小教具大智慧，自制教具助力物理教學

北京四中房山分校 周繼東

物理學家麥克斯韋曾說：“實驗的教育價值往往與儀器的復雜性成反比，用自制的儀器，雖然經常出毛病，但它比仔細調好的儀器能使人學到更多的東西。”對此，本文探索了如何利用自制教具進行實驗，以提高學生的物理學科素養。

一、巧用自制教具，激發學生的內在動機，點燃學生學習的熱情

亞里士多德說過：“古往今來人們開始探索，都應起源于對自然萬物的驚異。”學生在探索自然萬物的過程中，若看到一個很奇異的物理現象時，就能瞬時激發內在學習動機，點燃深度學習的熱情。

例：靜電菊花

材 料： 塑 料 帶（L=350mm），PVC 管（φ=100mm 、L=800mm），毛皮。

制作：剪下一段塑料帶，末端打結，再把塑料帶撕開，做成菊花的造型。

用法：第一，將“菊花”平放在桌子上，用毛皮朝一個方向摩擦“菊花”。然后用毛皮來回摩擦PVC 管，聽到有噼里啪啦的聲音后，停止摩擦。將“菊花”往上拋，再將PVC 管放在“菊花”下方，“菊花”便會在空中自由綻放了（圖1）。

圖1

第二，利用“菊花”還可以模擬電荷間相互作用的實驗。（圖2）

圖2

簡單的小教具演示神奇的物理現象，點燃了學生學習電學的熱情。

二、巧用自制教具，可以把抽象的知識形象化，有效地突破教學難點

自制教具對于激發學生學習興趣，解決教學難點等的優勢是教師通過語言講解所無法比擬的。教師通過教具演示可節約講課時間，可以把抽象的知識形象化，減輕學生學習負擔，有效地突破教學難點，提高教學效率。

例如：發光的滑動變阻器

九年級物理“變阻器”一節中，有兩個難點，一是滑動變阻器的接法（一上一下），判斷滑動變阻器哪部分電阻絲被接入電路中了（下柱當家）。關鍵是弄清電流經過變阻器的哪一段線圈；二是判斷滑動變阻器滑片位置變化，引起的接入電阻變化情況（近小遠大）。

材料：亞克力板、3.8V 的小燈泡（10 個）、漆包線（φ=0.6mm）、小燈座、滑片、金屬桿、18650 電池（兩節）。

制作：將10 個3.8V 的小燈泡用銅導線串聯起來，代替原來的電阻線圈，繞在亞克力板上，安上橫梁和滑片。

用法：把此變阻器接入電路中，有電流經過部分，小燈泡就會發光。（圖3）上接線柱接法保持不變，改接不同的下接線柱，滑動變阻器接入電阻也隨之改變，很好地演繹了“下柱當家”的原則。隨著滑片位置的變化，接入電阻隨之也發生變化（近小遠大），若燈泡亮度變暗，表示電流減小（圖4），這樣就非常容易判斷電阻的變化和電流的變化。

圖3

圖4

在這之前，有些學生誤認為電流會經過變阻器滑片右邊的一段，由于學生剛學習電學知識，教師對于這一問題不容易講清楚。如果用“發光變阻器”在課堂上演示就能化繁為簡，提高課堂教學效果。

三、運用自制教具不僅可以彌補教學儀器的不足，還可以獲得直觀的效果，優化課堂教學

自制教具可實現變“廢”為“寶”。利用生活中的一些廢棄物如小鐵絲、廢鐵片、廢燈泡、木材下腳料等，制作出各種各樣的教具，即就地取材、修舊利廢、因陋就簡，創造條件進行實驗教學。著名物理教育家朱正元教授曾說過“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”。這就是說，在物理實驗教學中要大力倡導自制教具。

例如，講導體和絕緣體沒有絕對界限，玻璃在常溫下不導電，在高溫下卻變成了導體，沒有現成的教學儀器。可利用一盞鎢絲斷了的廢舊白熾燈泡和一盞白熾燈組成串聯電路，用酒精燈給除去玻璃燈罩和鎢絲的廢舊白熾燈的玻璃芯柱加熱。在玻璃芯柱溫度不斷升高而發紅的過程中，觀察電路中另一盞白熾燈發光情況的變化。

未加熱前，接通電源，由于廢舊白熾燈燈絲斷了，造成電路斷路，所以與之串聯的另一盞白熾燈是不發光的。（圖5）用酒精燈給廢舊白熾燈的玻璃芯柱加熱，在玻璃芯柱溫度不斷升高而發紅的過程中，發現與之串聯的白熾燈慢慢發光了，而且越來越亮。（圖6）白熾燈發光情況的變化，說明了電路由斷路變成了通路，原本常溫下不導電的玻璃，在高溫下卻變成了導體。

圖5

圖6

實驗非常直觀地反映了導體和絕緣體沒有絕對界限這一關系，此教具既解決了實驗器材不足問題，又獲得了直觀的效果，最終達到了優化課堂教學的目的。

就這個實驗有人提出問題：第一火焰可以導電，怎么證明是玻璃芯柱導電，而不是火焰在導電？第二，酒精在燃燒時，會在玻璃芯柱表面產生積碳，碳也可以導電。怎么證明是玻璃芯柱在導電，而不是積碳在導電？

就以上兩個問題，我們可以通過實驗來驗證。移走酒精燈，燈泡照樣發光，說明不是火焰在導電，是玻璃芯柱在導電。過一段時間，玻璃芯柱的溫度降低，燈泡的亮度減小，這就證明不是積碳在導電，而是受熱的玻璃芯柱在導電。

四、從生活到物理，從物理到社會，自制教具助力物理教學

隨著中高考改革的不斷深入，新的中高考要求物理教學改革要不斷深入，教材內容不斷更新，課程設計更加貼近學生日常生活，“從生活到物理，從物理到社會”的課程思想落實更加深入，教師在引領學生進行科學探究時，對實驗器材要求也要更加日常化、更加接地氣。

物理源于生活，服務于生活。模擬汽車油量表的教具，源于生活中的一道物理題。自制教具模擬實物，創設情景，助力課堂教學。復雜問題簡單化、復雜情景可視化，物理知識活學活用。

材 料： 亞 克 力 板、 電 阻 絲（10Ω）、 滑 動 變 阻 器（50Ω）、 透明盛液桶（4000ml）、海洋球、水龍頭、漆包線（φ=0.6mm）、PVC管（φ=20mm、L=500mm）、 木條（20mm×20mm×300mm）、木板（200mm×100mm×20mm）、長木板（800mm×200mm×10mm）、硬銅絲（φ=3mm、L=100mm）、硬塑料管（φ=5mm、L=300mm）、18650 電池（2 節）。

制作：將定值電阻、滑動變阻器組成的串聯電路固定在亞克力板上，組成油量表的基本電路部分。用木條、木板組合成T 形支架，將PVC 管固定在支架上，做成一個簡易杠桿。杠桿一端接上一個用硬銅絲做成的滑片與滑動變阻器（已除去原有滑片）相連；杠桿另一端接上一個用硬塑料管和海洋球組成的浮漂。透明盛液桶距底部5cm 處打孔，安上水龍頭做成油箱。最后，將T 形支架和油量表的基本電路部分固定在長木板上。

用法：如圖7 所示，可用電流表和電壓表分別充當油量表的表盤，按圖組裝電路，進行實驗。

圖7

五、做教具、開發實驗的過程，是教師學習的過程、專業成長的過程

中國科技館的“探索與發現”A廳中有一個電磁感應擺，甲、乙兩線圈分別被懸掛在兩個蹄形磁體的磁場中，兩線圈通過導線連接在一起并構成一個閉合的回路，用手使甲線圈在磁場中擺動時，乙線圈也會隨之擺動起來。科技館的展品看上去很神秘，其實我們可以利用身邊的物品來復制，解開展品中的奧秘。

材料：長木條（20mm×20mm×300mm）、短 木 條（20mm×20mm×200mm）、長木板、方向線框（3D打印）、漆包線。

實驗1：兩個相同的磁鐵，相同的線圈，線圈兩端開路。把兩個線圈用導線連接起來（內接內、外接外），拉起第一個線圈，釋放，第二個線圈也跟著擺動。發電機（第一個線圈）和電動機（第二個線圈）。拉起第二個線圈，釋放，第一個線圈也跟著擺動。發電機（第二個線圈）和電動機（第一個線圈）。

圖8

實驗2：兩個相同的磁鐵，相同的線圈，線圈兩端開路。將線圈拉開相同的角度，由靜止釋放，線圈要擺動一段時間才能停止。將其中一個線圈用導線短路。拉開相同的角度，由靜止釋放，被短路的線圈很快停了下來。理由：線圈切割磁感線，產生感應電流，磁場對感應電流有力的作用，這個力阻礙了線圈的運動。

圖9

實驗3：兩個相同的磁鐵，相同的線圈，線圈兩端開路。把兩個線圈用導線連接起來（內接內、外接外），拉起第一個線圈，釋放，第二個線圈也跟著擺動。理由：第一個線圈切割磁感線產生感應電流，電流通過導線送到第二個線圈。磁場對第二個線圈中的電流有力的作用，驅動第二個線圈擺動。

注意觀察這兩個線圈是異步的，怎么變成同步呢？把第二個線圈的兩個接線柱調換一下（內接外、外接內）。拉開第一個線圈，釋放，兩個線圈同步。可以說明，所受磁場力的方向與電流的方向有關。

實驗4：兩個相同的磁鐵，相同的線圈，線圈兩端開路。把兩個線圈用導線連接起來（內接內、外接外），拉起第一個線圈，釋放，第二個線圈也跟著擺動。發現：兩個線圈的步調相反，怎樣讓步調相同呢？我們把第二個磁鐵的磁極方向改變。拉起第一個線圈，釋放，兩個線圈同步擺動。說明，所受磁場力的方向與與磁感線的方向有關。

實驗5：兩個相同的磁鐵，相同的線圈，線圈兩端開路。把兩個線圈用導線連接起來（內接內、外接外），拉起第一個線圈，釋放，第二個線圈也跟著擺動。如果，我們不動第一個線圈，拉動磁鐵，會看到第二個線圈也會跟著動起來。說明，在這種情況下，只要線圈跟磁鐵之間有相對運動，線圈就會切割磁感線，產生感應電流。

實驗6：兩個相同的磁鐵，相同的線圈，線圈兩端開路。把兩個線圈用導線連接起來（內接內、外接外），拉起第一個線圈，釋放，第二個線圈也跟著擺動。怎么讓第二個線圈擺動幅度更大呢？有人說，讓第一個線圈振動更快，第二個線圈振動幅度就可以增加。我們不妨一試，第一個線圈擺動頻率很高，第二個線圈的擺幅并不大；當第一個線圈擺動頻率低一點，第二個線圈的擺幅也不大。怎么辦呢？讓第一個線圈的擺動頻率和第二個線圈的固有頻率相等，就可以了。這就是機械共振。

實驗7：兩個相同的磁鐵，相同的線圈，線圈兩端開路，兩個線圈用導線連接起來（內接內、外接外）。如果將兩個線圈同時拉起又同時釋放，結果會怎樣？我們看現象。我們看到兩個線圈同步擺動，而且很快停了下來。原因是我們假設第一個線圈此時電流方向向右，同樣第二個線圈的電流方向也向右。兩個電流在這個回路當中方向相同，兩個線圈都受到磁體的阻尼作用，所以很快就停下來。如果將兩個線圈一個向里一個向外同時拉起，同時釋放，情況又會怎樣呢？我們看現象。我們看到兩個線圈異步擺動，而且擺動時間比較長，什么原因呢？

我們假設第一個線圈某刻電流方向向右，同樣第二個線圈的電流方向必定向左，兩個電流在這個回路當中方向相反。實際上，兩個線圈中根本沒有電流，就如同兩個電池正極對正極這樣連接一樣，不可能有電流，所以兩個線圈都不受阻尼作用，擺動的時間比較長。簡單的一個教具，可以做如此多的實驗，真的叫人沉醉于其中。做教具不僅可以提高學生學習的興趣、優化課堂提高效率，而且重要的一點是，做教具、開發實驗的過程，也是教師學習的過程、專業成長的過程。

陶行知先生在生活教育理論中指出，教育要“教人發明工具、制造工具、運用工具”“教育有無創造力，也只需要看他能否發明人生新工具或新人生工具”。教師只要針對學生實際，慧眼巧手，敢于創新制作使用教具，或對已有教具進行改進、完善，就一定能化腐朽為神奇，讓普通的教具達到驚艷的效果。