自制教具在初中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用
——以“水電站模型”為例

余娟娟

(蘭州理工大學(xué)附屬中學(xué),甘肅 蘭州 730050)

1 引言

在初中物理教學(xué)中物理實(shí)驗(yàn)的作用是至關(guān)重要的，目前國(guó)內(nèi)學(xué)校對(duì)于初中物理實(shí)驗(yàn)室的儀器配置僅能滿足課程標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，這對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)造能力和探索精神是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此自制實(shí)驗(yàn)教具、設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)出更多的實(shí)驗(yàn)就顯得非常迫切。運(yùn)用自制實(shí)驗(yàn)教具，采用靈活的教學(xué)方法，可以使課堂教學(xué)變得更加精彩，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。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(zhuǎn)化”“連通器原理”“電磁感應(yīng)”等教學(xué)中的應(yīng)用。

2 自制教具的設(shè)計(jì)與制作

以往筆者給學(xué)生們講解連通器和機(jī)械能轉(zhuǎn)化時(shí)總是通過(guò)口述或者播放視頻的方式，發(fā)現(xiàn)效果并不盡如人意。我校實(shí)驗(yàn)室中并沒(méi)有配備與這部分內(nèi)容相關(guān)器材，因此很多學(xué)生在一段時(shí)間后對(duì)這些內(nèi)容印象不深，尤其是對(duì)船閘的理解存在偏差。筆者根據(jù)圖1、圖2所示的水力發(fā)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(shè)計(jì)如圖3所示，制作材料有：亞克力板、軟管、軟管夾、電機(jī)、葉輪、發(fā)光二極管和循環(huán)水泵等。設(shè)置了A、B、C、D四個(gè)儲(chǔ)水倉(cāng)，A、B、C之間安裝了閘板。在D倉(cāng)和C倉(cāng)邊緣開(kāi)孔，用于連接管道。在C倉(cāng)的出水口處安裝了葉輪和電機(jī)，且通過(guò)電機(jī)引出導(dǎo)線在C倉(cāng)邊角安裝了發(fā)光二極管。為了保證實(shí)驗(yàn)演示的流暢性和可持續(xù)性，在D倉(cāng)和C倉(cāng)間安裝了循環(huán)水泵，圖4為教具的實(shí)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(fā)電過(guò)程也可模擬水電站船閘工作原理，使能量轉(zhuǎn)化和連通器的教學(xué)形象化、具體化，模擬現(xiàn)象更為科學(xué)、生動(dòng)和有趣。

3 自制教具在初中物理教學(xué)中的應(yīng)用

本自制教具可使用在北師大版初中物理教材相關(guān)章節(jié)的教學(xué)中：(1) 演示應(yīng)用“連通器原理”工作的“船閘”；(2) 演示水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為葉輪的動(dòng)能；(3) 演示應(yīng)用“電磁感應(yīng)”原理工作的“發(fā)電機(jī)”。

3.1 自制教具在新課引入中的應(yīng)用

孔子說(shuō)過(guò)：“知之者不如好之者，好之者不如樂(lè)之者”。新課的引入是至關(guān)重要的，猶如電影上映前的宣傳。一段精彩的教學(xué)引入可以成功地吸引學(xué)生的注意，調(diào)動(dòng)學(xué)生的興趣，使學(xué)生能更快地進(jìn)入課堂的情境中。

筆者在講授九年級(jí)課本第十章第一節(jié)“機(jī)械能”時(shí)，在新課引入環(huán)節(jié)利用自制教具演示了水的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為葉輪的動(dòng)能。在課前準(zhǔn)備時(shí)，同學(xué)們看到老師抱著一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置都圍過(guò)來(lái)觀看，七嘴八舌地問(wèn)老師：這是什么啊？好像沒(méi)見(jiàn)過(guò)?。∷麄兊暮闷嫘谋煌耆{(diào)動(dòng)了起來(lái)。

圖5

實(shí)驗(yàn)一：如圖5所示，筆者先用軟管夾夾住D倉(cāng)和C倉(cāng)之間的連接軟管，將D倉(cāng)灌滿水后取下軟管夾，可以看到D倉(cāng)的水沿著軟管流向C倉(cāng)，軟管出口處的水流沖擊電機(jī)葉輪，隨著葉輪的旋轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管開(kāi)始發(fā)光。在此過(guò)程中提醒學(xué)生們觀察發(fā)光二極管亮度的變化。開(kāi)始由于D倉(cāng)和C倉(cāng)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(jī)葉輪在水流沖擊下轉(zhuǎn)速較快，發(fā)光二極管此時(shí)也較亮。隨著D倉(cāng)與C倉(cāng)的水位差下降，出口處水流流速變慢，電機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速變慢，發(fā)光二極管的亮度也隨之變暗。

實(shí)驗(yàn)二：用軟管夾夾住D倉(cāng)和C倉(cāng)之間的連接軟管，將D倉(cāng)灌滿水，在C倉(cāng)灌一半水后將軟管夾取下，同樣D倉(cāng)的水會(huì)沿著軟管流向C倉(cāng)。此時(shí)打開(kāi)循環(huán)水泵，使得C倉(cāng)的水由水泵抽向D倉(cāng)，控制水泵開(kāi)關(guān)，使得D倉(cāng)的水位基本保持穩(wěn)定，學(xué)生可以觀察到發(fā)光二極管的亮度基本沒(méi)有變化。

在整個(gè)演示過(guò)程中，學(xué)生的注意力非常集中。實(shí)驗(yàn)演示完成后，筆者要求學(xué)生自主總結(jié)規(guī)律，大部分同學(xué)都能得出結(jié)論：(1) 發(fā)光二極管的亮度隨D倉(cāng)水位下降逐漸變暗；(2)D倉(cāng)水位不變，發(fā)光二極管的亮度不變。甚至有些預(yù)習(xí)比較好的同學(xué)已經(jīng)總結(jié)出了D倉(cāng)水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為葉輪的動(dòng)能等結(jié)論。為了科學(xué)地解釋在演示實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象，搞清楚整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)化規(guī)律，筆者帶著同學(xué)們開(kāi)始了新課的學(xué)習(xí)。該自制教具激發(fā)了學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，活躍了課堂氣氛。

在“探究產(chǎn)生感應(yīng)電流的條件”教學(xué)中，該自制教具也起到了同樣的作用。有了之前的基礎(chǔ)，學(xué)生們知道了發(fā)光二極管的電能是由電機(jī)葉輪的動(dòng)能轉(zhuǎn)化而來(lái)的，但不清楚具體是如何轉(zhuǎn)化的，由此可以帶著具體的問(wèn)題開(kāi)展教學(xué)，以達(dá)到更好的教學(xué)效果。

3.2 自制教具在新課教學(xué)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(xué)習(xí)后，大多學(xué)生在應(yīng)用連通器原理解釋船閘的運(yùn)行模式時(shí)仍是一頭霧水。因此筆者利用自制的“水電站模型”教具進(jìn)行了演示：

(1) 插入閘板1和閘板2，準(zhǔn)備好一桶滴入紅墨水的自來(lái)水備用；

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

(3)提起閘板1，并保持閘板2在插入狀態(tài)，A倉(cāng)的水流入B倉(cāng)，最終使得A倉(cāng)與B倉(cāng)的液面齊平，小船由A倉(cāng)駛?cè)隑倉(cāng)(圖7)；

(4)插入閘板1，提起閘板2，B倉(cāng)的水流入C倉(cāng)，最終使得B倉(cāng)與C倉(cāng)液面齊平，小船由B倉(cāng)駛?cè)隒倉(cāng)(圖8)。

同學(xué)們清晰地觀察到小船從高水位的A倉(cāng)平穩(wěn)地駛?cè)氲退籆倉(cāng)的全過(guò)程。為方便多次演示，可利用循環(huán)水泵將C倉(cāng)和B倉(cāng)的水抽入A倉(cāng)再次實(shí)驗(yàn)。在課堂上模擬了水電站船閘的工作過(guò)程，彌補(bǔ)了課本原有實(shí)驗(yàn)的不足，學(xué)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(xué)生感嘆物理學(xué)的美妙和神奇，激發(fā)了他們學(xué)習(xí)物理的興趣，同時(shí)對(duì)本節(jié)課的內(nèi)容有了更深的理解。

圖6

圖7

圖8

4 結(jié)語(yǔ)

將自制教具運(yùn)用在物理教學(xué)中，最大好處在于通過(guò)有趣且更具親和力的實(shí)驗(yàn)吸引學(xué)生的注意，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)生自主探究。在“能量的轉(zhuǎn)化”教學(xué)中，筆者利用自制教具演示了水電站發(fā)電實(shí)驗(yàn)。學(xué)生在此啟發(fā)下，自己動(dòng)手做了“水火箭”“風(fēng)力小車(chē)”“彈力小車(chē)”等實(shí)驗(yàn)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?cè)谥谱鬟^(guò)程中對(duì)這節(jié)課的理解已經(jīng)完全達(dá)到了教學(xué)目標(biāo)。教師利用自制教具引導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生在輕松愉快的氛圍中學(xué)習(xí)，既培養(yǎng)了學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新精神，也增強(qiáng)了學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提升了學(xué)生的核心素養(yǎng)。

圖9