自制实验教具 优化初中物理实验教学

摘" 要：物理实验是落实物理课程育人要求的重要载体，实验教具则是物理实验教学中必不可少的部分。教师可以通过自制实验教具，引导学生进行观察和实验，优化实验教学方式，从而提升学生的科学探究能力。

关键词：自制教具；实验优化；科学探究能力

1" 引言

《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）对核心素养的内涵进行了新的界定，同时明确了物理课程要培养的核心素养，主要包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任四个方面。［1］《课程标准》指出，物理实验是落实物理课程育人要求的重要载体，而科学探究又是物理实验的重要组成部分，其要求学生能够基于观察和实验提出物理问题、形成猜想与假设、设计实验与制订方案、获取与处理信息、基于证据得出结论并作出解释，以及对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思。［2］

实验教具是开展物理实验教学的重要依托。而在实际的教学中，由于实验器材的局限性，教师往往只能引导学生开展一些封闭式或是半开放式的探究实验。在封闭式实验过程中，学生就像是被牵线的木偶，只能跟着教师的实验设计走，为了探究而探究之。半开放实验相比于前者稍好一些，但对发展学生的科学探究能力还是会有一定的限制，比如缺乏“设计实验与制订方案”的能力训练。事实上，学生能想到、做到的要比教师设想的多，教师应该适当放手，给学生更多自主探究的空间，这也对学生使用的实验教具提出了更高的要求。

“探究影响浮力大小的因素”是2012年版苏科版初中物理八年级下册第十章第4节“浮力”中的一个探究实验，上承浮力概念、下接阿基米德原理。本文将从“现有实验教具的不足”“实验教具的改进与创新”“新教具在教学中的使用及效果”“对新教具的反思与评价”四个方面，阐述如何对“探究影响浮力大小的因素”实验教具进行优化，以及如何利用该教具开展实验教学，发展学生科学探究能力。

2" 现有实验教具的不足

物理教材提供的“探究影响浮力大小的因素”实验器材有弹簧测力计、圆柱体、盛有水和浓盐水的容器各一个。

学校实验室配备的或市面上能买到的装置主要是探究阿基米德原理实验器（见图1），需要用到的主要器材有：弹簧测力计、溢水杯（可用烧杯代替）、重物（可用金属圆柱体代替），其中接水小桶可不用。

教学实践表明，学生对于“影响浮力大小的因素”的猜想有很多，如物体浸入液体的深度、物体浸入液体的体积、液体密度、物体重力、物体形状等。通过以上实验器材，学生能够探究浮力大小与排开液体体积、液体密度和物体重力三个因素的关系，虽能达成基本的探究实验教学目标，但限制了学生的自主探究范围，不利于发展学生的创新能力。

教材最后定性论证了阿基米德推导式F浮＝ρ液V排液g与“探究影响浮力大小的因素”实验结论间的关系，但这对于发展学生的数据分析能力有一定的限制。如果获取的实验数据不仅能得到定性结论，还能进一步得到定量结论，则探究实验结论与阿基米德原理间的契合度会更高，也更有说服力。

因此，有些教师也在教具上探索得到定量结论的可行性，比如用圆柱形玻璃瓶代替重物，记玻璃瓶的体积为V，将排开液体的体积以“0.25V、0.5V、0.75V”的形式呈现并开展探究（见图2）。［3］但是，这套器材对玻璃瓶浸入液体中的体积大小有限制，且不能浸没在水中。在整个实验中，此玻璃瓶只适用于“探究浮力与排开液体的体积的关系”一个实验，实验前后很难呼应，不利于学生建构整个影响浮力大小因素的知识网络。

再如通过增加小球个数成倍增加排开水的体积，同时完成影响浮力大小因素的探究实验和阿基米德原理实验（见图3）。［4］但是，这套器材不利于学生确定浮力的研究对象，反而更适用于“验证阿基米德原理”实验。

3" 实验教具的改进与创新

为了契合《课程标准》对发展学生科学探究能力的要求，紧贴教材实验前后的知识点，故针对原有实验器材进行改进与创新，力求在简化实验器材的基础上拓宽学生的探究范围，尽可能满足学生“探究影响浮力大小的因素”的实验需求，同时发展学生“设计实验与制订方案”“获取与处理信息”“基于证据得出结论并作出解释”以及“对科学探究过程和结果进行交流、评估、反思”等科学探究能力。［5］

3.1" 实验原理

利用“称重法：F浮＝G－F拉”测浮力。

3.2" 新教具的组成

“探究影响浮力大小的因素”的教具包含：自制的六面磁性塑料立方体共5个（其中4个立方体质量相等，1个立方体质量较大）；量程为0～1.0N、分度值为0.02N的弹簧测力计1个；铁架台及试管夹各1个（主要用作固定弹簧测力计）；规格为“150mm×150mm”的升降台1个（小于此规格则无法完成实验）；一杯清水；两杯密度分别为1.1×103kg/m3和1.2×103kg/m3的盐水（盐水需在上课前利用密度计调配，饱和盐水会使立方体漂浮，不可用）。

3.3" 制作新教具所需材料及方法

新教具的主体是棱长为2cm的六面磁性塑料立方体，其原是作为数学空间几何教具使用（见图4）。该立方体中两个相对的面可拆除，内部分为上下两个区域，每个角上都放有一个可自由翻转的钕磁铁，其他部分为空心（见图5）。

如果将该立方体直接投入水中，其将处于漂浮状态，无法进行实验。因此，教师应先用美工刀打开正方体盖，再将两个直径为8mm的小钢珠放入立方体内部空心处，增加立方体的质量，使其能够在水和盐水中下沉（见图6）。为了探究浮力大小与物体所受重力的关系，教师可在另外一个立方体内部再加入一些直径为2mm的小钢珠，使立方体的质量再增加5g左右（立方体可在水中下沉，且吸起后不会掉落为宜）。

制作完的立方体还要用热熔胶密封，防止在实验过程中水向内渗透而导致教具的质量发生改变，影响实验结果。最后，教师在一个立方体上方用热熔胶固定一个塑料小圈（可从吸管上剪取），方便悬挂。未加重物与加重物的两种立方体在水中的状态呈现出明显差异（见图7）。

3.4" 新教具的特点

新教具中的立方体在制作上主要有取材方便、成本低廉、制作简单三个优点。

整套新教具在使用上主要有弹簧测力计示数稳定、探究范围广、数据准确三个特点。

特点一，弹簧测力计示数稳定。新教具主要通过两方面的改进稳定弹簧测力计示数：第一，利用升降台，将烧杯置于升降台上，根据需求调节升降台平面的高度；第二，在试管夹上固定好弹簧测力计，调节立方体和弹簧测力计的高度，再将试管夹固定在铁架台上。

特点二，探究范围广。新教具立方体的六个面都有磁性，可相互吸合；立方体空心且方便拆装，质量可变；立方体密封，不会进水导致质量改变。在实验过程中，学生能通过对立方体进行不同的组合，完成浮力大小与

物体浸入液体的深度、排开液体体积、物体重力、物体形状、液体密度关系的自主探究。值得注意的是，学生在探究浮力大小与物体形状的关系时，相较于橡皮泥，新教具在操作过程中比较干净，且体积不易改变。

特点三，数据准确。新教具使用的立方体形状规则，体积为8cm3，每个立方体间的间隔较小且容易发现。教具中的弹簧测力计分度值为0.02N，得到的数据比较准确，误差在0.01N左右。另外，学生还可通过数据分析得到定量的结论。

4" 新教具在教学中的使用及效果

新教具中的立方体为实验的研究对象，学生拿到后可根据需求进行任意拼装，而其他教具则作为辅助，优化实验效果。该教具在“探究影响浮力大小的因素”的实验中，至少能够针对５类猜想进行探究。整套教具组装好之后，学生实验操作部分上手很快，得到的数据误差也较小。教师可以根据学生的实际情况，选择探究的难度和深度。［6］

4.1" 探究浮力大小与物体浸入水中体积（排开液体体积）的关系

探究方法：首先将4个立方体颜色间隔地吸在一起，呈“一”字形，再将立方体竖直悬挂在弹簧测力计上，接着向上调节升降台，使立方体柱缓慢浸入水中。每到一条分界线，读出一个示数并记录在表格中，实际探究过程如图8所示。

记录的实验数据如表1所示。

数据处理：将表1中的数据通过“描点法”绘制成“浮力—排开液体体积”关系图像（见图9）。

初步结论：物体所受浮力大小与物体排开液体体积有关。当液体密度相同时，物体排开液体的体积越大，其所受浮力越大。

深度结论：当液体密度相同时，物体所受浮力大小与物体排开液体体积成正比。

4.2" 探究浮力大小与物体浸入液体深度的关系

探究方法：前期探究方法与4.1一致。当立方体柱浸没在水中后，继续向上调节升降台，观察示数变化。拓展探究时，将立方体竖直连接，竖着和横着各浸入水中一半，比较两次浮力大小（见图10）。实验数据如表2所示。

实验结论：物体所受浮力大小与物体浸入液体的深度无关。

4.3" 探究浮力大小与物体所受重力的关系

探究方法：用重力不同的小立方体替换竖直组合中的一个，用弹簧测力计测出其浸没在水中的浮力，并与替换前的组合进行比较（见图11）。实验数据如表3所示。

实验结论：物体所受浮力大小与物体重力无关。

4.4" 探究浮力大小与物体形状的关系

探究方法：利用小立方体的磁性，改变小立方体的组合形状，用弹簧测力计测出其浸没在水中时受到的浮力，并对不同组合形状的立方体在水中受到的浮力进行比较（见图12）。实验数据如表4所示。

实验结论：物体所受浮力大小与物体形状无关。

4.5" 探究浮力大小与液体密度的关系

探究方法：将小立方体分别浸没在两杯密度不同的盐水中，用弹簧测力计分别测出小立方体柱受到的浮力，将测得的数据记入表格，并与此立方体柱浸没在水中时受到的浮力进行比较，实验数据如表5所示。

数据处理：将表中的数据通过“描点法”绘制成“浮力－液体密度”关系图像如图13所示。

初步结论：物体所受浮力与液体密度有关。当物体排开液体体积相同时，液体密度越大，物体所受浮力越大。

深度结论：当物体排开液体体积相同时，物体所受浮力大小与液体密度成正比。

该教具在学生探究过程中有较多留白，从设计实验到制订方案并不是一蹴而就的，需要一个从理论设计到实际操作的思考过程。第4部分中给出的实验方案只是其中一种可行的探究方法，方法并不唯一。在实际教学中，学生在不受限制的思考中更容易碰撞出思维的火花，深度提升自己的实验设计与方案制订能力。

5" 新教具对学生科学探究能力的发展

通过实验获取信息对学生来说难度不大，但如何处理信息、如何从信息中找到证据并得到结论，则是一个难点，也是现有教具在获取数据上较难突破之处。使用该教具获得的较为准确的实验数据，不仅为学生提供了定量分析数据的可能，也助力了学生发展数据处理与分析、归纳总结、交流反思等科学探究能力。

此外，学生的科学探究能力指向多个方面且水平各异。虽然新教具能够进行多个探究活动，但限于学生猜想的范围以及学生的思维深度和广度，在课堂中教师可能不会做到所有的实验，也不是每次探究都能够得到定量的结论。因此，如果学生基础较弱，教师可以选择在新授课中止步于得到初步结论，另在复习课中再次进行实验并对实验结论进行深度总结。如果学生基础较好，教师可以直接在初步结论的基础上，引导学生根据图像得到深度结论。教师可以根据学生的实际情况，有选择性地开展实验，不必刻意强求。

参考文献

［1］［2］中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022：41，5.

［3］王宝玉.在实验改进中培养科学探究能力——以“探究浮力的大小”实验为例［J］.中学物理教学参考，2021，50（17）：60-61.

［4］钱萍，王坚.“探究影响浮力大小的因素”实验改进与创新［J］.物理教师，2019，40（1）：50-52.

［5］［6］朱舒雁.基于学生经验的探究式教学设计——以“浮力”为例［J］.中学物理教学参考，2023，52（4）：22-26.