小教具大智慧，自制教具助力物理教學(xué)

北京四中房山分校 周繼東

物理學(xué)家麥克斯韋曾說：“實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值往往與儀器的復(fù)雜性成反比，用自制的儀器，雖然經(jīng)常出毛病，但它比仔細(xì)調(diào)好的儀器能使人學(xué)到更多的東西。”對此，本文探索了如何利用自制教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以提高學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)。

一、巧用自制教具，激發(fā)學(xué)生的內(nèi)在動(dòng)機(jī)，點(diǎn)燃學(xué)生學(xué)習(xí)的熱情

亞里士多德說過：“古往今來人們開始探索，都應(yīng)起源于對自然萬物的驚異。”學(xué)生在探索自然萬物的過程中，若看到一個(gè)很奇異的物理現(xiàn)象時(shí)，就能瞬時(shí)激發(fā)內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，點(diǎn)燃深度學(xué)習(xí)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(jié)，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(gè)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(huì)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(shí)驗(yàn)。（圖2）

圖2

簡單的小教具演示神奇的物理現(xiàn)象，點(diǎn)燃了學(xué)生學(xué)習(xí)電學(xué)的熱情。

二、巧用自制教具，可以把抽象的知識(shí)形象化，有效地突破教學(xué)難點(diǎn)

自制教具對于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，解決教學(xué)難點(diǎn)等的優(yōu)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(jié)約講課時(shí)間，可以把抽象的知識(shí)形象化，減輕學(xué)生學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，有效地突破教學(xué)難點(diǎn)，提高教學(xué)效率。

例如：發(fā)光的滑動(dòng)變阻器

九年級物理“變阻器”一節(jié)中，有兩個(gè)難點(diǎn)，一是滑動(dòng)變阻器的接法（一上一下），判斷滑動(dòng)變阻器哪部分電阻絲被接入電路中了（下柱當(dāng)家）。關(guān)鍵是弄清電流經(jīng)過變阻器的哪一段線圈；二是判斷滑動(dòng)變阻器滑片位置變化，引起的接入電阻變化情況（近小遠(yuǎn)大）。

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

制作：將10 個(gè)3.8V 的小燈泡用銅導(dǎo)線串聯(lián)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(jīng)過部分，小燈泡就會(huì)發(fā)光。（圖3）上接線柱接法保持不變，改接不同的下接線柱，滑動(dòng)變阻器接入電阻也隨之改變，很好地演繹了“下柱當(dāng)家”的原則。隨著滑片位置的變化，接入電阻隨之也發(fā)生變化（近小遠(yuǎn)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(xué)生誤認(rèn)為電流會(huì)經(jīng)過變阻器滑片右邊的一段，由于學(xué)生剛學(xué)習(xí)電學(xué)知識(shí)，教師對于這一問題不容易講清楚。如果用“發(fā)光變阻器”在課堂上演示就能化繁為簡，提高課堂教學(xué)效果。

三、運(yùn)用自制教具不僅可以彌補(bǔ)教學(xué)儀器的不足，還可以獲得直觀的效果，優(yōu)化課堂教學(xué)

自制教具可實(shí)現(xiàn)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(chuàng)造條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。著名物理教育家朱正元教授曾說過“壇壇罐罐當(dāng)儀器，拼拼湊湊做實(shí)驗(yàn)”。這就是說，在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中要大力倡導(dǎo)自制教具。

例如，講導(dǎo)體和絕緣體沒有絕對界限，玻璃在常溫下不導(dǎo)電，在高溫下卻變成了導(dǎo)體，沒有現(xiàn)成的教學(xué)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(lián)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(fā)紅的過程中，觀察電路中另一盞白熾燈發(fā)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(lián)的另一盞白熾燈是不發(fā)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(fā)紅的過程中，發(fā)現(xiàn)與之串聯(lián)的白熾燈慢慢發(fā)光了，而且越來越亮。（圖6）白熾燈發(fā)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(dǎo)電的玻璃，在高溫下卻變成了導(dǎo)體。

圖5

圖6

實(shí)驗(yàn)非常直觀地反映了導(dǎo)體和絕緣體沒有絕對界限這一關(guān)系，此教具既解決了實(shí)驗(yàn)器材不足問題，又獲得了直觀的效果，最終達(dá)到了優(yōu)化課堂教學(xué)的目的。

就這個(gè)實(shí)驗(yàn)有人提出問題：第一火焰可以導(dǎo)電，怎么證明是玻璃芯柱導(dǎo)電，而不是火焰在導(dǎo)電？第二，酒精在燃燒時(shí)，會(huì)在玻璃芯柱表面產(chǎn)生積碳，碳也可以導(dǎo)電。怎么證明是玻璃芯柱在導(dǎo)電，而不是積碳在導(dǎo)電？

就以上兩個(gè)問題，我們可以通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。移走酒精燈，燈泡照樣發(fā)光，說明不是火焰在導(dǎo)電，是玻璃芯柱在導(dǎo)電。過一段時(shí)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(dǎo)電，而是受熱的玻璃芯柱在導(dǎo)電。

四、從生活到物理，從物理到社會(huì)，自制教具助力物理教學(xué)

隨著中高考改革的不斷深入，新的中高考要求物理教學(xué)改革要不斷深入，教材內(nèi)容不斷更新，課程設(shè)計(jì)更加貼近學(xué)生日常生活，“從生活到物理，從物理到社會(huì)”的課程思想落實(shí)更加深入，教師在引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究時(shí)，對實(shí)驗(yàn)器材要求也要更加日常化、更加接地氣。

物理源于生活，服務(wù)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(shí)物，創(chuàng)設(shè)情景，助力課堂教學(xué)。復(fù)雜問題簡單化、復(fù)雜情景可視化，物理知識(shí)活學(xué)活用。

材 料： 亞 克 力 板、 電 阻 絲（10Ω）、 滑 動(dòng) 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(jié)）。

制作：將定值電阻、滑動(dòng)變阻器組成的串聯(lián)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(gè)簡易杠桿。杠桿一端接上一個(gè)用硬銅絲做成的滑片與滑動(dòng)變阻器（已除去原有滑片）相連；杠桿另一端接上一個(gè)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(dāng)油量表的表盤，按圖組裝電路，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖7

五、做教具、開發(fā)實(shí)驗(yàn)的過程，是教師學(xué)習(xí)的過程、專業(yè)成長的過程

中國科技館的“探索與發(fā)現(xiàn)”A廳中有一個(gè)電磁感應(yīng)擺，甲、乙兩線圈分別被懸掛在兩個(gè)蹄形磁體的磁場中，兩線圈通過導(dǎo)線連接在一起并構(gòu)成一個(gè)閉合的回路，用手使甲線圈在磁場中擺動(dòng)時(shí)，乙線圈也會(huì)隨之?dāng)[動(dòng)起來。科技館的展品看上去很神秘，其實(shí)我們可以利用身邊的物品來復(fù)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(shí)驗(yàn)1：兩個(gè)相同的磁鐵，相同的線圈，線圈兩端開路。把兩個(gè)線圈用導(dǎo)線連接起來（內(nèi)接內(nèi)、外接外），拉起第一個(gè)線圈，釋放，第二個(gè)線圈也跟著擺動(dòng)。發(fā)電機(jī)（第一個(gè)線圈）和電動(dòng)機(jī)（第二個(gè)線圈）。拉起第二個(gè)線圈，釋放，第一個(gè)線圈也跟著擺動(dòng)。發(fā)電機(jī)（第二個(gè)線圈）和電動(dòng)機(jī)（第一個(gè)線圈）。

圖8

實(shí)驗(yàn)2：兩個(gè)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(dòng)一段時(shí)間才能停止。將其中一個(gè)線圈用導(dǎo)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(chǎn)生感應(yīng)電流，磁場對感應(yīng)電流有力的作用，這個(gè)力阻礙了線圈的運(yùn)動(dòng)。

圖9

實(shí)驗(yàn)3：兩個(gè)相同的磁鐵，相同的線圈，線圈兩端開路。把兩個(gè)線圈用導(dǎo)線連接起來（內(nèi)接內(nèi)、外接外），拉起第一個(gè)線圈，釋放，第二個(gè)線圈也跟著擺動(dòng)。理由：第一個(gè)線圈切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電流，電流通過導(dǎo)線送到第二個(gè)線圈。磁場對第二個(gè)線圈中的電流有力的作用，驅(qū)動(dòng)第二個(gè)線圈擺動(dòng)。

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

實(shí)驗(yàn)4：兩個(gè)相同的磁鐵，相同的線圈，線圈兩端開路。把兩個(gè)線圈用導(dǎo)線連接起來（內(nèi)接內(nèi)、外接外），拉起第一個(gè)線圈，釋放，第二個(gè)線圈也跟著擺動(dòng)。發(fā)現(xiàn)：兩個(gè)線圈的步調(diào)相反，怎樣讓步調(diào)相同呢？我們把第二個(gè)磁鐵的磁極方向改變。拉起第一個(gè)線圈，釋放，兩個(gè)線圈同步擺動(dòng)。說明，所受磁場力的方向與與磁感線的方向有關(guān)。

實(shí)驗(yàn)5：兩個(gè)相同的磁鐵，相同的線圈，線圈兩端開路。把兩個(gè)線圈用導(dǎo)線連接起來（內(nèi)接內(nèi)、外接外），拉起第一個(gè)線圈，釋放，第二個(gè)線圈也跟著擺動(dòng)。如果，我們不動(dòng)第一個(gè)線圈，拉動(dòng)磁鐵，會(huì)看到第二個(gè)線圈也會(huì)跟著動(dòng)起來。說明，在這種情況下，只要線圈跟磁鐵之間有相對運(yùn)動(dòng)，線圈就會(huì)切割磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電流。

實(shí)驗(yàn)6：兩個(gè)相同的磁鐵，相同的線圈，線圈兩端開路。把兩個(gè)線圈用導(dǎo)線連接起來（內(nèi)接內(nèi)、外接外），拉起第一個(gè)線圈，釋放，第二個(gè)線圈也跟著擺動(dòng)。怎么讓第二個(gè)線圈擺動(dòng)幅度更大呢？有人說，讓第一個(gè)線圈振動(dòng)更快，第二個(gè)線圈振動(dòng)幅度就可以增加。我們不妨一試，第一個(gè)線圈擺動(dòng)頻率很高，第二個(gè)線圈的擺幅并不大；當(dāng)?shù)谝粋€(gè)線圈擺動(dòng)頻率低一點(diǎn)，第二個(gè)線圈的擺幅也不大。怎么辦呢？讓第一個(gè)線圈的擺動(dòng)頻率和第二個(gè)線圈的固有頻率相等，就可以了。這就是機(jī)械共振。

實(shí)驗(yàn)7：兩個(gè)相同的磁鐵，相同的線圈，線圈兩端開路，兩個(gè)線圈用導(dǎo)線連接起來（內(nèi)接內(nèi)、外接外）。如果將兩個(gè)線圈同時(shí)拉起又同時(shí)釋放，結(jié)果會(huì)怎樣？我們看現(xiàn)象。我們看到兩個(gè)線圈同步擺動(dòng)，而且很快停了下來。原因是我們假設(shè)第一個(gè)線圈此時(shí)電流方向向右，同樣第二個(gè)線圈的電流方向也向右。兩個(gè)電流在這個(gè)回路當(dāng)中方向相同，兩個(gè)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(gè)線圈一個(gè)向里一個(gè)向外同時(shí)拉起，同時(shí)釋放，情況又會(huì)怎樣呢？我們看現(xiàn)象。我們看到兩個(gè)線圈異步擺動(dòng)，而且擺動(dòng)時(shí)間比較長，什么原因呢？

我們假設(shè)第一個(gè)線圈某刻電流方向向右，同樣第二個(gè)線圈的電流方向必定向左，兩個(gè)電流在這個(gè)回路當(dāng)中方向相反。實(shí)際上，兩個(gè)線圈中根本沒有電流，就如同兩個(gè)電池正極對正極這樣連接一樣，不可能有電流，所以兩個(gè)線圈都不受阻尼作用，擺動(dòng)的時(shí)間比較長。簡單的一個(gè)教具，可以做如此多的實(shí)驗(yàn)，真的叫人沉醉于其中。做教具不僅可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣、優(yōu)化課堂提高效率，而且重要的一點(diǎn)是，做教具、開發(fā)實(shí)驗(yàn)的過程，也是教師學(xué)習(xí)的過程、專業(yè)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(fā)明工具、制造工具、運(yùn)用工具”“教育有無創(chuàng)造力，也只需要看他能否發(fā)明人生新工具或新人生工具”。教師只要針對學(xué)生實(shí)際，慧眼巧手，敢于創(chuàng)新制作使用教具，或?qū)σ延薪叹哌M(jìn)行改進(jìn)、完善，就一定能化腐朽為神奇，讓普通的教具達(dá)到驚艷的效果。