自制物理教具 添彩物理课堂

吴 钒 魏 萌 罗海军 王艳伟

(温州大学数理学院 浙江 温州 325035)

1 问题的提出

实验是物理学发展的基础，在中学物理教学中实验教学既是手段也是目的.实验教学在传授学生物理概念、原理、解题技巧等方面的效率未必比课堂讲授高，有时甚至会花费更多时间和金钱，看上去好像“事倍功半”；但学生从实验演示中看到的，从实验探究中得到的，从实验交流中顿悟的，往往都是学生毕生难忘的知识与经历.具身在物理实验探究活动中的学生，更能获得对物理科学知识更本质、更深刻、更持久的理解与感悟，更能体会到科学家探究物理真理的艰辛不易.

实验教具在中学物理实验教学中扮演着重要角色，教具又包括厂制教具和自制教具两种.厂制教具专而精，在物理教学中占主要地位；自制教具广又新，取材广泛、制作新颖的自制教具通常作为厂制教具的补充.不可否认的是自制教具的测量精确性和样式美观性难以与厂制教具相媲美，但自制教具更利于教师个性化教学，更利于激起学生学习兴趣和热情，增进实验亲近感[1].

2 自制教具的特点

物理自制教具是指教师指导、组织学生自己动手制作能呈现物理原理的实验器具或指教师在实验教学中使用自制的物理器具[2].自制教具主要有以下几个特点.

2.1 天然的趣味性 激趣实验引入

自制教具有天然的趣味性.自制教具不同于厂制教具的精密严肃，有着自己天然的趣味性，具体表现在：(1)通过自制教具而非靠教师文字描述或是PPT图片和视频的形式呈现物理现象，可以将问题直接展示在学生面前，更加生动直接，形象真实.(2)自制教具选材广泛，囊括生产生活的方方面面，特别是选取一些学生生活中常见的物品、材料加以组装改造，“突兀”的出现在物理课堂上时，这其中的不协调性常常能引发学生好奇心和强烈的求知欲望.(3)自制教具的趣味性还表现在教具演示的实际现象与学生预料的结果不一致.若用学生更熟悉的自制教具插入课堂，学生对物理知识的神秘感和畏难情绪会大大减弱从而有着更为积极的课堂表现，对教师提出的问题活跃发言；然而经过教师巧妙改造过的教具的演示现象往往出乎学生意料，学生潜在的错误前概念得以暴露.

例如，教师可将自制扬声器接入功放输出音频即可在课堂上播放音乐，引起学生注意力，激起学生探究热情.

实验器材：直径0.2～0.3mm的漆包线，纸盒(或纸杯、纸袋等)，钕铁硼圆磁铁，透明胶带，双面胶，鳄鱼夹等.

教具制作：先在纸盒底部贴上一层双面胶，将漆包线以一定形状紧贴在双面胶上，再用透明胶带贴牢固定(保证漆包线受安培力振动时能带动纸盒一起振动发声)，最后将漆包线两引出端刮漆完全.

实验现象及分析：将磁铁放在纸盒上(或置于纸盒正下方)，再将漆包线两引出端接上功放输出音频，即可神奇的还原动听的音乐，如图1(a)所示.学生的原理探析在教师引导下从扬声器原理图出发，如图1(b)所示.粘贴在纸盒上的线圈内有从功放输出的音频交流电信号，线圈在磁场作用下受到安培力而带动纸盒一起振动，因而完美还原了乐声.因为频率决定音调，振幅决定响度，所以线圈处处产生的声音音调一样只是大小不同罢了.可以看出，饱含趣味性的自制教具特别适合在教学引入环节使用，可以有效构建多样化教学情境，激发学生的学习热情和求知欲望.

(a)

2.2 必备的直观性 改善演示效果

观察和实验是学习物理的重要手段，因而在物理教学中演示实验也是占有重要地位的[3].为改善演示实验的效果，帮助学生更为清晰明了地观察物理现象，直观性也是自制教具所必备的品质之一.

首先，教具的外观尺寸要有一定的规格.演示教具面向的是全体学生，应当做的尽量大一些，尽可能使全体学生能够直观清晰地看到实验现象.其次，还应变水平面展示为竖直面展示.用作演示实验的教具要设法克服重力场的干扰，变水平展示为竖直展示，从学生视角出发也能看清实验现象.最后，实验演示目的要单一，突出重点.教具制作切不可只顾外观奇异花哨，而忽视了最初的制作目的，一切都要以促进课堂教学效果的改善和学生有效学习的发生为要义，切不可以教具本身为重，喧宾夺主.

例如，教师可利用自制声音可视化教具演示声音的振动现象，改善演示效果.

实验器材：外径36mm(内径30mm)的PVC管，激光手电筒，两块方形平面镜，橡皮薄膜，橡皮筋等.

教具制作：在两端开口的PVC管的一端紧密贴上橡皮薄膜，将轻质平面镜固定在薄膜上，再将PVC管与一带平面镜的激光手电筒绑在一起，调整激光笔上平面镜的角度，使得激光正好可以经两平面镜的反射后落在墙上，如图2(a)所示.

实验现象及分析：当学生用不同响度和音调的声音对着PVC管喊话时，墙上图案的大小、形状都会改变，如图2(b)所示.声音是由振动产生的，但振动却不易观察到.本教具将声音的微小振动通过光在平面镜上反射放大照在墙壁上，通过观察图案的大小、形状，明确声音的响度和音调，实现声音的可视化，较好地贯彻了直观性原则.

(a)

2.3 可亲的真实性 鼓励动手实践

物理知识来源于生活，又将应用于生活.自制教具看似简陋粗糙却又蕴涵丰富的物理知识，保证亲切性的同时不失科学性，而且其制作过程还能锻炼学生的动手操作能力和独立设计能力，育人价值丰厚.

自制教具的真实性具体表现在制作材料真实、制作过程真实和实验结论真实.制作材料真实是指在不违背科学性和美观性的原则下，教具的制作材料尽量用学生生活中熟悉的材料为原料，让学生倍感亲切，放下对物理学科的“戒心”；制作过程真实指物理教具的制作过程在学生看来是真实的、可复制的，要让学生也有设计制作的冲动，积极投入；实验结论真实指对实验事实和结果的尊重，绝不编造修改真实数据，培养严肃认真的实验态度.这正如苏霍姆林斯基在《给教师的一百条建议中》所说：“让学生体验到一种自己在亲自参与掌握知识的情感，乃是唤起少年特有的对知识的兴趣的重要条件”.

例如，在学生学习电磁感应现象后，教师可引导学生自制简易直流电动机展示物理学知识在生产生活中的应用.

实验器材：直径0.4mm的漆包线，一号干电池，钕铁硼圆磁铁，电池盒，金属支架等.

教具制作：将漆包线依据一定形状(如圆形、矩形、心形等)缠绕若干圈并固定，在漆包线两端各绕出一个引出端，将两个引出端绝缘漆一端全刮，另一端半刮，再放置在金属支架上接入电源，最后将磁铁置于线圈下方即可制成，如图3(a)所示.

实验现象及分析：通电线圈在磁场中会受到安培力的作用，由于线圈两边的电流方向相反而磁场相同，所以线圈受到的安培力即可充当线圈转动的动力；由于右引出端绝缘漆半刮，当线圈转动半个周期后不受安培力而靠惯性转动，这样就实现了线圈的持续转动.此外，若将该电机稍加变换还可变成一个迷你发电机，如图3(b)所示.去掉电池后，用吹气筒吹动转子转动切割磁感线，发现万用表电压挡有示数，重现了电磁感应现象，模拟风力发电，渗透科学态度与责任.

(a)

2.4 适当的综合性 宜于模型建构

自制教具还具备适当的综合性.综合性的自制教具融合了物理学科各类知识，甚至还包含一些其他学科的知识，十分宜于学生模型建构能力的培养.

自制教具的综合性具体体现为构造综合和功能综合.构造综合包括教具所含知识综合，涵盖中学物理力学、热学、光学、电磁学等分支学科还包含其他相邻学科的若干知识；也指教具体现的物理模型综合，可由多种物理模型合理组合而成.功能综合指教具的适用范围广，包括教学内容广泛和教学情境广泛，同一教具可在不同知识点的教学和课堂教学的不同环节重复使用，做到一器多用.

例如，教师可自制光通信演示教具来演示光通信现象，协助培养学生模型建构能力.

实验器材：手电筒，50 V/100 μF规格的电容，10 mH规格的电感，功放，音箱，55 mm和60 mm的太阳能电池板等.

教具制作：将电容、电感和手电筒按图4(a)所示的调制电路接好制成光通信手电筒，再将光通信手电筒和功放接在一起构成发射端；将太阳能电池板两引出端与音箱接在一起构成接收端，如图4(b)所示.

实验现象及分析：当功放和音箱通电且光通信手电筒的光照在太阳能电池板上时，音箱就发出动听的音乐；而移走或用障碍物挡住光源时，音箱不发声.其工作原理如图4(c)所示，当发射端将音频信号通过调制电路和手电筒将声音电信号转换为光信号；接收端通过音频线将太阳能电池板与音箱相接，光信号通过太阳能电池板、音箱等器件实现光电转换、电声转换，最终实现声音的还原输出.光通信演示教具成功实现了电光转换、光电转换和电声转换，有力地证明了光是可以传递能量和信息的，演示现象震撼，具有一定的综合性，宜于学生模型建构能力的培养.

(a)

2.5 一定的创新性 开拓创新能力

最后，自制教具还具备一定的创新性.事实上，利用生活中常见的物品、材料经简单加工设计，制成自制教具应用在课堂教学活动的各个环节中本身就体现了创新性，教师对自制教具巧妙的设计、独到的构思时刻都在潜移默化地启迪、激励着学生的创造性思维.

自制教具的创新性体现在许多方面，诸如利用生活废旧品合理改造反映废物利用的创造思路；注重生活物品的物理属性(包括形状、密度、弹性、导电性、绝热性等)而非其生活用途，突破功能固着的创造思路；借助同一物品制作不同类型的教具，实现一物多用的创造思路；利用重组、借用、代替、放大等原则对现有教具的不足之处改进修正的创造思路等等.

例如，在电磁阻尼现象的演示实验中，我们通常是让小磁铁从等长的铝管和塑料管中下落作对比实验演示电磁阻尼现象.虽然此实验的演示现象对比明显，但是铝管是不透明的，无法直观地观察小磁铁运动情况.为此，笔者别具新意地自制了电磁阻尼演示教具.

实验器材：300 mm×300 mm的薄铝板，500 mm×400 mm的木板，3个钕铁硼圆磁铁，锯子等.

教具制作： 用记号笔在薄铝板上画出若干间距均匀的横线，再用锯子7在铝板上沿横线锯出若干规整细缝，再将铝板放置在带边的木板上.

实验现象及分析：将3个一样的圆磁铁同时同高地从同一倾斜度的有细缝铝板、无细缝铝板以及木板上静止释放，可以清晰地看到3个磁铁的滑落情况，如图5所示.学生据此不仅可以清晰地观察到电磁阻尼现象，还可以定性判断影响电磁阻尼大小的因素并分析3种情况下小磁铁受力情况和运动情况.本教具大胆地将铝板锯出若干细缝的做法对学生思维的启发是大有裨益的，在新颖、巧妙的教具教学课堂里，学生的创造精神和开拓精神一定能够得到有效培育.

(a)

3 设计制作自制教具的收获

自制教具应当成为中学物理教学的重要组成部分，教具的制作过程是教师与学生知识水平、思维素养、实践能力、创新精神和情感态度全面参与的协调发展过程.需要注意的是，好的教具是应当同时具备多种上述特性的，不同的教具甚至是同一个教具也可以出现在课堂的不同环节扮演不同的角色；教具的制作也不是一帆风顺的，需要反复制作、实验、修改、研讨才能合理应用在物理课堂上，这都需要广大物理教师们开发应用，添彩物理课堂[4].