低成本實驗在物理教學中的應用研究
——以人教版高中物理必修一為例

沈光先，田 寬，馮 靚，羅文華

（貴州師范大學 物理與電子科學學院，貴州 貴陽 550001）

高中物理是物理課堂教學中非常重要的一部分。但由于許多實驗器材體積龐大不方便攜帶實驗器材比較昂貴、學校條件比較差實驗資源不足，導致在教學過程中不能滿足探究性課堂教學的要求。對于很多實驗，教師都是在PPT 上展示實驗或者是講實驗，學生只是聽實驗，這就導致物理課堂教學缺乏探究性，使學生對物理知識理解不透徹，從而產(chǎn)生一種物理難學的心理。在課堂教學中適當指導學生用生活中常見的材料去做一些低成本物理實驗，能加深學生對物理知識的理解與運用。“所謂低成本實驗,是指用日常生活中容易得到的、便宜的甚至是廢棄的材料，自己加工成結(jié)構(gòu)比較簡單的實驗器材、教具和科技作品，這類物品具有取材簡單、制作便捷、能啟發(fā)學生思維等特點”[1]。低成本物理實驗的開發(fā)既能培養(yǎng)學生的動手能力和科學探究能力，也能拓展學生的物理思維和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

以人教版高中物理必修一為例，用以廢棄的飲料瓶為實驗器材進行低成本物理實驗的開發(fā)，主要是因為：首先，用飲料瓶做實驗可以實現(xiàn)資源循環(huán)利用；其次，飲料瓶在生活中取材簡單、易加工，在一些物理實驗中是不可多得的實驗材料。論文將以飲料瓶為實驗器材，設計、制作幾個在物理課堂教學中的低成本實驗。

1 低成本物理實驗在物理教學中的作用

1.1 激發(fā)學生學習物理的興趣

興趣是學生學習物理最好的老師，在課堂教學中，一旦激發(fā)學生的學習興趣，其思維就會極為活躍，產(chǎn)生難以想象的創(chuàng)造力。教師根據(jù)教材和學生的心理特點為學生創(chuàng)設一定的物理情景，激發(fā)學生學習物理的興趣。低成本實驗是用與生活息息相關(guān)的物品來進行物理實驗，能有效提高學生學習的興趣、吸引學生的注意力、使學生產(chǎn)生好奇心，從而激發(fā)學生的學習熱情。

1.2 打造高效率的物理課堂

在中學物理課堂教學中，一堂好課的關(guān)鍵之一是實驗的設計，如果大部分實驗都能讓學生自己動手去操作，學生在整個過程中有切身的感受和體驗，將有利于學生對知識的理解和應用，從而打造高效率的物理課堂。

1.3 培養(yǎng)學生節(jié)儉環(huán)保意識

“課堂教學資源的開發(fā)講的是經(jīng)濟性原則，物理教學資源的開發(fā)和利用要盡可能減少人力、物力和財力。”[2]開發(fā)低成本物理實驗，既能進行實驗創(chuàng)新，又能培養(yǎng)學生的科學探究能力。飲料瓶、易拉罐等都是廢棄生活物品，利用其進行物理實驗的開發(fā)，能變廢為寶，讓資源進行循環(huán)利用，同時滲透了環(huán)保意識。

1.4 體現(xiàn)物理與生活的聯(lián)系

物理課程標準提出“從生活走向物理，從物理走向社會”[3]，有目的地利用低成本材料的物理屬性，經(jīng)過創(chuàng)新和加工，進而呈現(xiàn)物理現(xiàn)象，探索物理規(guī)律，這樣的實驗貼近學生的生活實際，使學生感受到親切和熟悉，能夠體現(xiàn)物理與生活和社會的有機聯(lián)系，對培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，促進學生科學素養(yǎng)的發(fā)展具有一定的意義。

2 低成本物理實驗的開發(fā)原則和設計過程

2.1 低成本物理實驗的開發(fā)原則

開發(fā)低成本物理實驗，應遵循以下原則：

（1）直觀、明顯性原則。直觀性就是從實驗中可以直接觀察到物理過程，無需通過復雜的推理便能直接揭露其物理本質(zhì)。明顯性就是指實驗的效果明顯，所有學生都能清楚地看到實驗現(xiàn)象。

（2）安全性原則。安全性是低成本實驗成功的重要保證，在演示低成本實驗時，課前要做充分的準備，熟悉器材，熟練操作，排除干擾因素，要充分設想可能出現(xiàn)的意外，杜絕安全事故發(fā)生。

（3）科學性原則。開發(fā)低成本物理實驗，首先要清楚實驗中包含的物理原理，再根據(jù)物理原理去進行實驗的開發(fā)和設計。實驗產(chǎn)生誤差不可避免，但不能出現(xiàn)科學性錯誤。

（4）簡單、可靠性原則。在保證科學性的前提下，做到簡單、可靠，所用儀器和操作步驟盡量簡潔明了。

（5）針對性原則。低成本物理實驗的開發(fā)與利用必須在明確教學目標的前提下，認真分析與物理教學目標相關(guān)的一些低成本材料，認識掌握這些材料的物理性質(zhì)和特點。針對學生的年齡特點和認知水平，進行低成本物理實驗的開發(fā)，滿足學生的發(fā)展需求。

（6）啟發(fā)性原則。低成本物理實驗是利用生活中常見的材料為實驗器材，把抽象的物理原理通過實驗變?yōu)樾蜗蟮奈锢憩F(xiàn)象，最終目的是啟發(fā)學生的思維，使學生更好地認識其物理本質(zhì)。當所出現(xiàn)的物理現(xiàn)象出乎學生意料時，認知沖突將轉(zhuǎn)化為思維動力。

2.2 低成本物理實驗的設計過程

低成本材料除了有其生活用途外，都具有一定的物理特征，如導電性、導熱性、彈性、外觀形狀、特有功能等。全面分析這些材料的物理特性，可以有效的利用其物理特性來設計實驗方案。其設計過程如圖1 所示。

圖 1 低成本物理實驗設計過程

3 低成本實驗在物理教學中的應用示例

3.1 探究“不均勻物體的重心”（能側(cè)立的易拉罐）

在重心的新課教學中，大多數(shù)老師采用懸掛法來探究不均勻物體的重心。這樣的常規(guī)探究教學學生興趣不大，因此設計的實驗要能更好地激發(fā)學生的學習興趣，打破學生的認知。用生活中常見的易拉罐和水進行實驗，按照日常的生活經(jīng)驗，空的易拉罐是不可能側(cè)立在桌子上，往空的易拉罐注入適量的水，然后側(cè)立在桌子上，側(cè)立的易拉罐能在桌子上保持平衡，而不會倒下。由此讓學生產(chǎn)生好奇心，激發(fā)學生的學習興趣。

3.1.1 實驗現(xiàn)象描述

如圖2 所示，空的易拉罐能正常的靜止在桌面上，此時易拉罐處于平衡狀態(tài)。如圖3 所示空的易拉罐不能正常的側(cè)立在桌面上，此時易拉罐會往一邊倒，不能處于平衡狀態(tài)。如圖4 所示裝有一些水的易拉罐能側(cè)立在桌面上，此時易拉罐處于平衡狀態(tài)。

圖 2 空易拉罐 正常放置

圖 3 空的易拉罐 側(cè)立放置

圖 4 裝水的易拉罐 側(cè)立放置

3.1.2 實驗現(xiàn)象解釋

如圖2 所示，空的易拉罐放在桌子上時易拉罐的重心在易拉罐的幾何中心。此時桌面對易拉罐的支持力與它所受的重力是一對平衡力，滿足二力平衡的條件，因此易拉罐處于平衡狀態(tài)。如圖3 所示，把空的易拉罐側(cè)立在桌子上,此時易拉罐的重心不在其幾何中心。此時桌面對它的支持力和它所受的重力不在一條直線上，易拉罐就會失去平衡從而向一邊傾倒。如圖4 所示，往易拉罐里面加入一定量的水，就會導致整個易拉罐體系變成一個質(zhì)量分布不均勻的體系。把它側(cè)立起來，通過注入水的質(zhì)量來改變體系重心的位置，將重心的位置調(diào)節(jié)至與易拉罐底部接觸的支持力方向的位置，使其滿足二力平衡條件，從而實現(xiàn)側(cè)立的易拉罐不倒，此時易拉罐處于平衡狀態(tài)，靜止在桌面上。

3.1.3 實驗特點與作用

用易拉罐和水實驗，實驗器材易取，實驗成本低，還能實現(xiàn)資源循環(huán)利用。通過簡單的實驗裝置沖突了學生的生活經(jīng)驗，打破了學生的前認知，由此激發(fā)了學生的探究欲望和求知欲望。

3.1.4 教學建議

在進行不均勻物體重心的教學時，在學生不知情的情況下，老師把易拉罐側(cè)立在桌面上，學生必然會感到驚訝，看到的現(xiàn)象與日常生活經(jīng)驗產(chǎn)生沖突，從而會引發(fā)學生的思考：易拉罐為什么能側(cè)立在桌面上？學生產(chǎn)生好奇心，就有動手操作的欲望，就想自己動手把易拉罐側(cè)立起來。但是學生盲目動手很難把易拉罐側(cè)立起來，學生就會去思考，為什么老師能把它側(cè)立起來而他不能？這時老師再適當引導，學生就會知道易拉罐能側(cè)立起來完全是水的“功勞”，是水改變了易拉罐的質(zhì)量分布，從而導致體系的重心發(fā)生變化，調(diào)節(jié)水的質(zhì)量和傾斜的角度，使其滿足物體的平衡條件，易拉罐就能側(cè)立不倒。此時通過分組實驗的形式讓學生探究到底要多少水才能讓易拉罐側(cè)立在桌面上，以此來培養(yǎng)學生的科學探究能力。

3.2 觀察“失重現(xiàn)象”

“失重”的教學課堂上大多采用看圖進行理論分析的方法教學。為了讓學生更好的理解失重現(xiàn)象，加深學生對失重知識的理解，可以用廢棄礦泉水瓶和水即可進行實驗演示。取一個廢棄的礦泉水瓶在底部扎兩個小孔，用細線拴住礦泉水瓶的瓶頸，礦泉水瓶里面裝水且靜止的時候，會發(fā)現(xiàn)水從小孔里面流出；釋放礦泉水瓶讓其自由下落，在下落的過程中發(fā)現(xiàn)水不會從小孔流出，即演示了水的失重現(xiàn)象。

3.2.1 實驗現(xiàn)象描述

如圖5 所示，礦泉水瓶靜止在空中時，水從底部的兩個小孔流出。如圖6 所示當?shù)V泉水瓶自由下落時，底端的兩個小孔沒有水流出。

圖 5 體系處于靜止狀態(tài)時

圖 6 體系自由下落時

3.2.2 實驗現(xiàn)象解釋

如圖5 所示，瓶子靜止時，此時水對瓶壁有壓力，小孔內(nèi)外壓強不相等，所以水從小孔流出。如圖6 所示，當瓶子自由下落時，瓶子和水受重力作用加速下落，瓶和水都處于完全失重的狀態(tài)，此時水對瓶壁的壓力為零，瓶內(nèi)水層之間也沒有相互擠壓力，小孔的內(nèi)外壓強都等于大氣壓強，故水不會從小孔里流出。

3.2.3 實驗的特點與作用

本實驗制作簡單、方便攜帶、實驗現(xiàn)象直觀、趣味性強，但是實驗持續(xù)時間比較短，可以通過多次重復實驗以便學生能清楚觀察到實驗現(xiàn)象。加深學生對知識的理解。同時，通過實驗探究激發(fā)學生的求知欲，變“學會”為“會學”，體現(xiàn)學生在課堂教學的主體地位，培養(yǎng)學生的觀察能力和思維能力。

3.2.4 教學建議

在進行課堂教學時，如果單純進行理論講解很難激發(fā)學生的求知欲。用礦泉水瓶進行實驗能增加學習的趣味性。實驗操作簡單，在教學時直接演示，讓學生一下處于“受激”狀態(tài)，激發(fā)學生的好奇心。對教師提出的問題：“為什么在下落過程中水不會從小孔里流出？”學生就會去思考，此時再引導學生對整個體系進行分析并動手操作，培養(yǎng)學生的動手能力，提高學生的求知欲望。

3.3 驗證“慣性的大小與質(zhì)量的關(guān)系”

在牛頓第一定律教學中，探究慣性的大小與什么因素有關(guān)是本節(jié)的教學重點。“經(jīng)實驗研究和觀察表明質(zhì)量是唯一描述慣性的物理量”[4]，論文以礦泉水瓶、水、小車為實驗器材來探究慣性的大小與質(zhì)量的關(guān)系，把裝有水的礦泉水瓶固定在小車上會發(fā)現(xiàn)礦泉水瓶里有一個氣泡，此時輕輕用力向前推小車，觀察實驗現(xiàn)象，再進行總結(jié)分析，得出結(jié)果。

3.3.1 實驗現(xiàn)象描述

如圖7 所示，取一個礦泉水瓶，在礦泉水瓶里裝滿清水。把礦泉水瓶側(cè)著放在桌面上，里面會有一個氣泡，用手輕輕的向前推動小車，在剛開始的一瞬間發(fā)現(xiàn)氣泡相對于瓶子也會向前運動。

圖 7 裝置處于靜止狀態(tài)時

3.3.2 實驗現(xiàn)象解釋

如圖7 所示整個體系原來的狀態(tài)是靜止狀態(tài)，此時輕輕向前推小車，在推小車的瞬間，瓶子中的水由于要保持原來的靜止狀態(tài)，就會相對于瓶向后運動，在這一瞬間觀察到小氣泡相對于瓶子向前運動。也就是說水抵抗這種運動狀態(tài)改變的“本領(lǐng)”要大些，即水的慣性要大。氣泡抵抗這種運動狀態(tài)改變的“本領(lǐng)”要小些，即氣泡的慣性要小。所以物體的質(zhì)量越大，抵抗運動狀態(tài)改變的本領(lǐng)就越大，即慣性就越大；質(zhì)量越小，抵抗運動狀態(tài)改變的本領(lǐng)就越大，即慣性越小。

3.3.3 實驗的特點與作用

實驗的器材來源于生活，用物理實驗反應生活中的一些現(xiàn)象，體現(xiàn)了物理與生活的有機聯(lián)系。本實驗的現(xiàn)象十分明顯，通過直接觀察得出結(jié)論，在課堂上就能當場完成。體現(xiàn)了實驗的透明性和便捷性。通過這種隨堂小實驗可以有效地激發(fā)學生的學習興趣，為物理課堂增加了趣味性。

3.3.4 教學建議

實驗比較簡單，引導學生大膽的質(zhì)疑，并利用實驗來證明結(jié)論。首先要引導學生明確實驗目的，驗證質(zhì)量是描述慣性的物理量及它們之間的關(guān)系；其次，要讓學生理解慣性的含義；最后學生在老師的幫助下得出實驗方案。教師要引導學生對實驗現(xiàn)象進行分析，不要直接把結(jié)果告訴學生，要培養(yǎng)學生的自主歸納和總結(jié)能力，讓學生經(jīng)歷科學探究。通過營造高效有趣的課堂氛圍，引導學生思考，讓學生開心愉快地學習知識。

3.4 體驗“微小形變實驗”

在彈力的教學中，微小形變實驗是教學重點。教材的“演示實驗”中是采用光學放大法來研究微小形變的，論文則利用扁形的玻璃瓶來做實驗，這樣更能激發(fā)學生的好奇心。實驗把細玻璃管插入裝有紅墨水的扁形的玻璃瓶中，用力擠壓玻璃瓶會看到細玻璃管中的液柱上升或者下降，依此來判斷物體是否發(fā)生形變。

3.4.1 實驗現(xiàn)象描述

圖8 是儀器組裝好沒有壓縮時的狀態(tài)；圖9 是壓縮短軸方向時的實驗現(xiàn)象，此時液柱上升；圖10是壓縮長軸方向時的實驗現(xiàn)象，此時液柱下降。

3.4.2 實驗現(xiàn)象解釋

如圖8 所示，扁形玻璃瓶的底部橫截面是一個橢圓，在沒有壓縮時，細玻璃管中有一段液柱。如圖11 所示：擠壓橢圓短軸方向，在壓縮過程中橢圓的周長基本保持不變，短軸變短，長軸變長，根據(jù)橢圓的數(shù)學性質(zhì)此時橢圓的面積變小，在高度保持不變的情況下，扁形瓶的容積就會變小，所以細玻璃管中的液柱就會上升，實驗現(xiàn)象如圖9 所示；按圖12 所示擠壓橢圓長軸方向，此時短軸變長，長軸變短，根據(jù)橢圓的數(shù)學性質(zhì)橢圓的面積將變大，故扁形瓶的容積將變大，所以細玻璃管中的液柱就會下降，實驗現(xiàn)象如圖10 所示。通過細玻璃管中液柱的升降來判斷扁形玻璃瓶是否發(fā)生形變，從而演示了微小形變。

圖8 沒有壓縮時

圖9 壓縮短軸方向

圖10 壓縮長軸方向

圖 11 壓縮短軸方向

圖 12 壓縮長軸方向

3.4.3 實驗的特點與作用

本實驗的設計從學生的心理特點、知識層次、認知結(jié)構(gòu)等出發(fā)，層層深入，為學生解答疑問，對學生在實驗觀察和思維上的種種困惑，通過學生在生活中經(jīng)常接觸到的物體來為學生解答疑惑，使整個教學及實驗直觀簡明，形象生動。

3.4.4 教學建議

在彈力一節(jié)的教學中微小形變的演示是教學必不可缺的環(huán)節(jié)，要讓學生知道在力的作用下任何物體都能發(fā)生形變，同時，還可以生活中的小日常為例，如擠牙膏。牙膏的橫截面也可以近似看作是一個橢圓。學生都有擠牙膏的經(jīng)驗，知道擠牙膏是擠壓短軸，而牙膏擠多了擠壓長軸牙膏就會縮回去。老師也可用牙膏讓學生現(xiàn)場演示，當學生看到這個熟悉的現(xiàn)象之后，就會加深對微小形變的理解。

4 結(jié)論

在日常生活中處處有物理現(xiàn)象，只要善于觀察，勇于實踐，引導學生用身邊常見的物體來做物理小實驗，讓學生將理論的物理知識應用到實際生活中去，真正的體現(xiàn)課程標準提出的“從生活走向物理，從物理走向社會”[3]的理念。使物理實驗融入學生生活。

論文列舉的幾個實驗，只是低成本物理實驗中的一小部分。“低成本物理實驗的開發(fā)，雖然其經(jīng)濟成本低，但運用的技術(shù)不低，體現(xiàn)的價值不低。”[5]低成本物理實驗應用到物理課堂教學中，會使物理課堂教學達到很好的效果。