基于學生視角的自制教學具的教學價值和意義

黃 劍 施 堅

(1. 貴州省銅仁市碧江區教育局教研室,貴州 銅仁 554300; 2. 江蘇省梁豐高級中學,江蘇 張家港 215000)

基于學生視角的自制教學具的教學價值和意義

黃 劍1施 堅2

(1. 貴州省銅仁市碧江區教育局教研室,貴州 銅仁 554300; 2. 江蘇省梁豐高級中學,江蘇 張家港 215000)

教學實踐表明,如果學生學習物理缺乏物理過程的實際體驗,必然會對一些物理規律的教學和理解形成較為突出的學習困難．為了突破該教學瓶頸,筆者帶領學生制作了多款自制教學具,收到了非常好的教學效果,本文從學生視角探討了自制教學具的價值和意義．

自制教學具;學生;教學;創新

100多年前,著名物理學家麥克斯韋就曾說過“實驗的教育價值與儀器的復雜性成反比,學生自制的儀器,雖然經常出毛病,但它卻會比用仔細調節好的儀器能學到更多的東西”．20世紀70年代,我國著名的物理教育家朱正元教授也曾指出“千言萬語說不清,一看實驗就分明”的論點,并提出“壇壇罐罐當儀器,拼拼湊湊做實驗”的思想,這與當時國外倡導的“低成本實驗”資源不謀而合,道出了自制教學具的必要性和普適性．進入21世紀,學術界又提出了“非常規實驗資源”的概念,自制教學具的地位和意義再次凸顯,闡明了教育的發展需要體現現代教育思想的豐富多彩性,體現多元的教育資源的支撐．

1 自制教學具在高中物理教學中的含義

自制教學具是教師、學生針對教學中的重點、難點和急需解決的問題而設計、制作的教學器具,“做以致用(教學)”的特性非常鮮明和突出,也稱為“立體教材”、“實物教材”、“形象教材”．“物理自制教學具”包括兩層含義,一是教師在實驗教學中利用生活中材料、物品自制的或改進的物理器具;二是教師指導和組織學生自己動手制作能呈現物理原理的實驗器具．尤其是學生通過自制的教(學)具,更能加深對知識的深入理解,因為制作儀器的過程就是一個運用知識的過程,真正體現了“做中學”的課程理念．

2 學生視角的自制教學具的理論意義

建構主義學習理論認為,教師的價值就體現在能否激勵學生以探究、主動、合作的方式進行學習．也就是說,一方面教師應設置問題情境,激發學生面對問題積極思考、主動探究;另一方面要積極創設師生互動、生生互動的學習情境,讓學生學會在團結、合作中學習．因此,學生的學習不應該僅局限于課本或相關的輔助材料．整個社會文化以及學生在生活中的所有問題和情境都是學生學習的“土壤”,自制教學具就是其中一塊頗富營養的“土壤”．

情境學習理論認為,知識是基于社會情境的一種活動,是個體與環境交互過程中建構的一種交互狀態．我們經常看到國外的一些物理課堂視頻,教學的過程總是充滿了教師大膽引入新奇的實驗,其中不乏很多是自制教學具;同時課堂顯得鬧哄哄的,因為學生的動手操作、討論、走動幾乎貫穿全過程．這是因為美國等國家非常注重學習的情境價值和意義．

物理教學中,有多種方式創設情境去引導學生自己去構建知識驗證體系,但若能利用身邊熟悉的材料來表達,那肯定是最好的,最有效的,而這個最佳的載體就是師生的自制教學具．

3 學生自制教學具的教學價值和意義

有相當多的物理教師會抱怨:現在的學生從小沉溺于電視網絡,對實際生活中物理過程的體驗太缺乏了,看似簡單的物理過程,卻怎么教都不能理解．“言傳不如身教”,“說千次,道萬遍,不如親身做一次”,物理尤為如此．物理源于生活,始于實驗,很多物理規律須學生親自實踐,他們才能真正地理解．

3.1 自制教學具可以有效改善學生的學習方式,變教師演示實驗為學生操作實驗

心理研究表明,高中生好奇心強,喜愛觀察實驗現象,尤其喜愛親自動手做實驗,而學校教師做的演示實驗、安排的學生分組實驗遠遠不能滿足學生的心理需求．而自制學具可以讓學生主動參與其中,并通過自己的嘗試和努力再發現物理規律,有效改善了學生的學習方式,教學效果通常要比演示實驗更好．

例如,在圓周運動的基本物理量教學中,線速度、角速度、半徑、向心加速度的關系是一個難點．為有效化解教學難點,在物理興趣小組的課外活動中,筆者指導幾個學生制作了幾個非常簡單的學具,如圖1所示，并在學生中交流演示,效果非常好．

圖1

材料為硬紙板和宣傳用的即時貼皮,筆者僅僅提供了幾個固定螺絲和美工刀,兩個學生在課后很短的時間內就完成了以上兩個學具制作．學生通過測量兩個圓盤半徑和轉動角度,很容易發現齒輪傳送和皮帶傳動中的幾個圓周運動物理量的關系．受到這兩個自制教學具的啟發帶動,很多學生還利用透明膠、瓶蓋等物品進行模仿驗證,學習積極性非常高昂．

再例如,在圓周運動的幾個基本實例中,鐵軌的結構組成和火車拐彎歷來是物理教學中的難點,尤其是沒有鐵路的城市,至于火車高速拐彎擠壓外軌并造成脫軌,學生更是沒有任何物理過程體驗．于是筆者輔導部分學生利用雙休日制作的簡易教學具,有用木制軌道來演示的,也有用鐵絲軌道來體會的,如圖2．該自制教學具課間帶到班級展示后,很多學生踴躍上臺親手模擬脫軌過程,用小球在傾斜的鐵絲軌道上高速旋轉觀察離心脫軌,火車拐彎從此再也不是教學難點了．

圖2

3.2 自制教學具可以有效減少學生對相關物理知識和規律的神秘感和畏懼感

無論是昔日的朱正元教授還是當今的南師大劉炳昇教授都一向推崇“壇壇罐罐做實驗”,認為只有取材方便、價格低廉,才可能讓很多學生在課后時間開展真正有效的物理實驗．物理實驗器材的價值不在于結構的精密復雜和高價,而在于能否簡單有效演示物理規律,甚至學生自己制作遇到失敗,也能在失敗中通過教師的指導進行分析找出原因,再進一步改進獲得成功,這比現成的實驗器材更能體驗真實的物理探究過程．

例如,筆者發現很多學生在理解選修3-1“電場”中靜電感應時總是存在一些問題,同時教師就書本演示實驗常用視頻或動畫代替,似乎避之不及．筆者為了增強學生的切身感受,組織和啟發學生利用兩個易拉罐把驗電計稍加改裝,輔于橡膠棒、毛皮來模擬書本實驗,如圖3,取得了非常好的演示效果,而且普遍能結合實驗現象輕松說出其中的內在機理．后來,班上學生見到靜電感應的習題顯得特別有信心．

圖3

再例如,傳感器知識點是高中物理教材的新增內容,受到必修1和必修2中介紹的DIS傳感器實驗系統的影響,高一很多學生產生了對傳感器的高科技迷信,認為凡是傳感器就一定會聯系電腦,還有很多復雜的集成電路．為克服學生以上心理,筆者帶領幾個學生制作了兩款成本不到2元的傳感器,如圖4,一款是最簡單的磁傳感器:3節干電池、干簧管、白色發光二極管組成1節串聯回路,當干簧管靠近磁鐵,內部小金屬片會被磁化而相互吸合,電路導通,二極管發光．另一款是溫度報警器:一節干電池、直流電子喇叭、啟輝器鋁制外殼(內用白蠟固封一個鋼珠)組成一個串聯回路,當環境溫度足夠高時蠟燭開始融化,鋼珠落下和鋁外殼接觸就會報警．每一款自制傳感器成本價均不超過10元,但無論是實驗效果,還是于學生的體驗價值和教學意義都是深遠的．

圖4

3.3 學生自制教學具可以有效填補實驗室器材空白,突破教學盲點

雖然現在不少城市和學校財力雄厚,幾乎每年都添置物理實驗教學器材,但即使是這樣,仍然有不少教學盲點,或者說器材的生產廠家遺漏或不易突破的實驗展示點,而這常常正是教學重、難點,學生期待教師講透、講明白的知識突破點．

在學生學完選修3-2“互感和自感”后,有學生提出對書本上“變壓器、電動機等設備中有匝數很多的線圈,當電路中的開關斷開時會產生很大的自感電動勢,使得開關中的金屬片之間產生電火花”不容易理解,于是筆者組織學生一起自制了“開關點火”實驗，如圖5所示.

圖5

實驗器材:線圈(1000匝左右)1個;電池盒1個;干電池4節;導線4根;脫脂棉少許;打火機油少許;攝子1把．

實驗過程如下.

(1) 按照實驗電路將4節干電池、線圈、小燈泡、電鍵用導線連接好,并閉合電鍵,小燈泡發光．

(2) 斷開電鍵,有電火花放出．

(3) 用攝子取少量脫脂棉,滴上少許打火機油,創設易燃易爆的環境,靠近電鍵．

(4) 斷開電鍵,電火花將脫脂棉點燃．

(5) 告誡在易燃易爆環境,正確用電．

這樣一個簡易的自制教學具,不僅僅讓學生理解了為何大功率用電器的開關應裝在金屬殼中,或者油浸開關,更為重要的是填補了實驗室器材的空白,教師和學生內心都會充滿成就感．

再例如,動量守恒中的人車模型是個核心知識點,實驗室沒有現成的相關器材,學生更是缺少相關的生活體驗．筆者指導學生對幾個玩具小車的滾輪軸承進行了潤滑處理,再讓學生根據習題中的一些人車模型進行學具制作并演示,都獲得了明顯演示效果，如圖6所示．在課上交流了以上自制教學具后,還有幾個學生利用雙休日在滑板上驗證了車上踢腿、車上扔球、車上單擺、車上互推,并拍攝了照片和錄像在課上進行了展示,可謂自我實現了寓教于學．

(a) 小球擺動，小車會反向振動

(b) 車上敲車，小車不會前進

(c) 重錘滾下，小車反向運動

3.4 自制教學具過程可以增強學生的視覺思維,體驗教師的設計和演示過程

成功的自制教學具一定有著更為清晰展現實驗的可見度的特征,而讓學生自制教學具在教師的幫助下也實現這一功能，可以讓學生體會教師演示實驗的諸多良苦用心,還能增強學生的視覺思維．

例如,在必修2“曲線運動”中“曲線運動的速度方向是軌跡切線方向”的理解中,筆者啟發學生可以用約束軌道的脫離瞬間來觀察小球的運動方向特征,有學生想到了用兩根彎曲的鋼絲組成軌道,有學生說用硬紙板,有學生說用泡沫板,筆者均予以了肯定．后來,學生采用泡沫塑料薄板和美工刀切割光滑曲線軌道(軌道上無突出點即可),并從中分成4段,另輔以鐵球一只,斜槽、平整木板、紅色印泥等器材,并用雙面膠粘貼在平整木板上,小球由斜槽上釋放后滾下進入該一般曲線軌道就可做一般曲線軌道運動．在軌道的下方放一張白紙,蘸有紅色印泥的鋼珠離開軌道后在白紙上留下一條運動的痕跡,它記錄了鋼珠在該點的運動方向(如圖7中A點和B點)．這一設計和演示過程完全可以教師代勞,那么就失去了自制教學具過程中的思辨,也體會不到實驗演示的視覺意義和功能．

圖7

再例如,選修3-3“表面張力”中演示“玻璃離開水面”實驗,筆者發現破液時普通測力計上的數值和彈簧形變量欠視覺沖擊.筆者啟發學生可以用白紙做個紙彈簧,一下子實驗效果明顯放大.這是因為紙質彈簧勁度系數非常小,反應很靈敏，如圖8．雖然是極其簡單的自制教學具,但其中蘊含的放大思想和視覺思維也應是我們物理教學重視的.

圖8

圖9

“伽利略對自由落體運動的研究”中“伽利略斜槽實驗”,課堂由于時間限制,筆者讓學生課后自己找器材探討．[1]后來,筆者見到了有一組學生使用了很長的鋼質斜槽和一個鋼球模擬伽利略的斜槽實驗,如圖9，的確獲得了從靜止開始等時間位移比約為1∶3∶5∶7的結論．

3.5 自制教學具有利于培養學生的創造精神和發揮學生的個性

在“瓶瓶罐罐”器具中,很多物品本身不是用來做物理實驗的,將它們組合、設計成實驗器材,這體現了學生的創新能力;同時,教師除了在學生面前展現自制教學具巧妙的設計、獨到的構思,還應鼓勵學生發現其不完美、不理想之處,并敦促學生也來動手做一做、改一改,發揮自己的個性．

圖10

例如,在學習3-2“交變電流”一章后,筆者提議發揮聰明才智和個性應用學過的知識設計一個簡易發電機,一周后,兩個比較成功的發電機呈現在眼前．其中一個利用了傳送帶帶動連有一塊磁鐵的滑竿在線圈內來回運動來驅動兩二極管交替點亮,現象明顯,結構清晰，如圖10．另外一個則是把一帶孔繞有線圈的小塑料瓶、小磁鐵、二極管、發光二極管轉軸等組裝一個旋轉磁極式交流發電機模型，從而驅動二極管間隙點亮，如圖11．

(a)

(b)

兩個再簡單不過的小發電機,但對于學生而言是智慧和創新成果,也是個性得到發揮的體現,從內心深處體會到了物理學科的魅力．

4 教師指導學生自制教學具的建議

(1) 布置的任務要立足于學生實情．自制教學具對于教師都是一件很有挑戰性的事情,何況是高中生．因此,布置的自制教學具任務須兼顧學生的時間安排,例如一般可安排在選修課時間,周六、日等節假日;須兼顧學生身邊的器材情況,適當在器材、工具方面提供幫助;須兼顧學生已有自制經驗和知識儲備,適當給予制作和物理知識、規律的指導．同時,教師布置給學生的自制教學具任務,自己要先做一遍,做到心中有數．

(2) 教師要在平時做好示范引領．自制教學具對于學生而言是一個全新的學習領域,需要“師傅領進門”,從器材的收集和擺放,到工具、儀器的使用規范,再到教學具設計、改良的操作流程,據處理等需要教師做好引領作用．

(3) 搭建交流、共享平臺,形成激勵機制．自制教學具是一項工程,成功的教學具更是一項成果,成果需要展示才能發揮價值,教師、同學的贊許和評價會有無與倫比的成就感,而即使不太成功的教學具也能在交流中發現自己的不足,學習別人的長處,形成積極向上的合作、競爭兼具的氛圍．

(4) 幫助轉化為教科研成果．成功的自制教學具除了在學校、教室的師生間交流、共享,還可在教師的幫助下參加各類創新大賽,寫成文章投稿《中學生科技》、《科學大眾》(中學生)等雜志,形成各類教科研成果．

1 施堅.品味物理學史感悟大師思想[J].教育科學論壇,2016(1)：17-20.

2 潘程超，曾毓斌.眼見為實出奇招，談低成本自制教具與物理教學[J].物理教師，2016(4)：95-96.

3 王理想.淺談中學物理自制教具的開發[J].物理教師，2015(10)：43-46.

4 施堅.“自制教具結合單反相機”分析運動的兩個案例[J].物理教師，2016(1)：53-56.

以及數

本文系江蘇省教育科學“十二五”規劃2015年度重點課題“核心素養導向的高中物理圖景教學實踐研究”(編號：B-b/2015/02/133)和江蘇省中小學教研2015年度立項課題“新課程高中物理試題探究能力考查的應用研究”(編號： 2015JK11-L085)階段性成果之一.

2017-06-20)