自制教具在初中物理實驗教學中的應用
——以“水電站模型”為例

余娟娟

(蘭州理工大學附屬中學,甘肅 蘭州 730050)

1 引言

在初中物理教學中物理實驗的作用是至關重要的，目前國內學校對于初中物理實驗室的儀器配置僅能滿足課程標準所規定的實驗教學，這對培養學生的學習興趣、創造能力和探索精神是遠遠不夠的，因此自制實驗教具、設計和開發出更多的實驗就顯得非常迫切。運用自制實驗教具，采用靈活的教學方法，可以使課堂教學變得更加精彩，更能激發學生的學習興趣，切實培養學生的核心素養。筆者以自制“水電站原理模型”教具為例，闡述該教具在“能量的轉化”“連通器原理”“電磁感應”等教學中的應用。

2 自制教具的設計與制作

以往筆者給學生們講解連通器和機械能轉化時總是通過口述或者播放視頻的方式，發現效果并不盡如人意。我校實驗室中并沒有配備與這部分內容相關器材，因此很多學生在一段時間后對這些內容印象不深，尤其是對船閘的理解存在偏差。筆者根據圖1、圖2所示的水力發電和船閘示意圖，自制了“水電站模型”演示教具。

圖1

圖2

該教具的設計如圖3所示，制作材料有：亞克力板、軟管、軟管夾、電機、葉輪、發光二極管和循環水泵等。設置了A、B、C、D四個儲水倉，A、B、C之間安裝了閘板。在D倉和C倉邊緣開孔，用于連接管道。在C倉的出水口處安裝了葉輪和電機，且通過電機引出導線在C倉邊角安裝了發光二極管。為了保證實驗演示的流暢性和可持續性，在D倉和C倉間安裝了循環水泵，圖4為教具的實物圖。

圖3

圖4

為方便觀察，“水電站模型”是利用透明的亞克力板制作的，既可模擬水電站的發電過程也可模擬水電站船閘工作原理，使能量轉化和連通器的教學形象化、具體化，模擬現象更為科學、生動和有趣。

3 自制教具在初中物理教學中的應用

本自制教具可使用在北師大版初中物理教材相關章節的教學中：(1) 演示應用“連通器原理”工作的“船閘”；(2) 演示水的機械能轉化為葉輪的動能；(3) 演示應用“電磁感應”原理工作的“發電機”。

3.1 自制教具在新課引入中的應用

孔子說過：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”。新課的引入是至關重要的，猶如電影上映前的宣傳。一段精彩的教學引入可以成功地吸引學生的注意，調動學生的興趣，使學生能更快地進入課堂的情境中。

筆者在講授九年級課本第十章第一節“機械能”時，在新課引入環節利用自制教具演示了水的機械能轉化為葉輪的動能。在課前準備時，同學們看到老師抱著一個實驗裝置都圍過來觀看，七嘴八舌地問老師：這是什么啊？好像沒見過?。∷麄兊暮闷嫘谋煌耆{動了起來。

圖5

實驗一：如圖5所示，筆者先用軟管夾夾住D倉和C倉之間的連接軟管，將D倉灌滿水后取下軟管夾，可以看到D倉的水沿著軟管流向C倉，軟管出口處的水流沖擊電機葉輪，隨著葉輪的旋轉，發光二極管開始發光。在此過程中提醒學生們觀察發光二極管亮度的變化。開始由于D倉和C倉軟管出口處的水位差較高，軟管出口處的水流流速較大，電機葉輪在水流沖擊下轉速較快，發光二極管此時也較亮。隨著D倉與C倉的水位差下降，出口處水流流速變慢，電機葉輪轉速變慢，發光二極管的亮度也隨之變暗。

實驗二：用軟管夾夾住D倉和C倉之間的連接軟管，將D倉灌滿水，在C倉灌一半水后將軟管夾取下，同樣D倉的水會沿著軟管流向C倉。此時打開循環水泵，使得C倉的水由水泵抽向D倉，控制水泵開關，使得D倉的水位基本保持穩定，學生可以觀察到發光二極管的亮度基本沒有變化。

在整個演示過程中，學生的注意力非常集中。實驗演示完成后，筆者要求學生自主總結規律，大部分同學都能得出結論：(1) 發光二極管的亮度隨D倉水位下降逐漸變暗；(2)D倉水位不變，發光二極管的亮度不變。甚至有些預習比較好的同學已經總結出了D倉水的重力勢能轉化為葉輪的動能等結論。為了科學地解釋在演示實驗中觀察到的現象，搞清楚整個實驗過程中能量的轉化規律，筆者帶著同學們開始了新課的學習。該自制教具激發了學生們的學習興趣和求知欲，活躍了課堂氣氛。

在“探究產生感應電流的條件”教學中，該自制教具也起到了同樣的作用。有了之前的基礎，學生們知道了發光二極管的電能是由電機葉輪的動能轉化而來的，但不清楚具體是如何轉化的，由此可以帶著具體的問題開展教學，以達到更好的教學效果。

3.2 自制教具在新課教學中的作用

三峽船閘是目前世界上最大的人造連通器，即使在學習后，大多學生在應用連通器原理解釋船閘的運行模式時仍是一頭霧水。因此筆者利用自制的“水電站模型”教具進行了演示：

(1) 插入閘板1和閘板2，準備好一桶滴入紅墨水的自來水備用；

(2) 將自來水灌入A倉、B倉和C倉，并使A倉水位最高，B倉水位次高，C倉水位最低。并將準備好的塑料小船放置于A倉水面(圖6)；

(3)提起閘板1，并保持閘板2在插入狀態，A倉的水流入B倉，最終使得A倉與B倉的液面齊平，小船由A倉駛入B倉(圖7)；

(4)插入閘板1，提起閘板2，B倉的水流入C倉，最終使得B倉與C倉液面齊平，小船由B倉駛入C倉(圖8)。

同學們清晰地觀察到小船從高水位的A倉平穩地駛入低水位C倉的全過程。為方便多次演示，可利用循環水泵將C倉和B倉的水抽入A倉再次實驗。在課堂上模擬了水電站船閘的工作過程，彌補了課本原有實驗的不足，學生可以思路清晰地用連通器原理解釋船閘的工作流程。課堂氛圍非?；钴S，學生感嘆物理學的美妙和神奇，激發了他們學習物理的興趣，同時對本節課的內容有了更深的理解。

圖6

圖7

圖8

4 結語

將自制教具運用在物理教學中，最大好處在于通過有趣且更具親和力的實驗吸引學生的注意，激發他們的學習興趣，促進學生自主探究。在“能量的轉化”教學中，筆者利用自制教具演示了水電站發電實驗。學生在此啟發下，自己動手做了“水火箭”“風力小車”“彈力小車”等實驗作品(圖9)，還配上了講解視頻，從他們的視頻中可以看出，他們在制作過程中對這節課的理解已經完全達到了教學目標。教師利用自制教具引導學生，學生在輕松愉快的氛圍中學習，既培養了學生的動手能力和創新精神，也增強了學生分析問題和解決問題的能力，提升了學生的核心素養。

圖9