自制實驗教具 優(yōu)化初中物理實驗教學(xué)

摘" 要：物理實驗是落實物理課程育人要求的重要載體，實驗教具則是物理實驗教學(xué)中必不可少的部分。教師可以通過自制實驗教具，引導(dǎo)學(xué)生進行觀察和實驗，優(yōu)化實驗教學(xué)方式，從而提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。

關(guān)鍵詞：自制教具；實驗優(yōu)化；科學(xué)探究能力

1" 引言

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）對核心素養(yǎng)的內(nèi)涵進行了新的界定，同時明確了物理課程要培養(yǎng)的核心素養(yǎng)，主要包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度與責(zé)任四個方面。［1］《課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，物理實驗是落實物理課程育人要求的重要載體，而科學(xué)探究又是物理實驗的重要組成部分，其要求學(xué)生能夠基于觀察和實驗提出物理問題、形成猜想與假設(shè)、設(shè)計實驗與制訂方案、獲取與處理信息、基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋，以及對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思。［2］

實驗教具是開展物理實驗教學(xué)的重要依托。而在實際的教學(xué)中，由于實驗器材的局限性，教師往往只能引導(dǎo)學(xué)生開展一些封閉式或是半開放式的探究實驗。在封閉式實驗過程中，學(xué)生就像是被牽線的木偶，只能跟著教師的實驗設(shè)計走，為了探究而探究之。半開放實驗相比于前者稍好一些，但對發(fā)展學(xué)生的科學(xué)探究能力還是會有一定的限制，比如缺乏“設(shè)計實驗與制訂方案”的能力訓(xùn)練。事實上，學(xué)生能想到、做到的要比教師設(shè)想的多，教師應(yīng)該適當(dāng)放手，給學(xué)生更多自主探究的空間，這也對學(xué)生使用的實驗教具提出了更高的要求。

“探究影響浮力大小的因素”是2012年版蘇科版初中物理八年級下冊第十章第4節(jié)“浮力”中的一個探究實驗，上承浮力概念、下接阿基米德原理。本文將從“現(xiàn)有實驗教具的不足”“實驗教具的改進與創(chuàng)新”“新教具在教學(xué)中的使用及效果”“對新教具的反思與評價”四個方面，闡述如何對“探究影響浮力大小的因素”實驗教具進行優(yōu)化，以及如何利用該教具開展實驗教學(xué)，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力。

2" 現(xiàn)有實驗教具的不足

物理教材提供的“探究影響浮力大小的因素”實驗器材有彈簧測力計、圓柱體、盛有水和濃鹽水的容器各一個。

學(xué)校實驗室配備的或市面上能買到的裝置主要是探究阿基米德原理實驗器（見圖1），需要用到的主要器材有：彈簧測力計、溢水杯（可用燒杯代替）、重物（可用金屬圓柱體代替），其中接水小桶可不用。

教學(xué)實踐表明，學(xué)生對于“影響浮力大小的因素”的猜想有很多，如物體浸入液體的深度、物體浸入液體的體積、液體密度、物體重力、物體形狀等。通過以上實驗器材，學(xué)生能夠探究浮力大小與排開液體體積、液體密度和物體重力三個因素的關(guān)系，雖能達成基本的探究實驗教學(xué)目標(biāo)，但限制了學(xué)生的自主探究范圍，不利于發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新能力。

教材最后定性論證了阿基米德推導(dǎo)式F浮＝ρ液V排液g與“探究影響浮力大小的因素”實驗結(jié)論間的關(guān)系，但這對于發(fā)展學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力有一定的限制。如果獲取的實驗數(shù)據(jù)不僅能得到定性結(jié)論，還能進一步得到定量結(jié)論，則探究實驗結(jié)論與阿基米德原理間的契合度會更高，也更有說服力。

因此，有些教師也在教具上探索得到定量結(jié)論的可行性，比如用圓柱形玻璃瓶代替重物，記玻璃瓶的體積為V，將排開液體的體積以“0.25V、0.5V、0.75V”的形式呈現(xiàn)并開展探究（見圖2）。［3］但是，這套器材對玻璃瓶浸入液體中的體積大小有限制，且不能浸沒在水中。在整個實驗中，此玻璃瓶只適用于“探究浮力與排開液體的體積的關(guān)系”一個實驗，實驗前后很難呼應(yīng)，不利于學(xué)生建構(gòu)整個影響浮力大小因素的知識網(wǎng)絡(luò)。

再如通過增加小球個數(shù)成倍增加排開水的體積，同時完成影響浮力大小因素的探究實驗和阿基米德原理實驗（見圖3）。［4］但是，這套器材不利于學(xué)生確定浮力的研究對象，反而更適用于“驗證阿基米德原理”實驗。

3" 實驗教具的改進與創(chuàng)新

為了契合《課程標(biāo)準(zhǔn)》對發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力的要求，緊貼教材實驗前后的知識點，故針對原有實驗器材進行改進與創(chuàng)新，力求在簡化實驗器材的基礎(chǔ)上拓寬學(xué)生的探究范圍，盡可能滿足學(xué)生“探究影響浮力大小的因素”的實驗需求，同時發(fā)展學(xué)生“設(shè)計實驗與制訂方案”“獲取與處理信息”“基于證據(jù)得出結(jié)論并作出解釋”以及“對科學(xué)探究過程和結(jié)果進行交流、評估、反思”等科學(xué)探究能力。［5］

3.1" 實驗原理

利用“稱重法：F浮＝G－F拉”測浮力。

3.2" 新教具的組成

“探究影響浮力大小的因素”的教具包含：自制的六面磁性塑料立方體共5個（其中4個立方體質(zhì)量相等，1個立方體質(zhì)量較大）；量程為0～1.0N、分度值為0.02N的彈簧測力計1個；鐵架臺及試管夾各1個（主要用作固定彈簧測力計）；規(guī)格為“150mm×150mm”的升降臺1個（小于此規(guī)格則無法完成實驗）；一杯清水；兩杯密度分別為1.1×103kg/m3和1.2×103kg/m3的鹽水（鹽水需在上課前利用密度計調(diào)配，飽和鹽水會使立方體漂浮，不可用）。

3.3" 制作新教具所需材料及方法

新教具的主體是棱長為2cm的六面磁性塑料立方體，其原是作為數(shù)學(xué)空間幾何教具使用（見圖4）。該立方體中兩個相對的面可拆除，內(nèi)部分為上下兩個區(qū)域，每個角上都放有一個可自由翻轉(zhuǎn)的釹磁鐵，其他部分為空心（見圖5）。

如果將該立方體直接投入水中，其將處于漂浮狀態(tài)，無法進行實驗。因此，教師應(yīng)先用美工刀打開正方體蓋，再將兩個直徑為8mm的小鋼珠放入立方體內(nèi)部空心處，增加立方體的質(zhì)量，使其能夠在水和鹽水中下沉（見圖6）。為了探究浮力大小與物體所受重力的關(guān)系，教師可在另外一個立方體內(nèi)部再加入一些直徑為2mm的小鋼珠，使立方體的質(zhì)量再增加5g左右（立方體可在水中下沉，且吸起后不會掉落為宜）。

制作完的立方體還要用熱熔膠密封，防止在實驗過程中水向內(nèi)滲透而導(dǎo)致教具的質(zhì)量發(fā)生改變，影響實驗結(jié)果。最后，教師在一個立方體上方用熱熔膠固定一個塑料小圈（可從吸管上剪取），方便懸掛。未加重物與加重物的兩種立方體在水中的狀態(tài)呈現(xiàn)出明顯差異（見圖7）。

3.4" 新教具的特點

新教具中的立方體在制作上主要有取材方便、成本低廉、制作簡單三個優(yōu)點。

整套新教具在使用上主要有彈簧測力計示數(shù)穩(wěn)定、探究范圍廣、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確三個特點。

特點一，彈簧測力計示數(shù)穩(wěn)定。新教具主要通過兩方面的改進穩(wěn)定彈簧測力計示數(shù)：第一，利用升降臺，將燒杯置于升降臺上，根據(jù)需求調(diào)節(jié)升降臺平面的高度；第二，在試管夾上固定好彈簧測力計，調(diào)節(jié)立方體和彈簧測力計的高度，再將試管夾固定在鐵架臺上。

特點二，探究范圍廣。新教具立方體的六個面都有磁性，可相互吸合；立方體空心且方便拆裝，質(zhì)量可變；立方體密封，不會進水導(dǎo)致質(zhì)量改變。在實驗過程中，學(xué)生能通過對立方體進行不同的組合，完成浮力大小與

物體浸入液體的深度、排開液體體積、物體重力、物體形狀、液體密度關(guān)系的自主探究。值得注意的是，學(xué)生在探究浮力大小與物體形狀的關(guān)系時，相較于橡皮泥，新教具在操作過程中比較干凈，且體積不易改變。

特點三，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。新教具使用的立方體形狀規(guī)則，體積為8cm3，每個立方體間的間隔較小且容易發(fā)現(xiàn)。教具中的彈簧測力計分度值為0.02N，得到的數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，誤差在0.01N左右。另外，學(xué)生還可通過數(shù)據(jù)分析得到定量的結(jié)論。

4" 新教具在教學(xué)中的使用及效果

新教具中的立方體為實驗的研究對象，學(xué)生拿到后可根據(jù)需求進行任意拼裝，而其他教具則作為輔助，優(yōu)化實驗效果。該教具在“探究影響浮力大小的因素”的實驗中，至少能夠針對５類猜想進行探究。整套教具組裝好之后，學(xué)生實驗操作部分上手很快，得到的數(shù)據(jù)誤差也較小。教師可以根據(jù)學(xué)生的實際情況，選擇探究的難度和深度。［6］

4.1" 探究浮力大小與物體浸入水中體積（排開液體體積）的關(guān)系

探究方法：首先將4個立方體顏色間隔地吸在一起，呈“一”字形，再將立方體豎直懸掛在彈簧測力計上，接著向上調(diào)節(jié)升降臺，使立方體柱緩慢浸入水中。每到一條分界線，讀出一個示數(shù)并記錄在表格中，實際探究過程如圖8所示。

記錄的實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

數(shù)據(jù)處理：將表1中的數(shù)據(jù)通過“描點法”繪制成“浮力—排開液體體積”關(guān)系圖像（見圖9）。

初步結(jié)論：物體所受浮力大小與物體排開液體體積有關(guān)。當(dāng)液體密度相同時，物體排開液體的體積越大，其所受浮力越大。

深度結(jié)論：當(dāng)液體密度相同時，物體所受浮力大小與物體排開液體體積成正比。

4.2" 探究浮力大小與物體浸入液體深度的關(guān)系

探究方法：前期探究方法與4.1一致。當(dāng)立方體柱浸沒在水中后，繼續(xù)向上調(diào)節(jié)升降臺，觀察示數(shù)變化。拓展探究時，將立方體豎直連接，豎著和橫著各浸入水中一半，比較兩次浮力大小（見圖10）。實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

實驗結(jié)論：物體所受浮力大小與物體浸入液體的深度無關(guān)。

4.3" 探究浮力大小與物體所受重力的關(guān)系

探究方法：用重力不同的小立方體替換豎直組合中的一個，用彈簧測力計測出其浸沒在水中的浮力，并與替換前的組合進行比較（見圖11）。實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

實驗結(jié)論：物體所受浮力大小與物體重力無關(guān)。

4.4" 探究浮力大小與物體形狀的關(guān)系

探究方法：利用小立方體的磁性，改變小立方體的組合形狀，用彈簧測力計測出其浸沒在水中時受到的浮力，并對不同組合形狀的立方體在水中受到的浮力進行比較（見圖12）。實驗數(shù)據(jù)如表4所示。

實驗結(jié)論：物體所受浮力大小與物體形狀無關(guān)。

4.5" 探究浮力大小與液體密度的關(guān)系

探究方法：將小立方體分別浸沒在兩杯密度不同的鹽水中，用彈簧測力計分別測出小立方體柱受到的浮力，將測得的數(shù)據(jù)記入表格，并與此立方體柱浸沒在水中時受到的浮力進行比較，實驗數(shù)據(jù)如表5所示。

數(shù)據(jù)處理：將表中的數(shù)據(jù)通過“描點法”繪制成“浮力－液體密度”關(guān)系圖像如圖13所示。

初步結(jié)論：物體所受浮力與液體密度有關(guān)。當(dāng)物體排開液體體積相同時，液體密度越大，物體所受浮力越大。

深度結(jié)論：當(dāng)物體排開液體體積相同時，物體所受浮力大小與液體密度成正比。

該教具在學(xué)生探究過程中有較多留白，從設(shè)計實驗到制訂方案并不是一蹴而就的，需要一個從理論設(shè)計到實際操作的思考過程。第4部分中給出的實驗方案只是其中一種可行的探究方法，方法并不唯一。在實際教學(xué)中，學(xué)生在不受限制的思考中更容易碰撞出思維的火花，深度提升自己的實驗設(shè)計與方案制訂能力。

5" 新教具對學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展

通過實驗獲取信息對學(xué)生來說難度不大，但如何處理信息、如何從信息中找到證據(jù)并得到結(jié)論，則是一個難點，也是現(xiàn)有教具在獲取數(shù)據(jù)上較難突破之處。使用該教具獲得的較為準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)，不僅為學(xué)生提供了定量分析數(shù)據(jù)的可能，也助力了學(xué)生發(fā)展數(shù)據(jù)處理與分析、歸納總結(jié)、交流反思等科學(xué)探究能力。

此外，學(xué)生的科學(xué)探究能力指向多個方面且水平各異。雖然新教具能夠進行多個探究活動，但限于學(xué)生猜想的范圍以及學(xué)生的思維深度和廣度，在課堂中教師可能不會做到所有的實驗，也不是每次探究都能夠得到定量的結(jié)論。因此，如果學(xué)生基礎(chǔ)較弱，教師可以選擇在新授課中止步于得到初步結(jié)論，另在復(fù)習(xí)課中再次進行實驗并對實驗結(jié)論進行深度總結(jié)。如果學(xué)生基礎(chǔ)較好，教師可以直接在初步結(jié)論的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)圖像得到深度結(jié)論。教師可以根據(jù)學(xué)生的實際情況，有選擇性地開展實驗，不必刻意強求。

參考文獻

［1］［2］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：41，5.

［3］王寶玉.在實驗改進中培養(yǎng)科學(xué)探究能力——以“探究浮力的大小”實驗為例［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2021，50（17）：60-61.

［4］錢萍，王堅.“探究影響浮力大小的因素”實驗改進與創(chuàng)新［J］.物理教師，2019，40（1）：50-52.

［5］［6］朱舒雁.基于學(xué)生經(jīng)驗的探究式教學(xué)設(shè)計——以“浮力”為例［J］.中學(xué)物理教學(xué)參考，2023，52（4）：22-26.