自制教具——物理教學中一道亮麗的風景——“第11屆全國中學物理青年教師教學大賽”教具展示作品賞析

自制教具——物理教學中一道亮麗的風景
——“第11屆全國中學物理青年教師教學大賽”教具展示作品賞析

張春麗

(北京市朝陽區教育研究中心北京100028)

摘 要：通過對參展典型作品的賞析，重點闡述了自制教具的設計思路、給物理教學帶來的積極影響以及自制教具應當遵從的原則，強調自制教具的重要性和必要性.

關鍵詞：自制教具設計影響原則

收稿日期：(2014-11-15)

“第11屆全國中學物理青年教師教學大賽”于2014年10月11日在四川成都如期舉行，大會同時舉行了教師自制教具的展示與評比活動.不負所望，本次活動匯聚了全國各省市推薦的許多優秀作品，呈現出一道令人嘆為觀止的亮麗風景.

1自制教具獨具匠心的設計思路

筆者在大賽聽課休息期間來到教具展示廳，原打算只瀏覽一下，然而一件件構思獨特的作品讓人流連忘返.

1.1從定性到定量獨具匠心

由于種種原因，高中物理教材中的許多演示實驗只是定性研究，而我們需要得出的結論卻是定量的，這無疑給教學帶來了缺憾，很多自制教具也就因此而生.例如，作品“用拉桿天線自制安培力的實驗裝置”[1]，如圖1所示，就是專門針對安培力的公式F=BIL的定量得出而設計的.該作品利用控制變量的方法，根據力矩平衡的原理(也可以根據初中的杠桿平衡原理)巧妙地研究了安培力與電流I及通電直導線長度L之間的定量關系.不僅難點得到了突破，學生所學的知識也有了“用武之地”，簡單直觀，易于理解.再比如，對機車功率P=Fv的理解一直是教學中的難點，由于缺乏實踐經歷，很容易把一個原本現實的問題變成機械記憶的結論.作品“用自制玩具突破功率、力 、速度關系的探究難點”[2]很好地解決了這一難點.該作品利用組裝的學生熟悉的玩具小車(圖2)，真實地模擬了汽車、起重機等機械的變擋原理，通過半定量的研究，使學生獲得了真實的體驗，在實際的情境中讓學生自己實實在在地得出了圓滿的解釋，真正理解了功率、車速、牽引力三者的關系.學以致用，玩中學、學中用，學生能不感興趣嗎？

圖1　用拉桿天線自制安培力實驗裝置

圖2　用自制玩具小車突破功率、力、速度的關系

1.2從隱性到顯性別出心裁

物理學的規律往往抽象、隱含，“抽象問題顯性化”也一直是物理教師的追求之一.例如曲線運動中關于瞬時速度的方向“沿軌跡的切線方向”，描述直觀但理解抽象，直觀顯示瞬時速度的方向就成為演示實驗中一個難點.教材中的砂輪甩出火星不易演示，雨傘甩出的雨滴由于重力作用也不直觀.作品“曲線運動的演示實驗”[3]非常巧妙地解決了這個問題.在一個水平轉動的光盤下鋪白色水寫布，在光盤上滴上清水，光盤逐漸加速轉起來后水被甩出，停止轉動，觀察水寫布上的痕跡，非常清晰地顯示出：甩出的水滴呈現出一條條直線徑跡，并且每條直線均與光盤的投影圓相切,如圖3所示，沿切線飛出的現象相當明顯.

圖3　曲線運動瞬時速度方向的演示實驗

再比如，作品“彈力方向演示裝置”(圖4)，利用的器材很簡單，斜角木塊、克郎球、蠟紙、膜，圖4是該實驗裝置的俯視圖，整個裝置放置在水平臺面上；圖中右上角淺色的三角形為梯形木塊的一部分，該木塊兩條平行邊長度分別約為30 cm和15 cm，便于用手操作，木塊的厚度與克郎球直徑相當；如圖中所示，實驗時用此木塊的一個斜角側面撞擊克郎球；圖中左半邊是平鋪的蠟紙，蠟紙上覆蓋的是薄膜，圖中薄膜上留下的深色印跡就是克郎球被撞擊后滾出時留下的痕跡.通過顯示被斜角木塊撞擊后克郎球的徑跡來顯示木塊對克郎球的彈力方向與撞擊面垂直的結論，樸素簡潔中折射著別出心裁的智慧！

圖4　彈力方向演示裝置

1.3從習題到實驗的巧思樂趣

本次參展的作品中有不少源自于高中物理的練習題，好的習題本身就是一個科學問題.有些習題蘊含的物理思想值得體會，這些也往往成為教師們自制教具的素材.例如，作品“機械能守恒演示裝置的改進”[4]，取材的就是一道物理練習題：先讓小球擺動，擺至最低點時遇到刀片繩子被割斷，小球被水平拋出，測出射程及高度進而測出平拋的初速度，這樣就可以在圓周運動的情況下驗證機械能守恒定律，如圖5所示.習題不再單調枯燥，規律不再遠離現實，實驗設計的原理更加豐富，習題、規律、思想、實驗融通整合，其中的巧思樂趣令人回味悠長！

圖5　機械能守恒演示裝置的改進

1.4從繁瑣到簡約的質樸智慧

在參觀中，有一件很夸張的作品引起了筆者的注意，這件作品很簡單，因為用的就是一個木質的架子，架子的橫梁上鋪墊著一條很粗的海綿，幾個礦泉水瓶內裝著體積不等的紅色水，依次懸掛在帶有海綿的橫梁下，海綿顯示的形變各不相同，如圖6所示.筆者忍不住停下腳步，內心很激動，“瓶瓶罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”，不管條件多么艱難，想法設法動手實驗，這是一種怎樣的追求境界？筆者能感受到設計者對學生、對物理教學那種質樸的熱愛.看著筆者長久駐足，該作品的制作者梅老師很自豪地告訴筆者：本實驗可以非常清晰地讓孩子們看到形變，哪怕是坐在教室最后一排的孩子也能看得很清楚：水的重量不同，海綿承受的壓力不同，壓力越大，形變就越大.本實驗可見度大，非常直觀！筆者恭敬地傾聽，內心非常感動——照顧到每一個孩子！也由衷感嘆——撇開繁瑣回歸簡約的大智和大愛！

圖6　形變演示實驗

1.5從單一到多功能的集成設計

本次參展的作品中也有一些是“一器多用”.聰明的教師們在設計時總是想方設法利用自己的自制教具來演示、集成更多的實驗.例如，作品“圓周運動演示儀”[5](圖7)，在錐形斗內放置乒乓球、瓶蓋等常見物品，演示了圓周運動、離心運動、近心運動后，又撤掉漏斗，在轉盤上放置質量不同的小磁貼，讓學生親眼目睹隨著轉盤轉速的增大，半徑越大的小磁貼越先脫離轉盤做離心運動，接著再放置中間連著彈簧的兩個小球，讓學生清晰地看到彈簧的伸長(出自物理練習題)，對向心力的認識既直觀又不斷加深.“一器多用”、“巧妙集成”，達成了物理教學的機制、靈活和高效！

圖7　圓周運動演示儀

1.6從經典到現代的探究創新

物理課程的內容既要重視基礎性還要體現時代性，物理教學應適時地傳遞現代科技發展的信息，才能讓學生感受到時代的脈搏，保持積極向上的精神面貌.與現代科技的接軌也就成為教師們自制教具的一個著眼點.例如，作品“激發活力的自制教具——安培力作用下物體的運動”，以現代科技中的電磁炮原理為出發點，以相關的習題為背景，讓學生動手一起參與設計、探究和改進，既讓學生感興趣，又使習題不再遠離現實，同時還體驗到：現代科技就在身邊，并非遙不可及，自己就能“創造” 電磁炮！把提升學生科學素養的課程目標落到了實處.

2自制教具給物理教學帶來的積極影響

自制教具，指的是教師和學生利用簡便易行的方法就地取材，自己動手制作的用于學科教學的教具或學具，是教學儀器與實驗器具的必要補充.隨著新課程的推進，物理實驗的密度進一步加大，傳統的實驗教具已經難以滿足需要，再加上一些現有器材的不夠理想，自制教具就顯得既重要又必要.從前面的范例中我們也可以體會到自制教具對物理教學也帶來了許多積極的影響.

2.1物理學習興趣的熱度激發

心理學告訴我們,“濃厚的興趣能彌補智能的不足，持久的興趣會導致發明創造”.愛玩、愛動是學生的天性，對他們來說，只要激起濃厚的學習興趣，他們就會熱情主動地投入到物理學習中，物理課堂就會變得活潑開放、機智靈動，教學效果自然會倍增.自制教具中呈現出的新奇現象以及教具本身的成功制作，都能夠很自然地引起學生強烈的興趣，他們會迫不及待地主動經歷“猜測、觀察、解釋……”等一系列科學探究的過程，而且樂此不疲，自制教具能夠創造如此功效，我們的物理教師何樂而不為呢？

2.2動手實踐能力及創造力的自然達成

有一個問題值得關注：我們總是過多地談如何培養學生的動手能力及創造力，卻很少提及教師的動手能力及創造力，這是很不正常的邏輯！培養學生的動手能力及創造力得先從教師做起.然而，當前中學物理教師的實驗水平普遍不太理想，很多教師不斷重復著幾個陳舊的實驗，甚至有實驗也嫌麻煩懶得動手做，教師本人對實驗沒有太大的興趣，更談不上什么創造力.教師對實驗的這種態度直接影響著學生，長此下去，對學生動手能力的培養就極為不利.為此，我國很多師范院校專門開設了自制教具課，以培養未來教師的動手及創新能力，各級教育部門也不斷地開展自制教具的評比活動，以活動來促進廣大教師自制教具的熱情.如果我們的教師不斷向學生展示自己的“研發產品”，學生驚奇稱嘆的同時，咋能不躍躍欲試呢？身教勝于言傳，再適時地因勢利導，鼓勵學生親自制作，比如讓學生自己制作彈簧測力計、電容器、水果電池、浮沉子等等，在這樣的氛圍中，學生的實踐探究能力以及創造力自然而然就提高了.

2.3培養創新意識和科技意識的現實途徑

自制教具不是簡單的儀器仿制，一方面，需要經過一定的創意、構思和設計，這些都是創造性的勞動，是創新意識的體現；另一方面，要涉及到科學知識、技術、方法的應用，甚至還需要考慮材料、能源、環境、安全等問題.例如，作品“激發活力的自制教具——安培力作用下物體的運動”的制作，不僅需要設計外形還要合理選材，還要關注儀器的改良等因素，這些肯定能增強學生的科技意識和應用意識，學生在制作中查閱資料學習，邊嘗試邊改進，很好地填補了當前科學教學中虛空的地方.學以致用，學生的創新、科技意識提高了，就更容易動手進行小制作或小發明，這些不正是我們教育的期盼嗎？

2.4科學態度 合作精神和勤儉意識的熏陶

首先，儀器制作的過程必須遵循一定的科學理論，還需要來回反復的實驗和論證，既應用理論解決了實際問題，又應用實踐證明了理論的正確，著實地培養了學生的科學態度；其次，儀器制作的過程往往需要大家的合作，例如，作品“曲線運動的演示實驗”的設計過程中有一個很有趣的地方，該作品的制作者梁老師很聰明地利用網絡找到了合作者，不僅找到了所需的器材，還圓滿地達成了自己的設計；另一方面，前述的許多自制教具，都很巧妙地變“廢”為“寶”，利用生活中一些廢棄物如瓶蓋、螺絲釘、玩具、小電機等，制作出了各種各樣的教具，既節約了資金，又降低了教育成本，對于培養學生養成勤儉節約的優良品質有著深遠的影響.

3自制物理教具時應注意的原則

本次參展的作品給我們帶來欣喜的同時也難免呈現一些問題.例如，有的教具還需要進一步完善，以作品“用拉桿天線自制安培力實驗裝置”為例， 盡管該作品很好地解決了安培力F與電流I及通電直導線長度L之間的定量關系，但仍無法解決安培力與磁感應強度B的定量關系，對公式F=BIL的定量得出仍讓人覺得美中不足；有的教具還需要進一步改進，以作品“機械能守恒演示裝置的改進”為例，小球擺下來一次繩子就被刀片割斷一次，由于要多次實驗，每次都得更換繩子，這給實驗既帶來了不便也造成了浪費；有的教具還需要關注安全性的問題，以作品“圓周運動演示儀”為例，應防止圓盤旋轉時小磁貼、瓶蓋、小球等物品甩出傷人.當然這些問題也是我們的收獲，也為自制教具的設計提供了應當注意的原則.自制物理教具時，一般應當注意遵從科學性、安全性、節約性、簡單性、創新性以及藝術性等原則.

科學性是指教具無論是在原理、操作還是在結論上，所反應出來的概念、規律、知識應當是正確的、科學的，否則會將學生引向歧途.

安全性是指教具一定要保證操作安全、性能可靠，能多次重復，而且性能穩定，決不能發生爆燃、漏電、斷裂等危險事故.

節約性是指教具一定要經濟實用，力求廉價、實用、效果好.

簡單性是指教具要簡單、明了、直觀，能給學生以具體、形象的感性認識，有助于減輕他們理解抽象知識的困難.

創新性是指教具也要不斷地更新知識、方法以及技術，勇于實踐，研制新教具，使之更加科學、理想.

藝術性是指在符合以上原則的基礎上，我們制作的教具要形象生動、色彩鮮明，具有一定的美感，這樣不僅能吸引學生的注意力，還能激發學生對美的追求.

最后，再次感謝“第11屆全國中學物理青年教師教學大賽”教具展示參展的所有教師，感謝您們筑起的這道亮麗風景，愿您們的作品給廣大物理教師帶來新的思考和行動！當我們的物理教師愛上自制教具的時候，它就會成為一種教學和探究的習慣，共生共享，學生樂融其中，我們的教學就會更加生動、有趣和有效.愿更多更好的自制教具涌現，愿這道物理教學的風景線更加亮麗！

此次大賽涌現出許多教師自制的教具，對教學起到了非常好的作用.這里擷取幾位教師的自制教具，予以介紹，希望得到同行的品評.

參 考 文 獻

1范國峰.用拉桿天線自制安培力實驗裝置.物理通報，2015(6)：92～93

2樓志剛.用自制玩具突破功率、力、速度關系的探究難點.物理通報，2015(4)：81～83

3梁振華.“曲線運動”演示儀.物理通報，2015(6)：94～96

4唐素珍.機械能守恒演示裝置的改進.物理通報，2015(6)：97～98

5溫慧妍.自制圓周運動演示儀.物理通報，2015(6)：98～100