高中物理低成本實驗器材的創新研究與應用

■煙臺市牟平育英藝術中學 任麗媛

高中物理是培養學生綜合素質的重要組成部分，是提高學生科學素養的基礎，是國家創新人才戰略形成的關鍵。根據高中物理課程標準，要求學生掌握現代科學技術和符合社會時代發展的物理知識，培養學生的實驗技能、思維和解決問題的能力，這些能力都要從實際的物理實驗操作獲得。物理實驗的實施一定離不開實驗器材，但是在當前學校中，實驗器材過于陳舊，遠遠不能滿足教師和學生的實際學習需求，所以教師應另辟蹊徑，研究簡單、易于操作、成本低廉的實驗器材。因此，為適應課程的發展和滿足課程創新的需求，開發低成本實驗器材至關重要。本研究分析了當前高中物理教學過程中的缺陷與原因，探索了低成本實驗器材的應用價值，為研究創新型的低成本實驗器材提供思路，為一線教師的教學提供建設性的參考。

一、當前高中物理教學過程中的缺陷與原因

物理課是以探究、實驗為主要活動的課程。在物理課上，通過一系列實驗操作，不僅能開闊學生的視野，還能有效提高學生科學素養和技能。但是目前學校在實驗技能的培養上，還有些放不開手腳。在實際高中物理教學中，關于實驗的實際操作較少，一些實驗的理念、過程和結果都通過教師口頭傳述，并且大部分都由教師在黑板上或者多媒體課件上演示，學生只能“聽”或“看”實驗，并不能真實地感受實驗所帶來的魅力。造成當前高中物理教學缺陷的原因有以下幾個方面。首先，對學校來說，在實驗室建設方面投入的資金較少，實驗室設備不健全，儀器老化、材料短缺、年久失修，造成物理實驗的資源稀缺，使部分物理實驗不能照常進行，盡管部分實驗能做，也因為課時有限、教師課程規劃不合理而沒有辦法完成。其次，在應試教育模式下，物理教師只注重學生的成績，缺乏對學生綜合素質的培養，只重視理論知識的教導，不重視物理實驗的展示，他們認為在課上講實驗比做實驗所帶來的學習效果更好。最后，對教師來說，要想在課堂呈現完美的實驗，要在課下認真挑選器材、熟悉實驗步驟和過程，不僅要花費很長的時間，還要教師付出腦力和體力勞動。但是實驗器材不足，教師想要在課上展示實驗，也沒有辦法進行，所以提倡教師運用生活中的物品，采取低成本實驗器材，邀請學生共同參與課上進行物理實驗研究，提高物理課堂的教學質量。

二、低成本實驗器材的應用價值

低成本實驗器材是運用廉價或者常見的玩具、物品、科技材料而制作的器材，但是卻能以最簡單的方式滿足學生對實驗的需求，使學生直觀地了解到實驗的整個流程，提高學生的學習效率。由于其材料的易獲取性和普遍性，所以低成本實驗器材開放性很高，有著非常廣泛的開發空間，在教學過程中應用價值也極大。

（一）材料獲取方便，效率高

低成本實驗器材最重要的特點就是方便獲取、價格便宜、簡單制作，雖然其原本的價值較低，但是通過制作后，其所帶來的應用價值卻極高。首先，制作低成本實驗器材的材料大多數是來自生活中常見的物件，在學生的認知范圍之內，價格低、易獲取，有利于物理實驗的大范圍展開。其次，使用低成本實驗器材，能提高效率。再次，教師不用過分關注于實驗器材短缺這一問題，而是可以花較少的時間就地取材，選取簡單的生活用品來制作實驗器材，提高教師的備課效率。最后，教師可以在課堂上指導學生制作簡易的實驗器材，使學生熟悉實驗器材的操作，深刻地掌握實驗理念和步驟，提高學生學習效率。

（二）激發學生學習興趣

興趣是學習的啟發者，是保證教學效率的重要前提。在物理教學過程中，相比教師刻板的理論知識輸入和公式推導，生動、形象的物理實驗更能吸引學生的注意。所以，在課程進行之前，先用一個有趣的低成本實驗來導入，吸引學生的注意力，提升學生的學習熱情和探究欲望。在講解電磁感應現象時，教師可以用兩塊相同的強磁鐵，一個塑料管和一個鋁管（兩個管的粗細、長短也相同）做一個有趣的小實驗。豎直固定兩個管，將兩個強磁鐵同時在兩個管內自由釋放，我們可以發現，塑料管內的磁鐵先落下，而鋁管內的磁鐵稍慢一些。之后教師提出問題“為什么鋁管內的磁鐵下落較慢？”，吸引學生進行關注、思考，再解釋其原因，由于磁鐵的下落，在鋁管中產生了感應環形電流，而這個電流產生的磁場將會影響磁鐵的下落，這就是電磁感應現象。這種簡單的實驗可以激發好奇心，引導學生的探究意識，而且整套實驗器材幾乎不花錢，還可以重復利用、節約資源。

（三）提升學生的創新思維

低成本實驗器材是以學生的思維發展為基礎，符合學生認知水平，方便學生制作和使用。但是在其制作過程中，并不是將生活用品簡單的組合，而是要靠學生的想象力和創造力，對原有的實驗材料進行改裝，制作成簡易版的實驗。這樣既保證了低成本實驗制作的開放性，又為學生創設了一個基礎的實驗器具創新平臺，提供了更多的實踐機會，對學生的創新思維、實踐能力的提升產生了積極影響。除此之外，學生在制作實驗材料之前，必須以保證實驗效果和理解實驗理念為前提，這樣使學生深刻掌握了課程目標和物理實驗規律，為學生的深遠發展打下了基礎。

（四）動手參與，直觀生動

物理是一門與生活緊密聯系的學科，所以將物理實驗聯系到實際生活，讓學生運用常見中的素材，直接參與制作低成本的實驗器材，不僅能提高學生的主動意識，還能有效降低學生學習物理知識的難度，提高課堂學習效果。同時，實驗器材源于現實生活，價格低、方便制作，教師不用過于擔心實驗器材的損壞，而且對接受能力較慢的學生，還可以重復使用，直到深刻理解實驗規律，掌握實驗結果。

學生動手參與到低成本實驗器材的制作中，不僅能直觀、生動地觀察到實驗的發展過程和物理規律，還能獲得大量的感性知識，促進物理知識與實際生活的認知相融合，為建構新知識作鋪墊。此外，學生對自己親身制作的實驗器材，有親近感，能摒除探究物理實驗的恐懼心理，豐富物理課堂的學習內容。而且直觀觀察物理實驗，能對學生未來的自主實驗起到促進作用。

（五）有利于培養科學素養

為了提升國家科技競爭力，滿足國家科技發展的需求，提高公民的科學素養，必須對物理教學進行改革創新，因為物理課程教學的標準是使學生掌握符合社會發展的基礎物理知識和實驗技能，培養學生的科學素養，提升學生的應用能力。物理實驗所要求知識、操作和應用是科學探究和綜合能力的必備元素，也是科學素養的重要組成部分。因此，必須把實驗操作作為高中物理課程的重要活動，實驗必然離不開器材，而低成本實驗器材的制作更強調實驗操作、物理知識的運用和創新意識，更有利于培訓學生的科學素養。同時，低成本實驗更貼近于社會生活，能使學生感受到科學技術對社會發展所起到的積極影響，提高學生學習物理的動力。

三、制作高中物理低成本實驗器材的創新方法

（一）利用替代法，用低成本材料進行模仿

利用已有的材料對原實驗器材進行仿制，是制作實驗器材最常用的一種方法。在高中實驗室內，存放著不少精美制作的實驗儀器，有著特定的用途和理念，所以可以根據所需的實驗器材的設計原理和該器材的應用需求，利用一些低成本材料進行模仿，制作出簡易版的實驗儀器。

在物理課上，一個精致的慣性演示器包括底座、彈片、立柱、鋼片和鋼球幾個部分。在底座上固定彈片和立柱兩部分，再將鋼片和鋼球放在立柱上。在固定住底座和立柱情況下，將彈片撥動到一定的角度，迅速有效的彈走鋼片，在保證彈片不打到鋼球的情況下，就能使鋼球保持其原有的慣性而不移動。

在了解了慣性演示器的設計原理后，就可以利用生活中常見的材料設計出一個簡便的慣性演示器。需要一個裝滿水的礦泉水瓶和一張堅韌的紙片，將礦泉水瓶放在紙片上，水瓶底完整的壓在紙片的邊緣部分，用手迅速抽走紙張，就能看到水瓶由于自身的慣性而停留在原位置，這便是低成本的物理實驗。每一個學生都能操作，親身體會物理實驗的原理，不僅能提高到物理課的趣味性，還能豐富物理知識體系。

（二）利用設計法，根據實驗目的設計實驗

如果缺乏現有的實驗器材做參考，那就只有按照原本的實驗目的，設計一個新的物理實驗。那么如何在保證低成本的情況下設計一個創新性的實驗呢？這就要包括以下幾個方面：材料便宜且容易制作；與學生的實際生活聯系密切；激起學生的學習興趣；拓展學生的創新意識；促進物理知識的學習等。

例如，在學習“超重與失重”這一章節時，教師首先設計一個實驗來引入，這個實驗叫“書里的大力士”，選取兩本大小、厚度類似的兩本書相對而放，將部分書頁疊到一起，然后合起來。首先讓力氣比較大的男生來挑戰，兩只手分別捏住書脊向外拉，會發現很難分開兩本書。再邀請一位力氣較小的女生，在她捏住書脊向外拉的同時，教師提醒她上下拉動，這時很容易地分開了兩本書。這種簡易的實驗器材，全班學生都可以動手制作，讓每一個學生都切實感受兩種情況下的結果，同時對比這兩種實驗結果，引發學生的思考和探究。接下來，引入課程內容，在學生了解了失重和超重的基礎知識后，再回到這個實驗上，詳細地解釋在書本向下運動時處于失重狀態，而這時是不存在摩擦力的，所以能很輕松地分開兩本書。

（三）利用常見的小器具，制作低成本實驗器材

其一，利用生活中的小玩具。生活中的小玩具大都是科學的產物，其整體都符合物理規律，體現著科學的理念。除此之外，玩具擁有美麗的外表，獨特的設計，能激發學生的興趣，吸引學生的注意力，使學生在愉快的氛圍中學習知識。如果教師能將玩具應用到低成本實驗中，利用其有趣的特點來開展物理實驗、講述物理原理，能提升學生的學習熱情，調動課堂積極的氛圍，做到真正的寓學于樂。在學習摩擦力能使車子前進這一內容時，可以借助生活的遙控汽車來進行實驗，用六根鉛筆、一片硬紙板和一輛玩具汽車作為實驗器材。先將六根鉛筆間隔有序地排列在硬紙板下面，將遙控汽車放在硬紙板上面，用遙控控制汽車向前制動，這時就會發現硬紙板在向后移動。再引導學生對硬紙板進行受力分析，采用牛頓第三定律分析車輪的受力，就能發現汽車前進的動力是摩擦力。

其二，利用實驗室的小器械。學校的物理實驗室里肯定會有一些比較基礎的實驗器材，比如木板、小車、音叉和秤砣等，當教師無法保證每一個學生都能在實驗室進行實驗時，可以利用實驗室基礎的儀器、設備，設計出簡便的低成本物理實驗帶到課堂上，讓學生真實、清楚地觀察實驗過程，貫徹從生活走向物理的課程理念。在學習振動發聲時，讓學生用手摸自己的聲帶，說話時聲帶會發生振動，那么其他物體發出聲音時是不是也會振動呢？這時，教師拿出實驗室的音叉和一根穿了線的乒乓球，拿橡皮錘敲打音叉，使其發出聲音，然后手提起細線，將乒乓球懸掛在空中，接近于發出聲音的音叉，然后就會看到乒乓球在接近音叉的位置振動，這就說明音叉在發出聲音時，也會振動，振動是物體的發聲方式。采用這種客觀物理實驗可以簡單、直觀地了解物理實驗原理，比口述理論知識的效果要好得多。

其三，利用生活中的電子元件和產品。隨著科技時代的發展，給人們生活帶來了日新月異的變化，一些高級的科技設計和新科技材料廣泛應用于日常生活，例如，智能手機、電腦、聲控燈、紅外遙控、3D打印技術和超導材料等都是可以生活中方便接觸到的科技和材料，教師應該積極地運用這些寶貴的資源，通過將其進行簡單的改造，就能利用這些簡便的器材來進行物理實驗或者探究物理現象。

為了給學生比較聲波和電磁波的傳播方式的差異，教師通?？陬^傳授理論知識，但是今天可以用一個手機和可以真空的水槽來制作低成本實驗，讓學生更直觀地了解兩種波傳播方式的不同。首先，將手機放進密封袋中，水槽里注滿水，再用繩子系住密封袋，放進水槽里，使手機懸浮在水槽中。然后撥打水中手機的號碼，能看到手機亮起，同時還能聽到鈴聲響起，學生能清楚地感知到聲波和電磁波都能在水中傳播。接下來進行另一個實驗，將手機放進沒有水的水槽內，并抽完空氣，使手機處于真空狀態，這時再次撥打手機，能看到手機亮起但是卻聽不到鈴聲，這就說明電磁波能在真空狀態下傳播，但是聲波不能。這種低成本物理實驗更貼近學生的日常，使學生真切地感受到物理對人類社會的影響，拉近了抽象理論與現實生活的距離。

綜上所述，實驗是掌握物理知識、實驗技能的基礎，是形成科學素養的前提，所以教師應注重實驗對學生的引導作用。而低成本物理實驗不僅便宜、方便，能促進學生直觀、生動的觀察物理實驗，還能培養學生的動手參與能力，有著巨大的應用價值。因此，在高中物理教學過程中，教師要善于利用生活中的物件，開發創新思維，可以通過用低成本材料模仿實驗儀器、根據實驗目的設計簡易版實驗、利用日常生活中的小器具等方法來制作低成本實驗器材，并將其引入到物理課堂，用以提高學生的學習興趣，優化物理課堂的實驗探究，建設高效物理課堂。