自制教具——物理教學(xué)中一道亮麗的風(fēng)景——“第11屆全國中學(xué)物理青年教師教學(xué)大賽”教具展示作品賞析

自制教具——物理教學(xué)中一道亮麗的風(fēng)景
——“第11屆全國中學(xué)物理青年教師教學(xué)大賽”教具展示作品賞析

張春麗

(北京市朝陽區(qū)教育研究中心北京100028)

摘 要：通過對(duì)參展典型作品的賞析，重點(diǎn)闡述了自制教具的設(shè)計(jì)思路、給物理教學(xué)帶來的積極影響以及自制教具應(yīng)當(dāng)遵從的原則，強(qiáng)調(diào)自制教具的重要性和必要性.

關(guān)鍵詞：自制教具設(shè)計(jì)影響原則

收稿日期：(2014-11-15)

“第11屆全國中學(xué)物理青年教師教學(xué)大賽”于2014年10月11日在四川成都如期舉行，大會(huì)同時(shí)舉行了教師自制教具的展示與評(píng)比活動(dòng).不負(fù)所望，本次活動(dòng)匯聚了全國各省市推薦的許多優(yōu)秀作品，呈現(xiàn)出一道令人嘆為觀止的亮麗風(fēng)景.

1自制教具獨(dú)具匠心的設(shè)計(jì)思路

筆者在大賽聽課休息期間來到教具展示廳，原打算只瀏覽一下，然而一件件構(gòu)思獨(dú)特的作品讓人流連忘返.

1.1從定性到定量獨(dú)具匠心

由于種種原因，高中物理教材中的許多演示實(shí)驗(yàn)只是定性研究，而我們需要得出的結(jié)論卻是定量的，這無疑給教學(xué)帶來了缺憾，很多自制教具也就因此而生.例如，作品“用拉桿天線自制安培力的實(shí)驗(yàn)裝置”[1]，如圖1所示，就是專門針對(duì)安培力的公式F=BIL的定量得出而設(shè)計(jì)的.該作品利用控制變量的方法，根據(jù)力矩平衡的原理(也可以根據(jù)初中的杠桿平衡原理)巧妙地研究了安培力與電流I及通電直導(dǎo)線長度L之間的定量關(guān)系.不僅難點(diǎn)得到了突破，學(xué)生所學(xué)的知識(shí)也有了“用武之地”，簡單直觀，易于理解.再比如，對(duì)機(jī)車功率P=Fv的理解一直是教學(xué)中的難點(diǎn)，由于缺乏實(shí)踐經(jīng)歷，很容易把一個(gè)原本現(xiàn)實(shí)的問題變成機(jī)械記憶的結(jié)論.作品“用自制玩具突破功率、力 、速度關(guān)系的探究難點(diǎn)”[2]很好地解決了這一難點(diǎn).該作品利用組裝的學(xué)生熟悉的玩具小車(圖2)，真實(shí)地模擬了汽車、起重機(jī)等機(jī)械的變擋原理，通過半定量的研究，使學(xué)生獲得了真實(shí)的體驗(yàn)，在實(shí)際的情境中讓學(xué)生自己實(shí)實(shí)在在地得出了圓滿的解釋，真正理解了功率、車速、牽引力三者的關(guān)系.學(xué)以致用，玩中學(xué)、學(xué)中用，學(xué)生能不感興趣嗎？

圖1　用拉桿天線自制安培力實(shí)驗(yàn)裝置

圖2　用自制玩具小車突破功率、力、速度的關(guān)系

1.2從隱性到顯性別出心裁

物理學(xué)的規(guī)律往往抽象、隱含，“抽象問題顯性化”也一直是物理教師的追求之一.例如曲線運(yùn)動(dòng)中關(guān)于瞬時(shí)速度的方向“沿軌跡的切線方向”，描述直觀但理解抽象，直觀顯示瞬時(shí)速度的方向就成為演示實(shí)驗(yàn)中一個(gè)難點(diǎn).教材中的砂輪甩出火星不易演示，雨傘甩出的雨滴由于重力作用也不直觀.作品“曲線運(yùn)動(dòng)的演示實(shí)驗(yàn)”[3]非常巧妙地解決了這個(gè)問題.在一個(gè)水平轉(zhuǎn)動(dòng)的光盤下鋪白色水寫布，在光盤上滴上清水，光盤逐漸加速轉(zhuǎn)起來后水被甩出，停止轉(zhuǎn)動(dòng)，觀察水寫布上的痕跡，非常清晰地顯示出：甩出的水滴呈現(xiàn)出一條條直線徑跡，并且每條直線均與光盤的投影圓相切,如圖3所示，沿切線飛出的現(xiàn)象相當(dāng)明顯.

圖3　曲線運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度方向的演示實(shí)驗(yàn)

再比如，作品“彈力方向演示裝置”(圖4)，利用的器材很簡單，斜角木塊、克郎球、蠟紙、膜，圖4是該實(shí)驗(yàn)裝置的俯視圖，整個(gè)裝置放置在水平臺(tái)面上；圖中右上角淺色的三角形為梯形木塊的一部分，該木塊兩條平行邊長度分別約為30 cm和15 cm，便于用手操作，木塊的厚度與克郎球直徑相當(dāng)；如圖中所示，實(shí)驗(yàn)時(shí)用此木塊的一個(gè)斜角側(cè)面撞擊克郎球；圖中左半邊是平鋪的蠟紙，蠟紙上覆蓋的是薄膜，圖中薄膜上留下的深色印跡就是克郎球被撞擊后滾出時(shí)留下的痕跡.通過顯示被斜角木塊撞擊后克郎球的徑跡來顯示木塊對(duì)克郎球的彈力方向與撞擊面垂直的結(jié)論，樸素簡潔中折射著別出心裁的智慧！

圖4　彈力方向演示裝置

1.3從習(xí)題到實(shí)驗(yàn)的巧思樂趣

本次參展的作品中有不少源自于高中物理的練習(xí)題，好的習(xí)題本身就是一個(gè)科學(xué)問題.有些習(xí)題蘊(yùn)含的物理思想值得體會(huì)，這些也往往成為教師們自制教具的素材.例如，作品“機(jī)械能守恒演示裝置的改進(jìn)”[4]，取材的就是一道物理練習(xí)題：先讓小球擺動(dòng)，擺至最低點(diǎn)時(shí)遇到刀片繩子被割斷，小球被水平拋出，測出射程及高度進(jìn)而測出平拋的初速度，這樣就可以在圓周運(yùn)動(dòng)的情況下驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，如圖5所示.習(xí)題不再單調(diào)枯燥，規(guī)律不再遠(yuǎn)離現(xiàn)實(shí)，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的原理更加豐富，習(xí)題、規(guī)律、思想、實(shí)驗(yàn)融通整合，其中的巧思樂趣令人回味悠長！

圖5　機(jī)械能守恒演示裝置的改進(jìn)

1.4從繁瑣到簡約的質(zhì)樸智慧

在參觀中，有一件很夸張的作品引起了筆者的注意，這件作品很簡單，因?yàn)橛玫木褪且粋€(gè)木質(zhì)的架子，架子的橫梁上鋪墊著一條很粗的海綿，幾個(gè)礦泉水瓶內(nèi)裝著體積不等的紅色水，依次懸掛在帶有海綿的橫梁下，海綿顯示的形變各不相同，如圖6所示.筆者忍不住停下腳步，內(nèi)心很激動(dòng)，“瓶瓶罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”，不管條件多么艱難，想法設(shè)法動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，這是一種怎樣的追求境界？筆者能感受到設(shè)計(jì)者對(duì)學(xué)生、對(duì)物理教學(xué)那種質(zhì)樸的熱愛.看著筆者長久駐足，該作品的制作者梅老師很自豪地告訴筆者：本實(shí)驗(yàn)可以非常清晰地讓孩子們看到形變，哪怕是坐在教室最后一排的孩子也能看得很清楚：水的重量不同，海綿承受的壓力不同，壓力越大，形變就越大.本實(shí)驗(yàn)可見度大，非常直觀！筆者恭敬地傾聽，內(nèi)心非常感動(dòng)——照顧到每一個(gè)孩子！也由衷感嘆——撇開繁瑣回歸簡約的大智和大愛！

圖6　形變演示實(shí)驗(yàn)

1.5從單一到多功能的集成設(shè)計(jì)

本次參展的作品中也有一些是“一器多用”.聰明的教師們在設(shè)計(jì)時(shí)總是想方設(shè)法利用自己的自制教具來演示、集成更多的實(shí)驗(yàn).例如，作品“圓周運(yùn)動(dòng)演示儀”[5](圖7)，在錐形斗內(nèi)放置乒乓球、瓶蓋等常見物品，演示了圓周運(yùn)動(dòng)、離心運(yùn)動(dòng)、近心運(yùn)動(dòng)后，又撤掉漏斗，在轉(zhuǎn)盤上放置質(zhì)量不同的小磁貼，讓學(xué)生親眼目睹隨著轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的增大，半徑越大的小磁貼越先脫離轉(zhuǎn)盤做離心運(yùn)動(dòng)，接著再放置中間連著彈簧的兩個(gè)小球，讓學(xué)生清晰地看到彈簧的伸長(出自物理練習(xí)題)，對(duì)向心力的認(rèn)識(shí)既直觀又不斷加深.“一器多用”、“巧妙集成”，達(dá)成了物理教學(xué)的機(jī)制、靈活和高效！

圖7　圓周運(yùn)動(dòng)演示儀

1.6從經(jīng)典到現(xiàn)代的探究創(chuàng)新

物理課程的內(nèi)容既要重視基礎(chǔ)性還要體現(xiàn)時(shí)代性，物理教學(xué)應(yīng)適時(shí)地傳遞現(xiàn)代科技發(fā)展的信息，才能讓學(xué)生感受到時(shí)代的脈搏，保持積極向上的精神面貌.與現(xiàn)代科技的接軌也就成為教師們自制教具的一個(gè)著眼點(diǎn).例如，作品“激發(fā)活力的自制教具——安培力作用下物體的運(yùn)動(dòng)”，以現(xiàn)代科技中的電磁炮原理為出發(fā)點(diǎn)，以相關(guān)的習(xí)題為背景，讓學(xué)生動(dòng)手一起參與設(shè)計(jì)、探究和改進(jìn)，既讓學(xué)生感興趣，又使習(xí)題不再遠(yuǎn)離現(xiàn)實(shí)，同時(shí)還體驗(yàn)到：現(xiàn)代科技就在身邊，并非遙不可及，自己就能“創(chuàng)造” 電磁炮！把提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的課程目標(biāo)落到了實(shí)處.

2自制教具給物理教學(xué)帶來的積極影響

自制教具，指的是教師和學(xué)生利用簡便易行的方法就地取材，自己動(dòng)手制作的用于學(xué)科教學(xué)的教具或?qū)W具，是教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)器具的必要補(bǔ)充.隨著新課程的推進(jìn)，物理實(shí)驗(yàn)的密度進(jìn)一步加大，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教具已經(jīng)難以滿足需要，再加上一些現(xiàn)有器材的不夠理想，自制教具就顯得既重要又必要.從前面的范例中我們也可以體會(huì)到自制教具對(duì)物理教學(xué)也帶來了許多積極的影響.

2.1物理學(xué)習(xí)興趣的熱度激發(fā)

心理學(xué)告訴我們,“濃厚的興趣能彌補(bǔ)智能的不足，持久的興趣會(huì)導(dǎo)致發(fā)明創(chuàng)造”.愛玩、愛動(dòng)是學(xué)生的天性，對(duì)他們來說，只要激起濃厚的學(xué)習(xí)興趣，他們就會(huì)熱情主動(dòng)地投入到物理學(xué)習(xí)中，物理課堂就會(huì)變得活潑開放、機(jī)智靈動(dòng)，教學(xué)效果自然會(huì)倍增.自制教具中呈現(xiàn)出的新奇現(xiàn)象以及教具本身的成功制作，都能夠很自然地引起學(xué)生強(qiáng)烈的興趣，他們會(huì)迫不及待地主動(dòng)經(jīng)歷“猜測、觀察、解釋……”等一系列科學(xué)探究的過程，而且樂此不疲，自制教具能夠創(chuàng)造如此功效，我們的物理教師何樂而不為呢？

2.2動(dòng)手實(shí)踐能力及創(chuàng)造力的自然達(dá)成

有一個(gè)問題值得關(guān)注：我們總是過多地談如何培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力及創(chuàng)造力，卻很少提及教師的動(dòng)手能力及創(chuàng)造力，這是很不正常的邏輯！培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力及創(chuàng)造力得先從教師做起.然而，當(dāng)前中學(xué)物理教師的實(shí)驗(yàn)水平普遍不太理想，很多教師不斷重復(fù)著幾個(gè)陳舊的實(shí)驗(yàn)，甚至有實(shí)驗(yàn)也嫌麻煩懶得動(dòng)手做，教師本人對(duì)實(shí)驗(yàn)沒有太大的興趣，更談不上什么創(chuàng)造力.教師對(duì)實(shí)驗(yàn)的這種態(tài)度直接影響著學(xué)生，長此下去，對(duì)學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)就極為不利.為此，我國很多師范院校專門開設(shè)了自制教具課，以培養(yǎng)未來教師的動(dòng)手及創(chuàng)新能力，各級(jí)教育部門也不斷地開展自制教具的評(píng)比活動(dòng)，以活動(dòng)來促進(jìn)廣大教師自制教具的熱情.如果我們的教師不斷向?qū)W生展示自己的“研發(fā)產(chǎn)品”，學(xué)生驚奇稱嘆的同時(shí)，咋能不躍躍欲試呢？身教勝于言傳，再適時(shí)地因勢利導(dǎo)，鼓勵(lì)學(xué)生親自制作，比如讓學(xué)生自己制作彈簧測力計(jì)、電容器、水果電池、浮沉子等等，在這樣的氛圍中，學(xué)生的實(shí)踐探究能力以及創(chuàng)造力自然而然就提高了.

2.3培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)和科技意識(shí)的現(xiàn)實(shí)途徑

自制教具不是簡單的儀器仿制，一方面，需要經(jīng)過一定的創(chuàng)意、構(gòu)思和設(shè)計(jì)，這些都是創(chuàng)造性的勞動(dòng)，是創(chuàng)新意識(shí)的體現(xiàn)；另一方面，要涉及到科學(xué)知識(shí)、技術(shù)、方法的應(yīng)用，甚至還需要考慮材料、能源、環(huán)境、安全等問題.例如，作品“激發(fā)活力的自制教具——安培力作用下物體的運(yùn)動(dòng)”的制作，不僅需要設(shè)計(jì)外形還要合理選材，還要關(guān)注儀器的改良等因素，這些肯定能增強(qiáng)學(xué)生的科技意識(shí)和應(yīng)用意識(shí)，學(xué)生在制作中查閱資料學(xué)習(xí)，邊嘗試邊改進(jìn)，很好地填補(bǔ)了當(dāng)前科學(xué)教學(xué)中虛空的地方.學(xué)以致用，學(xué)生的創(chuàng)新、科技意識(shí)提高了，就更容易動(dòng)手進(jìn)行小制作或小發(fā)明，這些不正是我們教育的期盼嗎？

2.4科學(xué)態(tài)度 合作精神和勤儉意識(shí)的熏陶

首先，儀器制作的過程必須遵循一定的科學(xué)理論，還需要來回反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和論證，既應(yīng)用理論解決了實(shí)際問題，又應(yīng)用實(shí)踐證明了理論的正確，著實(shí)地培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)態(tài)度；其次，儀器制作的過程往往需要大家的合作，例如，作品“曲線運(yùn)動(dòng)的演示實(shí)驗(yàn)”的設(shè)計(jì)過程中有一個(gè)很有趣的地方，該作品的制作者梁老師很聰明地利用網(wǎng)絡(luò)找到了合作者，不僅找到了所需的器材，還圓滿地達(dá)成了自己的設(shè)計(jì)；另一方面，前述的許多自制教具，都很巧妙地變“廢”為“寶”，利用生活中一些廢棄物如瓶蓋、螺絲釘、玩具、小電機(jī)等，制作出了各種各樣的教具，既節(jié)約了資金，又降低了教育成本，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生養(yǎng)成勤儉節(jié)約的優(yōu)良品質(zhì)有著深遠(yuǎn)的影響.

3自制物理教具時(shí)應(yīng)注意的原則

本次參展的作品給我們帶來欣喜的同時(shí)也難免呈現(xiàn)一些問題.例如，有的教具還需要進(jìn)一步完善，以作品“用拉桿天線自制安培力實(shí)驗(yàn)裝置”為例， 盡管該作品很好地解決了安培力F與電流I及通電直導(dǎo)線長度L之間的定量關(guān)系，但仍無法解決安培力與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的定量關(guān)系，對(duì)公式F=BIL的定量得出仍讓人覺得美中不足；有的教具還需要進(jìn)一步改進(jìn)，以作品“機(jī)械能守恒演示裝置的改進(jìn)”為例，小球擺下來一次繩子就被刀片割斷一次，由于要多次實(shí)驗(yàn)，每次都得更換繩子，這給實(shí)驗(yàn)既帶來了不便也造成了浪費(fèi)；有的教具還需要關(guān)注安全性的問題，以作品“圓周運(yùn)動(dòng)演示儀”為例，應(yīng)防止圓盤旋轉(zhuǎn)時(shí)小磁貼、瓶蓋、小球等物品甩出傷人.當(dāng)然這些問題也是我們的收獲，也為自制教具的設(shè)計(jì)提供了應(yīng)當(dāng)注意的原則.自制物理教具時(shí)，一般應(yīng)當(dāng)注意遵從科學(xué)性、安全性、節(jié)約性、簡單性、創(chuàng)新性以及藝術(shù)性等原則.

科學(xué)性是指教具無論是在原理、操作還是在結(jié)論上，所反應(yīng)出來的概念、規(guī)律、知識(shí)應(yīng)當(dāng)是正確的、科學(xué)的，否則會(huì)將學(xué)生引向歧途.

安全性是指教具一定要保證操作安全、性能可靠，能多次重復(fù)，而且性能穩(wěn)定，決不能發(fā)生爆燃、漏電、斷裂等危險(xiǎn)事故.

節(jié)約性是指教具一定要經(jīng)濟(jì)實(shí)用，力求廉價(jià)、實(shí)用、效果好.

簡單性是指教具要簡單、明了、直觀，能給學(xué)生以具體、形象的感性認(rèn)識(shí)，有助于減輕他們理解抽象知識(shí)的困難.

創(chuàng)新性是指教具也要不斷地更新知識(shí)、方法以及技術(shù)，勇于實(shí)踐，研制新教具，使之更加科學(xué)、理想.

藝術(shù)性是指在符合以上原則的基礎(chǔ)上，我們制作的教具要形象生動(dòng)、色彩鮮明，具有一定的美感，這樣不僅能吸引學(xué)生的注意力，還能激發(fā)學(xué)生對(duì)美的追求.

最后，再次感謝“第11屆全國中學(xué)物理青年教師教學(xué)大賽”教具展示參展的所有教師，感謝您們筑起的這道亮麗風(fēng)景，愿您們的作品給廣大物理教師帶來新的思考和行動(dòng)！當(dāng)我們的物理教師愛上自制教具的時(shí)候，它就會(huì)成為一種教學(xué)和探究的習(xí)慣，共生共享，學(xué)生樂融其中，我們的教學(xué)就會(huì)更加生動(dòng)、有趣和有效.愿更多更好的自制教具涌現(xiàn)，愿這道物理教學(xué)的風(fēng)景線更加亮麗！

此次大賽涌現(xiàn)出許多教師自制的教具，對(duì)教學(xué)起到了非常好的作用.這里擷取幾位教師的自制教具，予以介紹，希望得到同行的品評(píng).

參 考 文 獻(xiàn)

1范國峰.用拉桿天線自制安培力實(shí)驗(yàn)裝置.物理通報(bào)，2015(6)：92～93

2樓志剛.用自制玩具突破功率、力、速度關(guān)系的探究難點(diǎn).物理通報(bào)，2015(4)：81～83

3梁振華.“曲線運(yùn)動(dòng)”演示儀.物理通報(bào)，2015(6)：94～96

4唐素珍.機(jī)械能守恒演示裝置的改進(jìn).物理通報(bào)，2015(6)：97～98

5溫慧妍.自制圓周運(yùn)動(dòng)演示儀.物理通報(bào)，2015(6)：98～100