自制教具在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

朱建偉 秦宇飛 孫鈺忻 柴萬東

摘 要：物理是以觀察、實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，與生活實(shí)際有非常密切的聯(lián)系，實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中具有非常重要的作用。在教學(xué)過程中合理地使用自制教具，有助于增進(jìn)學(xué)生對(duì)物理知識(shí)的理解，提高教學(xué)質(zhì)量。本文利用生活中常見的材料自制流體流速與壓強(qiáng)關(guān)系的教具并應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，實(shí)驗(yàn)操作容易，演示效果明顯，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效性。同時(shí)鼓勵(lì)學(xué)生親自參與制作，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、科學(xué)探究能力、解決實(shí)際問題的能力和創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

關(guān)鍵詞：自制教具；物理教學(xué)；教學(xué)效率；流速

中圖分類號(hào)：G632? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(nèi)蒙古赤峰市人，碩士研究生導(dǎo)師，教授。研究方向：傳感器應(yīng)用，基本教育理論。

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)“十四五”教育規(guī)劃課題（2022JGH455）

現(xiàn)代物理學(xué)是一門理論和實(shí)驗(yàn)高度結(jié)合的精確科學(xué)，一切物理理論最終都要以觀測或?qū)嶒?yàn)為準(zhǔn)則，實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)建立與發(fā)展的基礎(chǔ)和事實(shí)依據(jù)。無論是經(jīng)典物理學(xué)，還是現(xiàn)代物理學(xué)，其建立和發(fā)展都離不開物理實(shí)驗(yàn)。物理教學(xué)中實(shí)驗(yàn)教學(xué)起著非常重要的作用，教師通過實(shí)驗(yàn)可以引導(dǎo)學(xué)生觀察物理現(xiàn)象，讓學(xué)生體驗(yàn)物理知識(shí)的探索驗(yàn)證過程，總結(jié)并掌握物理規(guī)律，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。鼓勵(lì)學(xué)生通過課外小實(shí)驗(yàn)小制作，促進(jìn)學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解和學(xué)習(xí)。

自制教具本著科學(xué)性、直觀性、和啟發(fā)性的原則，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中起著至關(guān)重要的作用。任何生活化教具，其設(shè)計(jì)、制作、使用一定要以符合科學(xué)性作為第一準(zhǔn)則，要反應(yīng)正確的物理思想和物理規(guī)律。從實(shí)際教學(xué)出發(fā)，突出物理原理，注重對(duì)學(xué)生能力的培養(yǎng)。教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生直接感知事物、模型或通過教師形象語言描繪學(xué)習(xí)對(duì)象，使學(xué)生獲得感性認(rèn)識(shí)。在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師通過演示各種教具，呈現(xiàn)清晰而易于觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從觀察到加工，有助于學(xué)生理解和掌握知識(shí)[1]。同時(shí)借助教具演示的直觀性，使具體形象與抽象概念相結(jié)合，減少理解抽象概念的困難，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

制作的教具應(yīng)該富含深刻的物理學(xué)思想，使用時(shí)要有利于啟迪學(xué)生的思維，激發(fā)他們的思考能力和創(chuàng)新能力[2]。文中所制作的流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系的教具，就是源自生活中的現(xiàn)象及常識(shí)，并對(duì)其進(jìn)行提煉后設(shè)計(jì)而成。因此，實(shí)驗(yàn)教學(xué)既有助于學(xué)生理解該部分的物理概念，又能啟發(fā)學(xué)生對(duì)生活現(xiàn)象及生活常識(shí)進(jìn)行思考，引導(dǎo)學(xué)生用所學(xué)知識(shí)解釋、解決生活中的同類物理問題。

1 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必要性

（1）是物理學(xué)科特點(diǎn)的要求。物理學(xué)是實(shí)驗(yàn)和科學(xué)思維相結(jié)合的學(xué)科。實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)，任何物理理論的真理都要以實(shí)驗(yàn)作為唯一的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)也是物理學(xué)發(fā)展的基本推動(dòng)力，是啟迪物理思維的源泉。很多重要的物理思想都是在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理教學(xué)的重要基礎(chǔ)和方法。在初中物理教學(xué)中，幾乎每個(gè)知識(shí)點(diǎn)都離不開實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)物理規(guī)律、理解物理概念、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究的能力。

（2）是義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)的要求。教育部2022年版《義務(wù)教育物理新課程標(biāo)準(zhǔn)》中指出：“物理是一門注重實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程，此階段的物理課程應(yīng)注意讓學(xué)生經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)探究過程，學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)和科學(xué)探究方法，提高分析問題和解決問題的能力”[3]。新課標(biāo)列出了中學(xué)生必做的21個(gè)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)涵蓋了初中物理的絕大部分知識(shí)。實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要程度可見一斑。

（3）是培養(yǎng)學(xué)生物理核心素養(yǎng)的要求。物理學(xué)科的核心素養(yǎng)，包括物理觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，是學(xué)生在接受物理教育過程中，逐步形成的適應(yīng)個(gè)人終身發(fā)展所需要的必備品格。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的全過程，在真實(shí)的感知下獲得經(jīng)驗(yàn)，并把感知轉(zhuǎn)化為自己的思維認(rèn)知和思想方法，完成相關(guān)概念及知識(shí)的整合，培養(yǎng)學(xué)生的物理觀念。在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)裝置的選擇，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)和實(shí)施，對(duì)實(shí)驗(yàn)的多角度觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)分析及推理，都能加強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)分析、實(shí)驗(yàn)操作的嚴(yán)格規(guī)范，能夠培養(yǎng)學(xué)生認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。

2 自制教具在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用

新課標(biāo)規(guī)定了中學(xué)生必做的21個(gè)實(shí)驗(yàn)，其中的大部分實(shí)驗(yàn)都有成套標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)儀器，老師和學(xué)生借此開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。但學(xué)生在使用成套的物理教學(xué)儀器進(jìn)行知識(shí)探究中，會(huì)逐漸失去學(xué)習(xí)的新鮮感和神秘感，進(jìn)而失去學(xué)習(xí)興趣[4]。另外，還有一些可以通過實(shí)驗(yàn)研究掌握的知識(shí)點(diǎn)并沒有成套的規(guī)?；钠鞑?，比如“流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系”。教師可以結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，利用生活中常見的材料自制教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生總結(jié)和驗(yàn)證物理規(guī)律。自制教具在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中具有非常積極的作用。

（1）有助于更好地幫助學(xué)生理解課本中的知識(shí)。初中階段是學(xué)生抽象邏輯思維開始初步形成的時(shí)期，而抽象邏輯思維需要感性經(jīng)驗(yàn)的支持，中學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)不足，缺乏相應(yīng)的感性思維，很多抽象的物理知識(shí)理解起來比較困難。教師利用生活經(jīng)驗(yàn)制作一些教具，可以幫助學(xué)生把抽象的物理概念轉(zhuǎn)化為具體形象的例子，學(xué)生更容易理解和記憶。對(duì)于一些比較簡單的教具，可以鼓勵(lì)學(xué)生參與動(dòng)手制作，制作過程中發(fā)現(xiàn)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(guī)律。

（2）有助于提升學(xué)生物理學(xué)習(xí)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(xué)后，可以把難于理解的概念及結(jié)論融入實(shí)驗(yàn)中，簡單生動(dòng)有趣的實(shí)驗(yàn)有助于消除學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)物理的恐懼感，讓學(xué)生在快樂的氛圍中學(xué)知識(shí)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，更好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。通過學(xué)生自己動(dòng)手利用身邊現(xiàn)有的物品重復(fù)制作教具，使他們的物理學(xué)習(xí)更親近生活的同時(shí)，也學(xué)會(huì)了廢物利用，有利于保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)社會(huì)的和諧發(fā)展[5]。自制教具符合新課標(biāo)減負(fù)、樂學(xué)、樹人的理念，也有助于培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。楊振寧先生曾說過：“我們通過自身實(shí)踐自制的儀器永遠(yuǎn)比市場買來的要好呀”[6]。學(xué)生在教師指導(dǎo)下完成實(shí)驗(yàn)，提出改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置意見并鼓勵(lì)學(xué)生利用生活中的物品自制教具并完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)，能夠提高學(xué)生的觀察能力、思考能力、動(dòng)手能力及創(chuàng)新意識(shí)。

（3）有助于加強(qiáng)與生活的聯(lián)系。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材與自制教具的最大不同點(diǎn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)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(xué)生智慧的結(jié)晶，是教師在科學(xué)基礎(chǔ)上根據(jù)教學(xué)需要，利用生活中的物品制造出來的，教具里包含了教學(xué)思想，也是有“靈魂”的實(shí)驗(yàn)儀器。對(duì)于學(xué)生來說，物理不再是高高在上的遠(yuǎn)離生活的學(xué)科，更容易引起學(xué)生對(duì)物理與生活關(guān)系的思考。他們會(huì)發(fā)現(xiàn)物理知識(shí)就在身邊，與自己的生活息息相關(guān)，更能體會(huì)科技提升生活品質(zhì)的重要性，從而在心中埋下投身科技、奉獻(xiàn)社會(huì)的種子。

3 自制教具應(yīng)用于流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系教學(xué)

流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系是人教版初中物理八年級(jí)下冊(cè)的內(nèi)容，該部分內(nèi)容與生活聯(lián)系緊密，學(xué)生理解起來有一定的難度。傳統(tǒng)授課方式一般是講授法，把該部分的實(shí)驗(yàn)規(guī)律通過口頭講述的方式講出來，學(xué)生只能是機(jī)械記憶。對(duì)于稍微復(fù)雜的關(guān)乎生活實(shí)際的流體壓強(qiáng)與流速關(guān)系，學(xué)生不能從根本上把握，處于一知半解的狀態(tài)，不利于知識(shí)的掌握。特別是液體壓強(qiáng)與流速關(guān)系部分與前面學(xué)習(xí)的液體內(nèi)部壓強(qiáng)處處相等的知識(shí)點(diǎn)有“相悖”之處，教師簡單的講述不利于學(xué)生把握知識(shí)的本質(zhì)，學(xué)生不能很好地理解相似知識(shí)之間的聯(lián)系與區(qū)別。

3.1 自制教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證并用于教學(xué)過程

在教學(xué)中，“液體流速與壓強(qiáng)演示儀”形象生動(dòng)地演示該部分的物理現(xiàn)象，加深了學(xué)生對(duì)這部分知識(shí)的理解，幫助學(xué)生掌握流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系，并自覺與生活中相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行聯(lián)系，把所學(xué)知識(shí)用于實(shí)際生活。

“氣體壓強(qiáng)與流速演示儀”是模仿自然界中土撥鼠的洞穴制作的，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的基礎(chǔ)上，把學(xué)生的眼光引向大自然，從而發(fā)現(xiàn)物理知識(shí)與自然界的聯(lián)系，同時(shí)開闊學(xué)生視野，把握知識(shí)本質(zhì)，解釋相關(guān)問題，激發(fā)學(xué)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(fēng)機(jī)、乒乓球、剪刀、圓規(guī)等。制作過程中，亞克力管相隔一定距離挖兩個(gè)孔（與透明軟管的直徑相同），便于與透明軟管進(jìn)行連接，在其中一個(gè)孔的內(nèi)邊粘兩塊橡皮泥（模仿土撥鼠的洞口土堆）；另一端與另一個(gè)口相連（模仿土撥鼠的洞另一個(gè)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(shí)驗(yàn)過程中，首先把整個(gè)儀器水平放置，用吹風(fēng)機(jī)在左端進(jìn)氣口往里面吹氣，模仿自然界的空氣流動(dòng)。觀察乒乓球的運(yùn)動(dòng)情況，然后在右端進(jìn)氣口往里面吹氣，觀察乒乓球的運(yùn)動(dòng)情況。

分析現(xiàn)象得出結(jié)論，無論從哪個(gè)進(jìn)氣口吹氣，都可以觀察乒乓球從左向右移動(dòng)。乒乓球處在軟管中受重力、支持力、可以忽略的滾動(dòng)摩擦力及兩側(cè)氣體壓強(qiáng)產(chǎn)生的壓力。重力和支持力是一對(duì)平衡力，乒乓球從左向右移動(dòng)，是因?yàn)樽髠?cè)受到的力大于右側(cè)受到的力，也就是左側(cè)的壓強(qiáng)大于右側(cè)的壓強(qiáng)，左側(cè)的壓強(qiáng)與a洞口的壓強(qiáng)相等，右側(cè)壓強(qiáng)與b洞口壓強(qiáng)相等，由此可以推斷出b洞口壓強(qiáng)小于a洞口壓強(qiáng)；氣體流動(dòng)時(shí)可以認(rèn)為在相等時(shí)間內(nèi)通過不同橫截面積的流量相等，在進(jìn)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(dāng)向進(jìn)氣口吹氣時(shí)，無論從哪個(gè)進(jìn)氣口吹氣，結(jié)果都是a洞口空氣流速慢，壓強(qiáng)大；b洞口空氣流速快，壓強(qiáng)小。綜合分析得出結(jié)論，氣體的流速越大，壓強(qiáng)越小。

3.2 液體壓強(qiáng)與流速關(guān)系自制教具及應(yīng)用

教具制作材料是一個(gè)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(gè)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(cè)注水時(shí)，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(xì)繩，細(xì)繩拴兩個(gè)塑料球，塑料球要相隔一定距離，如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)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(shí)塑料球運(yùn)動(dòng)情況。

得出結(jié)論表明，水流過泡沫箱，可以看到兩個(gè)塑料圓球往中間區(qū)域移動(dòng)。小球向中間區(qū)域移動(dòng)，說明小球左右兩側(cè)受的力大小不相同，靠近水槽中間的力小于靠近水槽兩側(cè)的力，而小球兩側(cè)受的力源于水對(duì)小球的壓強(qiáng)。小球向中間移動(dòng)，說明水槽中間的水流對(duì)小球的壓強(qiáng)小于水槽兩側(cè)對(duì)小球的壓強(qiáng)。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中可以看到靠近兩側(cè)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(xué)生課后查閱討論的內(nèi)容）。由此得出結(jié)論表明，液體的流速大，壓強(qiáng)小。

根據(jù)以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)總結(jié)如下，流體的流速大，壓強(qiáng)小。對(duì)比前面所學(xué)的液體內(nèi)部同一深度處壓強(qiáng)處處相等的結(jié)論，總結(jié)了前面所說的液體是指靜止的液體，從而加深對(duì)前面知識(shí)的理解和鞏固，培養(yǎng)了學(xué)生辯證看待問題的能力。

4 結(jié)論

自制教具雖然簡單，但是在課堂教學(xué)中起到了非常重要的作用，將枯燥抽象的知識(shí)演繹的生動(dòng)有趣，使學(xué)生加深對(duì)知識(shí)難點(diǎn)、重點(diǎn)的理解，激發(fā)學(xué)生探究創(chuàng)新的熱情。學(xué)生在課下可以自己動(dòng)手對(duì)教具進(jìn)行模擬和改進(jìn)，通過親自參與教具制作，熟悉相關(guān)工具的使用，掌握制作的技能和方法，也達(dá)到了勞動(dòng)訓(xùn)練的目的。

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參考文獻(xiàn)：

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