自制教具在中學物理實驗教學中的應用研究

朱建偉 秦宇飛 孫鈺忻 柴萬東

摘 要：物理是以觀察、實驗為基礎的自然科學，與生活實際有非常密切的聯系，實驗在物理教學中具有非常重要的作用。在教學過程中合理地使用自制教具，有助于增進學生對物理知識的理解，提高教學質量。本文利用生活中常見的材料自制流體流速與壓強關系的教具并應用于教學實踐，實驗操作容易，演示效果明顯，提高了實驗教學的有效性。同時鼓勵學生親自參與制作，培養學生的動手能力、科學探究能力、解決實際問題的能力和創新能力，激發學生的學習興趣。

關鍵詞：自制教具；物理教學；教學效率；流速

中圖分類號：G632? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）06-0068-03

收稿日期：2023-03-10

通訊作者：柴萬東（1971-），男，漢族，內蒙古赤峰市人，碩士研究生導師，教授。研究方向：傳感器應用，基本教育理論。

基金項目：內蒙古自治區“十四五”教育規劃課題（2022JGH455）

現代物理學是一門理論和實驗高度結合的精確科學，一切物理理論最終都要以觀測或實驗為準則，實驗是物理學建立與發展的基礎和事實依據。無論是經典物理學，還是現代物理學，其建立和發展都離不開物理實驗。物理教學中實驗教學起著非常重要的作用，教師通過實驗可以引導學生觀察物理現象，讓學生體驗物理知識的探索驗證過程，總結并掌握物理規律，激發學生的學習興趣。鼓勵學生通過課外小實驗小制作，促進學生對教學內容的理解和學習。

自制教具本著科學性、直觀性、和啟發性的原則，在實驗教學中起著至關重要的作用。任何生活化教具，其設計、制作、使用一定要以符合科學性作為第一準則，要反應正確的物理思想和物理規律。從實際教學出發，突出物理原理，注重對學生能力的培養。教學中引導學生直接感知事物、模型或通過教師形象語言描繪學習對象，使學生獲得感性認識。在物理實驗教學過程中，教師通過演示各種教具，呈現清晰而易于觀察的實驗現象，從觀察到加工，有助于學生理解和掌握知識[1]。同時借助教具演示的直觀性，使具體形象與抽象概念相結合，減少理解抽象概念的困難，激發學生學習興趣。

制作的教具應該富含深刻的物理學思想，使用時要有利于啟迪學生的思維，激發他們的思考能力和創新能力[2]。文中所制作的流體壓強與流速的關系的教具，就是源自生活中的現象及常識，并對其進行提煉后設計而成。因此，實驗教學既有助于學生理解該部分的物理概念，又能啟發學生對生活現象及生活常識進行思考，引導學生用所學知識解釋、解決生活中的同類物理問題。

1 物理實驗教學的必要性

（1）是物理學科特點的要求。物理學是實驗和科學思維相結合的學科。實驗是物理學的基礎，任何物理理論的真理都要以實驗作為唯一的檢驗標準。實驗也是物理學發展的基本推動力，是啟迪物理思維的源泉。很多重要的物理思想都是在實驗的基礎上發現的。實驗教學是物理教學的重要基礎和方法。在初中物理教學中，幾乎每個知識點都離不開實驗，通過實驗總結物理規律、理解物理概念、培養學生科學探究的能力。

（2）是義務教育課程標準的要求。教育部2022年版《義務教育物理新課程標準》中指出：“物理是一門注重實驗的自然科學基礎課程，此階段的物理課程應注意讓學生經歷實驗探究過程，學習科學知識和科學探究方法，提高分析問題和解決問題的能力”[3]。新課標列出了中學生必做的21個實驗，這些實驗涵蓋了初中物理的絕大部分知識。實驗在物理教學中的重要程度可見一斑。

（3）是培養學生物理核心素養的要求。物理學科的核心素養，包括物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度和責任，是學生在接受物理教育過程中，逐步形成的適應個人終身發展所需要的必備品格。在實驗教學中，學生參與實驗的全過程，在真實的感知下獲得經驗，并把感知轉化為自己的思維認知和思想方法，完成相關概念及知識的整合，培養學生的物理觀念。在實驗過程中，實驗裝置的選擇，實驗方案的設計和實施，對實驗的多角度觀察，實驗結果的科學分析及推理，都能加強學生的科學思維能力。實驗數據的精確記錄、實驗結果的科學分析、實驗操作的嚴格規范，能夠培養學生認真嚴謹的科學態度。

2 自制教具在中學物理實驗教學中的作用

新課標規定了中學生必做的21個實驗，其中的大部分實驗都有成套標準的實驗儀器，老師和學生借此開展實驗教學。但學生在使用成套的物理教學儀器進行知識探究中，會逐漸失去學習的新鮮感和神秘感，進而失去學習興趣[4]。另外，還有一些可以通過實驗研究掌握的知識點并沒有成套的規模化的器材，比如“流體壓強與流速關系”。教師可以結合生活經驗，利用生活中常見的材料自制教具進行實驗，幫助學生總結和驗證物理規律。自制教具在中學物理實驗中具有非常積極的作用。

（1）有助于更好地幫助學生理解課本中的知識。初中階段是學生抽象邏輯思維開始初步形成的時期，而抽象邏輯思維需要感性經驗的支持，中學生生活經驗不足，缺乏相應的感性思維，很多抽象的物理知識理解起來比較困難。教師利用生活經驗制作一些教具，可以幫助學生把抽象的物理概念轉化為具體形象的例子，學生更容易理解和記憶。對于一些比較簡單的教具，可以鼓勵學生參與動手制作，制作過程中發現問題、分析問題、解決問題，從而更好地把握物理概念和物理規律。

（2）有助于提升學生物理學習的興趣。物理概念一般比較抽象，很多概念比較難以理解，使用自制教具教學后，可以把難于理解的概念及結論融入實驗中，簡單生動有趣的實驗有助于消除學生對學習物理的恐懼感，讓學生在快樂的氛圍中學知識，調動學生的積極性，更好地激發學生的學習興趣。通過學生自己動手利用身邊現有的物品重復制作教具，使他們的物理學習更親近生活的同時，也學會了廢物利用，有利于保護環境，促進社會的和諧發展[5]。自制教具符合新課標減負、樂學、樹人的理念，也有助于培養學生動手能力和創新意識。楊振寧先生曾說過：“我們通過自身實踐自制的儀器永遠比市場買來的要好呀”[6]。學生在教師指導下完成實驗，提出改進實驗裝置意見并鼓勵學生利用生活中的物品自制教具并完成相關實驗，能夠提高學生的觀察能力、思考能力、動手能力及創新意識。

（3）有助于加強與生活的聯系。傳統實驗器材與自制教具的最大不同點，傳統的實驗儀器都是通過工廠流水線制作出來的，很多零件在生活中并不常見，給人一種脫離生活的感覺[7]。自制教具是教師和學生智慧的結晶，是教師在科學基礎上根據教學需要，利用生活中的物品制造出來的，教具里包含了教學思想，也是有“靈魂”的實驗儀器。對于學生來說，物理不再是高高在上的遠離生活的學科，更容易引起學生對物理與生活關系的思考。他們會發現物理知識就在身邊，與自己的生活息息相關，更能體會科技提升生活品質的重要性，從而在心中埋下投身科技、奉獻社會的種子。

3 自制教具應用于流體壓強與流速關系教學

流體壓強與流速的關系是人教版初中物理八年級下冊的內容，該部分內容與生活聯系緊密，學生理解起來有一定的難度。傳統授課方式一般是講授法，把該部分的實驗規律通過口頭講述的方式講出來，學生只能是機械記憶。對于稍微復雜的關乎生活實際的流體壓強與流速關系，學生不能從根本上把握，處于一知半解的狀態，不利于知識的掌握。特別是液體壓強與流速關系部分與前面學習的液體內部壓強處處相等的知識點有“相悖”之處，教師簡單的講述不利于學生把握知識的本質，學生不能很好地理解相似知識之間的聯系與區別。

3.1 自制教具進行實驗驗證并用于教學過程

在教學中，“液體流速與壓強演示儀”形象生動地演示該部分的物理現象，加深了學生對這部分知識的理解，幫助學生掌握流體壓強與流速的關系，并自覺與生活中相關現象進行聯系，把所學知識用于實際生活。

“氣體壓強與流速演示儀”是模仿自然界中土撥鼠的洞穴制作的，讓學生在學習物理知識的基礎上，把學生的眼光引向大自然，從而發現物理知識與自然界的聯系，同時開闊學生視野，把握知識本質，解釋相關問題，激發學生的探究欲望。

教具的制作材料偶亞克力管、速干膠水、橡皮泥、透明軟管、吹風機、乒乓球、剪刀、圓規等。制作過程中，亞克力管相隔一定距離挖兩個孔（與透明軟管的直徑相同），便于與透明軟管進行連接，在其中一個孔的內邊粘兩塊橡皮泥（模仿土撥鼠的洞口土堆）；另一端與另一個口相連（模仿土撥鼠的洞另一個洞口），把乒乓球裝入軟管中，把軟管的兩端插入挖好的亞克力管孔中，用膠水粘好（防止漏氣），如圖1所示。

實驗過程中，首先把整個儀器水平放置，用吹風機在左端進氣口往里面吹氣，模仿自然界的空氣流動。觀察乒乓球的運動情況，然后在右端進氣口往里面吹氣，觀察乒乓球的運動情況。

分析現象得出結論，無論從哪個進氣口吹氣，都可以觀察乒乓球從左向右移動。乒乓球處在軟管中受重力、支持力、可以忽略的滾動摩擦力及兩側氣體壓強產生的壓力。重力和支持力是一對平衡力，乒乓球從左向右移動，是因為左側受到的力大于右側受到的力，也就是左側的壓強大于右側的壓強，左側的壓強與a洞口的壓強相等，右側壓強與b洞口壓強相等，由此可以推斷出b洞口壓強小于a洞口壓強；氣體流動時可以認為在相等時間內通過不同橫截面積的流量相等，在進氣管中，a洞口所在位置的橫截面積大于b洞口的橫截面積，所以b洞口的氣體流速大于a洞口的氣體流速。當向進氣口吹氣時，無論從哪個進氣口吹氣，結果都是a洞口空氣流速慢，壓強大；b洞口空氣流速快，壓強小。綜合分析得出結論，氣體的流速越大，壓強越小。

3.2 液體壓強與流速關系自制教具及應用

教具制作材料是一個兩端和上端開口的長方體泡沫箱，寬度大于三十厘米，長度要大于一米，高度大于五厘米，一塊塑料板或泡沫板，高度二厘米，兩根輕繩，兩個大小相同的塑料圓球（圓球可以懸浮或漂浮在水中），防水膠水等。

制作過程是把泡沫箱一端稍墊高，墊高的一端距端口十厘米左右粘塑料板或泡沫板，作為擋水板（從墊高的一側注水時，使水從其上面流過），泡沫箱中距擋板十厘米左右的位置固定細繩，細繩拴兩個塑料球，塑料球要相隔一定距離，如圖2所示。

實驗過程中，把長方體泡沫箱放在水平桌面上，下端接上水盆，在墊高的一端注水，直到水超過擋板高度流過泡沫箱（注水速度不能過慢，以保證箱中水有一定高度），觀察水流過泡沫箱時塑料球運動情況。

得出結論表明，水流過泡沫箱，可以看到兩個塑料圓球往中間區域移動。小球向中間區域移動，說明小球左右兩側受的力大小不相同，靠近水槽中間的力小于靠近水槽兩側的力，而小球兩側受的力源于水對小球的壓強。小球向中間移動，說明水槽中間的水流對小球的壓強小于水槽兩側對小球的壓強。從實驗現象中可以看到靠近兩側的水流速度比水槽中間的水流速度慢（具體原因可以作為學生課后查閱討論的內容）。由此得出結論表明，液體的流速大，壓強小。

根據以上兩個實驗總結如下，流體的流速大，壓強小。對比前面所學的液體內部同一深度處壓強處處相等的結論，總結了前面所說的液體是指靜止的液體，從而加深對前面知識的理解和鞏固，培養了學生辯證看待問題的能力。

4 結論

自制教具雖然簡單，但是在課堂教學中起到了非常重要的作用，將枯燥抽象的知識演繹的生動有趣，使學生加深對知識難點、重點的理解，激發學生探究創新的熱情。學生在課下可以自己動手對教具進行模擬和改進，通過親自參與教具制作，熟悉相關工具的使用，掌握制作的技能和方法，也達到了勞動訓練的目的。

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參考文獻：

〔1〕吳龍忠，自制熱學及電磁學實驗演示儀[J].中學物理教學參考，2022，51（05）：67-70.

〔2〕熊貴嬌，利用自制教具為“探究求合力的方法”保駕護航[J].中學物理，2021，29（10）：29-29.

〔3〕中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022版）[S].北京：人民教育出版社，2022.

〔4〕劉曦萍，自制教具讓初中物理課堂更加精彩[J].基礎教育研究，2017，30（04）：51-52.

〔5〕郭素華，自制教具在初中物理實驗教學中的應用[J].中國校外教育，2020，29（14）：123.

〔6〕劉炳升，馮容士，中學物理實驗教學與自制教具[M].上海：上海教育出版社，2000.

〔7〕朱成巧，高中物理實驗創新與自制教具[M].南京：南京師范大學出版社，2019.