淺談中學(xué)物理系列自制教具的設(shè)計與開發(fā)
——以激光筆為例

林 珠

(寧波市北侖區(qū)東海實驗學(xué)校 浙江 寧波 315800)

1 引言

國家舉辦了九屆全國自制教具大賽，各省市、自治區(qū)也分別舉辦各類自制教具比賽，國內(nèi)有朱正元、陶洪、劉炳昇、馮容士、羅星凱等專家學(xué)者的努力，出版了《物理實驗論》《中學(xué)物理實驗教學(xué)與自制教具》等重要專著，但是在實際教學(xué)中，由于單一的評價方式、設(shè)備的缺乏及相關(guān)教師實驗技能訓(xùn)練不足等問題，存在“做實驗不如講實驗，講實驗不如背實驗”的現(xiàn)狀.物理實驗教學(xué)的發(fā)展不論在師資方面還是設(shè)備方面，均不能滿足目前課程改革推進(jìn)的需要.

在國外利用自制教具進(jìn)行教學(xué)相較于國內(nèi)更加廣泛和普遍，而且更為注重學(xué)生自己動手的過程.比如在美國就非常重視自制教具實驗，電視節(jié)目上經(jīng)常播放一些制作低成本趣味教具的視頻，讓學(xué)生在娛樂的同時學(xué)習(xí)知識.另外，各學(xué)校實驗室都使用大量的自制教具，而且非常提倡學(xué)生自己探索研制新的教具.

在初中課程標(biāo)準(zhǔn)中要求教師注重科學(xué)、技術(shù)、環(huán)境的聯(lián)系，關(guān)注涉及模型、教具、儀器等的制作，引導(dǎo)學(xué)生“動手”和“動腦”相結(jié)合.本文以激光筆為例，談一談自制教具在多個物理維度的開發(fā)和利用.

2 以激光筆為例的系列自制教具的設(shè)計與開發(fā)

在實際生活中，有很多物品可以直接作為實驗器具用于課堂演示，例如氣球、可樂瓶、電子秤等，當(dāng)然，也有很多物品經(jīng)過二次加工用于課堂教學(xué)[1].為了體現(xiàn)物理與生活的密切聯(lián)系，本文用日常生活中常見的激光筆為基礎(chǔ)，從熱、光、聲等多個物理維度，設(shè)計了一個系列的自制教具.除了常見的利用激光筆來演示光沿直線傳播、光的反射、光的折射等實驗外，還可以設(shè)計以下系列實驗.

2.1 光的衍射自制教具

“光的衍射”是人教版高中《物理·選修3-4》教材的內(nèi)容，此節(jié)內(nèi)容通過單縫衍射、泊松亮斑等說明光發(fā)生明顯衍射的條件和現(xiàn)象.而教師可以將光的衍射自制教具(圖1)作為補充，用于課堂引入或者課后知識拓展，打破慣有的衍射現(xiàn)象，引起學(xué)生的興趣并加深其對光的衍射的理解.

圖1 光的衍射自制教具實物圖

實驗器材：固定裝置，激光筆，針筒.

實驗過程及現(xiàn)象：用針筒吸入污水并固定位置，推動針筒擠出一滴污水滴，使其體積越大越好.讓污水滴和激光筆在同一高度，打開激光筆，調(diào)節(jié)裝置到墻壁的距離，就可以看到衍射圖像，甚至能看到“細(xì)菌”[2].

思考與改進(jìn)：筆者曾經(jīng)在2014年發(fā)表過相應(yīng)的文章，與之前相比，固定裝置有一定的改進(jìn)，放置針筒的固定位置可以上下移動，更便于控制污水滴和激光筆在同一高度.而污水滴的來源有很多，筆者試過湖水、細(xì)菌培養(yǎng)液、灰塵水等，都可以進(jìn)行實驗.其中，灰塵水取材最方便，只要將一針管的水注到布滿灰塵的墻角邊，再用針筒吸回來就行，效果也挺好.而細(xì)菌培養(yǎng)液更具挑戰(zhàn)性，因為其對菌體濃度有要求，不能太高否則看不出效果，也不能太低，不然觀察不到現(xiàn)象.

2.2 聲音的特性自制教具

“聲音的特性”是華師大版初中科學(xué)八年級下冊第一章第2節(jié)的內(nèi)容，在介紹聲音的響度和音調(diào)這兩個聲音的特性時，教師會結(jié)合示波器的波形圖進(jìn)行講解，而利用此教具，可以完全代替示波器，同樣得到波形圖，達(dá)到突破難點的目的.聲音的特性自制教具實物圖與裝置示意圖如圖2所示.

圖2 聲音的特性自制教具圖

實驗器材：鐵架臺，激光筆，平面鏡，音叉，四面體，電動機(jī)，固定裝置，導(dǎo)線，電池.

實驗過程與現(xiàn)象：接通電源使電動機(jī)工作，電動機(jī)帶動著四面體轉(zhuǎn)動.將經(jīng)過音叉的反射光照射在四面體上，就可以形成一系列的橫線，敲擊音叉后，就可以看到其振動圖像就是一列波[3].改變敲擊音叉的力度，響度變小，我們可以看到波形的振幅變小，從而說明響度與振幅有關(guān).在說明音調(diào)與頻率的關(guān)系時，利用頻率為512 Hz的音叉和頻率為256 Hz的音叉進(jìn)行對比實驗，可以看到波形的稀疏有區(qū)別，聽到的音調(diào)高低也不同.

思考與改進(jìn)：這件自制教具對于電動機(jī)有一定的選擇性，所需的轉(zhuǎn)速越慢越好.另外，如果只利用激光筆和帶有平面鏡的音叉也可以得到其他的實驗結(jié)論，例如激光筆發(fā)出的光線照在音叉上的平面鏡時，經(jīng)光的反射后會出現(xiàn)在墻面上形成一個亮點.敲擊音叉使其振動，可以觀察到光點在迅速地跳動著，形成上下一小段亮線.由此也可以說明，音叉確實是在振動，聲音是由于物體振動產(chǎn)生的.

2.3 微小形變放大自制教具

此自制教具用于演示固體的熱脹冷縮現(xiàn)象，用激光筆起到一定的放大效果，實器材和操作比較簡單，效果也十分明顯.微小形變放大自制教具實物圖如圖3所示.

圖3 微小形變放大自制教具實物圖

實驗器材：橫桿，激光筆，主桿，金屬絲，裝置底座.

實驗過程及現(xiàn)象：打開激光筆使光照射在墻上，在光點處做好標(biāo)記，記錄杠桿橫桿在初始所指的刻度.然后用打火機(jī)給金屬絲均勻加熱，觀察到光點下降到某一位置再次做好標(biāo)記.最后停止加熱，把裝置放在原地幾分鐘就可以看到光點基本上回到了初始位置.

思考與改進(jìn)：金屬絲本身發(fā)生的熱脹冷縮現(xiàn)象特別微小，因此，在實驗過程中需要控制激光筆到墻壁的距離，距離越大，光點位置下降得越明顯.當(dāng)然，在后續(xù)的實驗中可以添加大型量角器，可以測量出其角度的變化情況，從而起到量化的效果.

2.4 布朗運動自制教具

布朗運動是分子熱運動的基礎(chǔ)，但由于分子運動太過微觀，顯微鏡配備比較麻煩，很多教師都在突破這個難題.本文就介紹一種利用激光筆完成觀察布朗運動的自制教具.該教具示意圖如圖4所示.

圖4 布朗運動自制教具示意圖

實驗器材：激光筆，手機(jī)，手機(jī)顯微鏡，透明盒，酒精燈.

實驗過程及現(xiàn)象：在透明盒中點燃小段艾條，將手機(jī)顯微鏡和手機(jī)進(jìn)行組裝并打開手機(jī)拍照系統(tǒng)，打開激光筆，就可以看到亮點在浮動[4].如果將酒精燈點燃，可以看到微粒運動更加劇烈.

思考與改進(jìn)：這件自制教具最大的特點就是使用方便，用手機(jī)顯微鏡代替實驗室中顯微鏡的作用.與此同時，配合激光筆的使用，可以看到亮點在做無規(guī)則運動.還可以說明溫度與運動劇烈程度的關(guān)系.當(dāng)然，在講授空氣污染方面的課程時，也可以用沒有污染和污染嚴(yán)重的空氣進(jìn)行對比實驗，培養(yǎng)青少年的環(huán)保意識.

3 總結(jié)與思考

我們總說科學(xué)的研究對象是自然界，要給學(xué)生提供了解自然界的機(jī)會，我們物理課程的教育也要立足于學(xué)生的生活經(jīng)驗，而在現(xiàn)實生活中，我們的教育已經(jīng)開始脫節(jié)化，很多書本上的舉例，曾經(jīng)的我們確實經(jīng)歷過，但卻無法引起當(dāng)代學(xué)生的共鳴.“關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的困難、問題，要采取有效的教學(xué)策略引導(dǎo)和幫助學(xué)生”這是課程標(biāo)準(zhǔn)對于我們的要求，那么筆者覺得，自制教具就是一種很好的教學(xué)策略和方法.器材源于生活，取之生活，拉進(jìn)與學(xué)生的距離.教具用于教學(xué)，輔助教學(xué)，更容易讓學(xué)生理解知識內(nèi)容.自制教具，教師可以，學(xué)生亦可以，輔助教學(xué)的同時也鍛煉了學(xué)生思考、動手能力.真可謂一舉數(shù)得！

本文所介紹的是以激光筆為主開發(fā)的系列自制教具，可用于課堂演示實驗、學(xué)生探究實驗，教師在利用時需要考慮其對課堂教學(xué)的適用性.而教師在設(shè)計系列實驗時，也要考慮其對課程內(nèi)容的促進(jìn)性、有效性，讓生活真正走進(jìn)物理課堂[5].