并加深其對光的衍射的理解.

圖1 光的衍射自制教具實物圖

實驗器材：固定裝置，激光筆，針筒.

實驗過程及現象：用針筒吸入污水并固定位置，推動針筒擠出一滴污水滴，使其體積越大越好.讓污水滴和激光筆在同一高度，打開激光筆，調節裝置到墻壁的距離，就可以看到衍射圖像，甚至能看到“細菌”[2].

思考與改進：筆者曾經在2014年發表過相應的文章，與之前相比，固定裝置有一定的改進，放置針筒的固定位置可以上下移動，更便于控制污水滴和激光筆在同一高度.而污水滴的來源有很多，筆者試過湖水、細菌培養液、灰塵水等，都可以進行實驗.其中，灰塵水取材最方便，只要將一針管的水注到布滿灰塵的墻角邊，再用針筒吸回來就行，效果也挺好.而細菌培養液更具挑戰性，因為其對菌體濃度有要求，不能太高否則看不出效果，也不能太低，不然觀察不到現象.

2.2 聲音的特性自制教具

“聲音的特性”是華師大版初中科學八年級下冊第一章第2節的內容，在介紹聲音的響度和音調這兩個聲音的特性時，教師會結合示波器的波形圖進行講解，而利用此教具，可以完全代替示波器，同樣得到波形圖，達到突破難點的目的.聲音的特性自制教具實物圖與裝置示意圖如圖2所示.

圖2 聲音的特性自制教具圖

實驗器材：鐵架臺，激光筆，平面鏡，音叉，四面體，電動機，固定裝置，導線，電池.

實驗過程與現象：接通電源使電動機工作，電動機帶動著四面體轉動.將經過音叉的反射光照射在四面體上，就可以形成一系列的橫線，敲擊音叉后，就可以看到其振動圖像就是一列波[3].改變敲擊音叉的力度，響度變小，我們可以看到波形的振幅變小，從而說明響度與振幅有關.在說明音調與頻率的關系時，利用頻率為512 Hz的音叉和頻率為256 Hz的音叉進行對比實驗，可以看到波形的稀疏有區別，聽到的音調高低也不同.

思考與改進：這件自制教具對于電動機有一定的選擇性，所需的轉速越慢越好.另外，如果只利用激光筆和帶有平面鏡的音叉也可以得到其他的實驗結論，例如激光筆發出的光線照在音叉上的平面鏡時，經光的反射后會出現在墻面上形成一個亮點.敲擊音叉使其振動，可以觀察到光點在迅速地跳動著，形成上下一小段亮線.由此也可以說明，音叉確實是在振動，聲音是由于物體振動產生的.

2.3 微小形變放大自制教具

此自制教具用于演示固體的熱脹冷縮現象，用激光筆起到一定的放大效果，實器材和操作比較簡單，效果也十分明顯.微小形變放大自制教具實物圖如圖3所示.

圖3 微小形變放大自制教具實物圖

實驗器材：橫桿，激光筆，主桿，金屬絲，裝置底座.

實驗過程及現象：打開激光筆使光照射在墻上，在光點處做好標記，記錄杠桿橫桿在初始所指的刻度.然后用打火機給金屬絲均勻加熱，觀察到光點下降到某一位置再次做好標記.最后停止加熱，把裝置放在原地幾分鐘就可以看到光點基本上回到了初始位置.

思考與改進：金屬絲本身發生的熱脹冷縮現象特別微小，因此，在實驗過程中需要控制激光筆到墻壁的距離，距離越大，光點位置下降得越明顯.當然，在后續的實驗中可以添加大型量角器，可以測量出其角度的變化情況，從而起到量化的效果.

2.4 布朗運動自制教具

布朗運動是分子熱運動的基礎，但由于分子運動太過微觀，顯微鏡配備比較麻煩，很多教師都在突破這個難題.本文就介紹一種利用激光筆完成觀察布朗運動的自制教具.該教具示意圖如圖4所示.

圖4 布朗運動自制教具示意圖

實驗器材：激光筆，手機，手機顯微鏡，透明盒，酒精燈.

實驗過程及現象：在透明盒中點燃小段艾條，將手機顯微鏡和手機進行組裝并打開手機拍照系統，打開激光筆，就可以看到亮點在浮動[4].如果將酒精燈點燃，可以看到微粒運動更加劇烈.

思考與改進：這件自制教具最大的特點就是使用方便，用手機顯微鏡代替實驗室中顯微鏡的作用.與此同時，配合激光筆的使用，可以看到亮點在做無規則運動.還可以說明溫度與運動劇烈程度的關系.當然，在講授空氣污染方面的課程時，也可以用沒有污染和污染嚴重的空氣進行對比實驗，培養青少年的環保意識.

3 總結與思考

我們總說科學的研究對象是自然界，要給學生提供了解自然界的機會，我們物理課程的教育也要立足于學生的生活經驗，而在現實生活中，我們的教育已經開始脫節化，很多書本上的舉例，曾經的我們確實經歷過，但卻無法引起當代學生的共鳴.“關注學生學習過程中存在的困難、問題，要采取有效的教學策略引導和幫助學生”這是課程標準對于我們的要求，那么筆者覺得，自制教具就是一種很好的教學策略和方法.器材源于生活，取之生活，拉進與學生的距離.教具用于教學，輔助教學，更容易讓學生理解知識內容.自制教具，教師可以，學生亦可以，輔助教學的同時也鍛煉了學生思考、動手能力.真可謂一舉數得！

本文所介紹的是以激光筆為主開發的系列自制教具，可用于課堂演示實驗、學生探究實驗，教師在利用時需要考慮其對課堂教學的適用性.而教師在設計系列實驗時，也要考慮其對課程內容的促進性、有效性，讓生活真正走進物理課堂[5].