利用低成本物理实验开展探究式教学

李家全 雷庆

摘 要：目前中学物理教学中实验开出率较低、实验效果欠佳、学生实践能力较差。为了有效利用课程资源，积极开展探究式教学，本文提出了开发低成本物理实验，充分利用低成本物理实验开展探究式教学。

关键词：低成本物理实验；探究式教学；力的平行四边形定则

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）4-0042-3

物理课程标准提倡科学探究，并且将科学探究纳入内容标准，物理课程要让学生经历基本的科学探究过程，培养学生提出问题、分析问题和解决问题的能力。在2008年5月至8月我们对重庆市的10多个区县的初中物理实验开设情况进行了现状调查。调查显示，学生实验开出率较低，探究性实验的开出率较高，但是教学效果欠佳，实验仪器较为欠缺，自制仪器很少[1]。因此，大力加强低成本物理实验，积极开展探究式教学是一个重要策略。

“低成本物理实验”强调利用价值尽可能低的材料、物品或器具做物理实验，做实验尽可能少花钱或不花钱，如利用生活中的廉价材料（橡皮筋、气球、鸡蛋、土豆、蜡烛、塑料袋和手电筒等） 、易得材料（水杯、钢勺、塑料尺、硬币等） 和废旧材料（易拉罐、饮料瓶、牙膏皮等）[2]。其主要的价值取向是实验教学的“经济最小化、价值最大化”，即“成本低而智慧不低、成本低而技术不低、成本低而价值不低”。在高中物理教学中，我们积极开展低成本物理实验，有效开展探究式教学 。下面以《力的平行四边形定则》一节为例，谈谈如何利用低成本实验开展探究式教学。

1 利用低成本物理实验创设情境，激起学生的探究热情

为了理解合力与分力的概念，本节课用两个实验来引入。如图1，利用玩具纸飞机做实验，为了让飞机起飞，需要用橡胶弹射器。橡胶弹射器是利用橡胶对机翼的拉力将飞机弹出，橡胶两边的拉力是分力。如图2，老师拿出一块小木板（五层板），双手紧握木板的两侧，要求学生用手掌迅速击打木板中部，木板也断裂了。手掌对木板的力是合力，这个力可以产生较大的分力。通过这两个实验，学生不仅理解了合力与分力的概念，而且探究热情一下被调动起来了。

2 利用低成本物理实验设计方案，培养学生的设计能力

本节课的重点是学生设计实验，合作探究力的平行四边形定则。老师给每个小组提供以下器材：方木板、3个弹簧秤、一盒钩码、3根等长的橡皮筋、细线、一盒图钉、滑轮、刻度尺等。要求学生设计实验来探究力合成的平行四边形定则。同学们积极动手动脑，用这些简单物品设计了许多精彩的实验，比教材上的实验丰富得多。

方案1 采用教材上的实验方案。如图3所示，先用两个弹簧秤互成角度地将橡皮筋的结点拉到某一点，记录两个拉力的大小和方向，作出两个力的图示，以这两个力为邻边作一个平行四边形，并画出对角线F。然后，只用一个弹簧秤将橡皮筋的结点拉到同一位置，记录拉力的大小和方向，作出力的图示F'。最后，比较F和F'在误差允许范围内是否重合。

方案2 对实验方案进行了改进，如图4所示，在水平面用3个弹簧秤互成一定角度拉结点O，记录3个拉力F1、F2、F3的大小和方向。 作出3个力F1、F2、F3的图示，然后以F1和F2为邻边作一个平行四边形，夹在F1和F2之间的对角线设为 F。在误差允许范围内比较F与F3 的大小是否相等，方向是否相反。

方案3 对实验方案进行创新，如图5所示，用Oa细线拉住一个钩码，悬挂在弹簧称A的下面，读出弹簧秤A拉力F1的大小（F1的大小等于钩码的重力F），然后用另一细线系在绳子上的O点，用弹簧秤B水平向左拉细线Ob，使Oa偏离竖直方向。测出此时弹簧秤A和B的拉力F1、F2的大小和方向。作出力F1、F2的图示，以F1、F2为邻边作平行四边形，夹在F1和F2之间的对角线设为F'，比较和钩码的重力F的大小是否相等。

方案4 考虑弹簧秤称量过程有误差，有的小组用钩码和细线来做实验。如图6所示，在用图钉将橡皮筋固定在A点，然后用细线系在橡皮筋上面，在细线下面挂4个钩码，将橡皮筋结点拉伸到O点，如图6（a）所示。然后用两段细线系在O'点，用圆珠笔的笔芯和钉子做成两个小滑轮，小滑轮分别固定在B、C两处，在两段细线两边分别挂钩码，直至橡皮筋的结点拉伸到O点，记录OB、OC两段绳所挂钩码的个数，如图6（b）所示。用类似的方法作出平行四边形，比较（a）图中绳子的拉力和（b）图中两段绳子的拉力的合力大小有何关系。这个实验将拉力大小的测量转化为对钩码个数的测量，显然方法更简单。为了减小摩擦，用圆珠笔芯和钉子做成滑轮，实验成本虽低，实验价值不低。

方案5 有的小组的实验方案比方案4更简化。如图7所示，将滑轮固定在A、B两处，一根细线的两段跨过A、B滑轮。在细线两段分别悬挂重物，记录所挂钩码的个数N1、N2。在细线的中点O点用细线OC再悬挂钩码，当系统都处于平衡时记录所挂钩码的个数N3，用类似的方法作出平行四边形，比较AO和OB两个力的合力和OC的拉力F的大小是否相等，方向是否相反。

方案6 有的小组选择3条等长的橡皮筋来做实验（如图8）。因为在弹性限度内橡皮筋的伸长量与受到的拉力成正比。将3条相同的橡皮筋系在一起，结点为O，然后用图钉将OA和OB竖直固定在木板上，在第三条橡皮筋下面悬挂砝码，记录每条橡皮筋的原长、悬挂钩码后的长度。根据3个拉力的大小和方向作出力的图示，以OA和OB拉力为邻边作平行四边形，比较在实验误差范围内平行四边形的对角线与第三个大小是否相等，方向是否相反。实验中将橡皮筋拉力大小的测量转化为对橡皮筋伸长量的测量。

3 利用低成本物理实验发散训练，增强学生的应用能力

学习了力的平行四边形定则，怎样应用平行四边形定则解决实际问题呢？在日常生活中有许多应用力的平行四边形定则的例子，通过这些例子培养学生应用物理知识解决实际问题的能力。

如图9在引体向上的锻炼中，我们发现两手臂间的夹角为零时，手臂用力最小。逐渐增加两手臂间的夹角，我们发现手臂越来越费力。通过人体体验引发学生思考，人的重力是一定的，为什么手臂夹角不同手臂承受的拉力就不同呢？

如图10所示，弹古筝的时候，如果琴弦拉得太紧，手指使劲弹奏琴弦，则琴弦会发生断裂。通过这个案例可以引导学生思考，为什么直接用手拉，很难拉断琴弦，但是当琴弦固定在古筝上时，就容易断裂。

如图11所示，夏天乘凉时，人们喜欢躺在吊床上。引导学生思考，当人躺在吊床上的时候，系在树上的两端绳子的拉力多大，如果人坐在吊床时，系在树上的两端绳子的拉力与躺在吊床上的拉力比较，增大了还是减小了？

如图12所示，学生玩弹弓的玩具实验，将小石子放到弹弓的橡胶带上，拉伸弹弓，小石头飞出去，如果使劲拉弹弓，小石子飞得更远。老师引导学生分析，为什么前后两次小石子飞的距离不一样，怎样用力的平行四边形定则来解释。

通过学生的各种生活体验，教师要引导学生在玩中思考物理问题，增强应用物理知识解决实际问题的能力。

参考文献：

[1]范宏斌，徐斌全，雷庆.重庆市农村初中物理实验教学现状调查与策略研究[J].西昌学院学报（自然科学版），2008，22（4）：129—132.

[2]罗星凯.低成本、高智慧的物理实验欣赏[J].物理教学探讨，2000，18（9）：1—3.（栏目编辑 罗琬华）