引领学具创作，激活实验教学

刘天方

摘要：本研究是基于初中物理教学过程中学具创作活动的开展进行的实验创新探究。本文介绍了学具创作的内涵；阐述了在落实课前预习、优化课堂教学、克服认知障碍、实现“减负增质”的实践活动中开展学具创作教学；介绍了如何利用自制学具激活实验创新，调动学生学习积极性，进而突出教学重点、突破教学难点；分析了学具创作对于学生自主创新实验的顺利开展、学生物理核心素养的优化提升、学生身心健康发展所起到的推动作用。

关键词：学具创作 实验创新 核心素养 身心健康

著名物理学家麦克斯韦说过：“实验的教育价值与仪器的复杂性成反比，学生自制的仪器，虽然经常出毛病，但它却会比用仔细调节好的仪器能学到更多的东西。”笔者一直坚持利用自制实验器材组织物理实验教学，结合教学需求引领学生利用身边的物品制作学具，再利用自制学具进行物理实验探究。学具创作的过程也是物理学习的过程，学生在学具创作过程中能够深化对物理实验探究的思考，同步发展感性认识与理性思维，促进核心素养的协调发展。

一、学具创作的内涵

学具是教师针对教学中的重点、难点和急需解决的问题而设计，学生亲手制作的学习器具，具有很强的针对性和灵活性。学具创作是指学具的设计与制作，最主要的是学生根据实验探究的需求进行的设计活动。学具创作是学生为了达到所需要的学习效果，利用生活中常见的普通物品，创作出便于操作、便于演示、实验效果明显、便于观察比较的实验仪器。学具创作活动的开展包括四个方面的问题：一是什么时间开展学具创作活动？开展学具创作活动是为了解决教学中的问题，所以，老师开展学具创作要提前思考什么时间开展效果更好。二是为什么要开展学具创作活动？使用现有实验器材进行实验教学，如果出现实验现象不够明显、说服力不够强、实验操作太复杂气的情况，可以考虑开展学具创作活动来弥补这一缺陷。三是怎样开展学具创作活动？根据物理问题和实验探究需求鼓励学生利用身边的物体设计与制作学具。第四是怎样利用好学生的自制学具激活学生实验创新。学生的自制学具是学生辛苦创作出的劳动成果，教学过程中要充分利用好学生的自制学具。

二、开展学具创作活动的意义

（一）有利于学生自主创新实验的顺利开展

学生自主创新实验不同于一般的学生实验，它指向学生的自主和创新，是由学生利用身边的物品、仪器等资源，自主提出问题、创新设计方案、实验分析论证、得出科学结论的一种综合性实践活动。学生自主创新实验鼓励学生利用身边的物品创作实验器材进行自主实验探究，包括实验思路创新设计和实验器材的创新设计。学生自主创新实验的顺利开展要求学生具有一定的学具创作素养。学具创作活动是学生经历认真思考、理论分析、选材制作等一系列探究思考的综合性的实践活动过程。学具创作可以拓展学生的实验方式，推动学生自主创新实验的发展，对于学生创造能力的开发起到推动作用。

（二）有利于提升学生的核心素养

学具创作是对物理观念、物理规律进行深入分析的过程，可以帮助学生树立正确的物理观念。学具创作可以使学生在探索物理问题过程中发展理性思维，有助于培养学生科学探究能力和科学思维能力。学具创作是一种比较接地气的实践活动，是“从生活走向物理，从物理走向社会”的活动过程，有助于培养学生的科学态度与责任感。

（三）有利于学生的身心健康发展

学具创作以及利用自制学具开展的实验探究活动，是学生感兴趣的、愿意参加的实践活动。开展科学合理的、学生感兴趣的实验探究活动，替代枯燥、乏味的书面作业，可以减轻学生的作业负担，有利于其身心健康协调发展。

（四）有利于實现物理实验的常态化

学具创作有助于家庭小实验的顺利开展，增强了学生的物理实验意识和物理实验能力；还能够使学生认识到，物理实验不是只有在实验室才可以进行的，也不是只有实验室中的物理器材才可以进行物理实验，自己动手制作的实验器材也可以用来探究高深的科学道理。

三、开展学具创作活动，创新实验方式

物理学习离不开物理实验，物理实验的顺利开展需要简单实用的物理实验器材。学具创作活动的有效开展，可以弥补实验器材不足的缺陷，满足多样化的实验需求，还可以激活物理实验创新。

（一）落实课前预习，布置学具创作

笔者备课的过程中为了激发学生探究问题的欲望，经常会挖掘一些微小实验，而这些微小实验要能够顺利完成，学生必须进行课前预习，有目的地进行学具创作活动。

例如准备学习“弹力与弹簧测力”这部分内容时，笔者提前布置学生利用身边的物品设计与制作一个简易的测力计。学生要想设计与制作测力计，就需要知道什么是测力计，需要了解测力计的工作原理，然后从身边寻找制作测力计所需要的物品，才能制作出需要的测力计。学生设计与制作出测力计的过程，也是自主探究学习的过程。学生对利用自己创作的学具进行实验探究，比起老师用实验室中的实验器材做演示实验参与度更高，探究问题更深入。为了使学生更好地理解弹簧测力计的工作原理，笔者请学生利用自己创作的学具测量力的大小。学生在使用测力计测量力的过程中能够清晰地观察到，拉力越大弹性物体被拉得越长，初步了解了测力计的工作原理，而理解测力计的工作原理对于学生来说还是不容易的。为了深度理解测力计的工作原理，笔者顺势向学生介绍了测力计是采用间接测量力的方法。因为力的大小不能直接观察，也不能直接测量，而弹簧的伸长量是可以直接观察，也可以直接测量的物理量。所以我们可以用弹簧的伸长量间接测量力的大小。这时再让学生利用自己创作的学具感受弹性物体的伸长量与拉力的关系，学生对测力计的工作原理就会有更深的认识，达到深度探究的目的。

学生预习新课的时候根据学习需求进行的学具创作活动，是完全由学生自己在家独立自主完成的。学生需要创作什么的学具，就必须通过各种途径了解与之相关的物理知识，有助于学生自主学习，可见学生进行学具创作的过程也是预习新知的过程。

（二）优化课堂教学，指导学具创作

在中学物理中学具的设计与制作也是教学中的重点，很多物理实验都需要用到各种实验道具，学具的设计与制作可以充分调动学生学习的积极性，培养学生的实践能力与创新精神。课堂实验教学过程中，有时利用现有的实验器材进行实验会出现实验目标不明确、实验现象不清晰、实验操作较复杂的情况。遇到这种情况教师就需要认真思考、深入研究，设计出科学、可行的学具创作指导方案，指导学生创作学具进行实验创新。

“物质的比热容”是初中物理热学中的重要内容，是一个比较抽象的物理概念，《义务教育物理课程标准（2022年版）》要求“通过实验，了解比热容”。“物质的比热容”探究实验的重点是如何确定物体吸收热量的多少。实验探究过程中需要解决的问题是使热源相同。沪科版、沪科（粤教）版教科书提供的实验设计是使两盏酒精灯的火焰基本相同，近似认为它们是相同的热源。这样的设计受外界条件的影响较大。人教版、北师大版教材提供的实验设计，是把相同功率的“热得快”近似看作相同的热源。日常生活中的“热得快”中压为220伏，用它做实验很危险，不利于学生独立完成实验。另外，“热得快”功率太大，加热太快，不利于观察实验现象。这就会导致教师不敢放手让学生做书本上的实验，从而不利于学生思维能力和探究能力的发展。为此笔者把这节课教学的重点放在指导学生设计与改进实验器材上。

利用铁架台、石棉网、烧杯组成加热装置，选取两只相同的小试管分别装入等质量的水和食用油，把两个数字温度计与两个小试管固定好，一起浸入到大烧杯的水中，实验器材就组装好了。采用这样的实验器材探究物质的比热容，有以下几个方面的优点：一是采用水浴法加热，克服了酒精灯加热时火焰大小不完全相同的缺陷，保证了热源相同。水浴法加热温度速度变化慢，便于观察温度计示数的变化。另外，水浴法加热是学生在探究水沸腾实验的基础上进行的，学生对这套加热装置已经很熟悉了，具有熟练的操作技能，有利于学生对知识和技能的迁移。二是为了凸显不同物质的吸热能力，实验选择的是水和食用油，这两只物质生活中随处可见，取材方便。三是选取两只相同的小试管作为容器，省去了实验中搅拌带来的麻烦，实验操作更方便了。四是数字温度计读数方便，更有利于实验探究。

学生利用自己创作的实验器材进行实验探究活动，有助于培养物理核心素养。学生参与设计与制作实验器材的过程也是学习物理知识的过程，学生在设计与制作的过程中初步了解了实验原理、实验操作和注意事项等。

（三）克服认知障碍，倒逼学具创作

教师根据教学内容，布置学生用易得到的器具，做一些生动有趣的物理实验，可以克服教学条件不足的困难，有利于提高教学质量。生活和学习过程中会经常遇到一些物理问题，利用现有的知识经验很难理解。通过实验探究来解决这些物理问题，指导学生创作学具，拓展实验探究，可以锻炼学生独立探究问题的能力。

笔者曾遇到了这样一个探究题：“在探究光的折射规律时，从水面上方看感觉水中的物体变浅了。为了确定水中物体所成像的位置，某学习小组进行了如下探究……”笔者就这个题目要求指导学生自制实验器材，定量分析“看起来不太深的水坑也很危险”。具体是这样设计的，选一个透明水槽，在水槽中注入清水，把一个防水的发光玩具小球A放入水中，把红色刻度尺的零刻度线与水槽的底部对齐，用于测量小球A到水面的距离。把黄色刻度尺卡在透明水槽中的卡口中，调整黄色刻度尺的位置，使水面与刻度尺的零刻度线对齐。将另一只相同的玩具球B悬挂于水面上方，调整水面上方玩具球B的高度，使它的像与水中玩具球A的像完全重合，根据平面镜成像特点可以推导出水面上方玩具球B和水中玩具球A的像到水面的距离相等。这样可以通过两把刻度尺测出小球A与小球A的像到水面的距离。通过多组数据分析可以大致找到物体与其像到水面的距离关系，据此可以估测水的真实深度，理解了“看起来不太深的水坑也很危险”的原因了。

认知障碍可以倒逼學具创作活动的开展，可以深化实验探究，促进学生深度学习，可以解决学习过程遇到的难以理解的物理问题。

（四）落实“减负增质”，开展学具创作

初中物理老师当前要思考的重要问题是如何才能减轻学生的作业负担，提升学生的物理核心素养，实现物理教学中的“减负增质”。

笔者在教学凸透镜这部分内容时，开展了一系列的学具创作活动替代一些机械性、重复性、惩罚性的作业。一是学习认识透镜这部分内容，笔者指导学生利用塑料注射器、硬塑料管、白色气球、PVC水管和胶水设计与制作一个水透镜。利用自制水透镜演示凸透镜和凹透镜模型，演示凸透镜、凹透镜对太阳光的作用。二是探究凸透镜成像规律这部分内容，笔者布置学生利用黑色卡纸和手电筒，自制一个“直角梯形”光源。学生利用“直角梯形”光源、水透镜和一个白色硬纸板，就可以在家探究凸透镜成像规律。三是学习“显微镜和望远镜”这部分内容，笔者布置学生利用两个水透镜和一个硬纸筒制作显微镜，利用自制显微镜观察家庭中的微小物体，分析两个透镜的成像规律。利用两个水透镜和两个内径不同的纸筒制作望远镜，利用望远镜来观察远处的物体，分析两个透镜的成像规律。四是学习眼睛这部分内容，笔者布置学生利用水透镜、“直角梯形”光源等制作眼睛模型，利用眼睛模型演示如何看到远处和近处的物体，弄清近视眼和远视眼是怎么回事，应该如何矫正。

学生在各种光学实验器材的创作活动中，对凸透镜的成像特点以及凸透镜的应用有了全新的认识。

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责任编辑：黄大灿

（本文系安徽省教育信息技术研究项目“创客教育在贫困地区初中物理教学中的实践研究”的研究成果，课题立项号为AH2018073。）