自制物理實驗教具實施自主探究教學

谷春生

首都師范大學附屬麗澤中學，北京 100071

1 引言

探究教學是國家課程方案和課程標準規定的重要教學內容，是培養創新人才的重要途徑。自制實驗教具，實施自主探究教學是物理創新教學的有效途徑之一。“壇壇罐罐當儀器，拼拼湊湊做實驗”，自制教具分為教師自制教具、學生自制教具和教師指導學生制作教具三類。基于自制教具的自主探究活動把學生置于開放多元的學習環境中，增強了科學探究的創新性和趣味性，確立了學生的主體地位，可以更好地激發學生的好奇心和探究欲望，培養和提高他們的創新能力和核心素養。本文介紹了筆者開發教具，實施探究教學研究的三個具體案例，以供讀者參考。

2 自制教具演示“斷開回路中導體棒切割磁感線產生電動勢”

在人民教育出版社出版的普通高中物理必修第三冊（2019年版）《電磁感應》一章中提到“閉合回路的部分導體做切割磁感線運動時，導體棒兩端產生感應電動勢，回路中產生感應電流”。該部分內容的演示實驗容易做，理論解釋也不難理解。但斷開回路的部分導體棒做切割磁感線運動時，回路中無感應電流，導體棒兩端卻產生了感應電動勢。這部分知識內容的演示實驗一直是困擾高中物理教師的一個難題。筆者設計了如下創新實驗，以求突破該難題。

2.1 實驗裝置設計與制作

取一個大型強電磁鐵，通一恒定大電流（10 A），產生一個穩恒的強磁場（約1.4 T），示意圖如圖1右側所示。取130根銅漆包線，兩端打磨掉絕緣漆焊接在一起（導線中間部分依然有漆包線間隔），把所有銅漆包線包裹在一起組成導體棒，放置在強磁場中。漆包線導體棒兩端外接導線，分別焊接到兩個拋光的大尺寸方形銅板中心，兩銅板相對放置組成平行板電容器。在兩個銅板間水平放入一個兩端加高壓的陰極射線管，左端接電源負極，右端接電源正極，如圖1所示。

圖1 自制教具演示“斷開回路中導體棒切割磁感線產生電動勢”

2.2 實驗操作與演示

大型強電磁鐵通電之后產生強磁場,磁場的N/S極如圖1所示。雙手托著銅漆包線導體棒，使其水平向右快速勻速運動，這時發現左側陰極射線管中的電子射線向上偏轉（圖1）。

2.3 實驗現象解釋和原理分析

銅漆包線導體棒勻速運動切割磁感線產生恒定的電動勢E=BLv。130根銅漆包線同時切割磁感線如同130個電源并聯成一個大電源，進而在兩銅板間產生持續穩定的勻強電場。從陰極射線管中射出的陰極射線（電子流）受到電場力的作用而發生偏轉。銅漆包線導體棒持續勻速切割磁感線，導體棒兩端產生恒定的感應電動勢，兩銅板間產生持續穩定的勻強電場，從而使得陰極射線發生偏轉，但由于穩定的電容器相當于斷路，所以電路中并沒有感應電流。利用該創新實驗教具可直觀地演示出“斷開回路中導體棒切割磁感線運動時，回路中無感應電流，但導體棒兩端卻產生了感應電動勢”的現象，輕松突破了該教學難點。

針對學生特別感興趣的問題開發創新實驗教具，能進一步激發學生強烈的好奇心和求知欲。通過對問題的自主探究，可以使學生品嘗探究的樂趣，激發學生對物理學的熱愛，積極投入到物理學科的探究學習中去。

3 改進簡易“彈簧振子機械能守恒演示儀”

人民教育出版社出版的普通高中物理必修第二冊（2019年版）《機械能守恒》這一章節教學過程中，教師通常采用簡易氣墊導軌水平彈簧振子（圖2）進行演示實驗。

圖2 簡易氣墊導軌水平彈簧振子演示儀

氣墊導軌水平彈簧振子主要由“人”字形氣墊導軌、螺旋彈簧、無色塑料振子（帶黃銅指針）和鋁制刻度標尺構成，底座右上角連接有一個白色塑料進氣口。通常情況下，教師上課時用一根乳膠軟管套在進氣口上并擰緊，然后找一個肺活量大的學生，通過乳膠軟管的另一端向進氣口吹氣。教師輕輕撥動無色塑料振子使黃銅指針指到+6 cm處松手，然后讓學生觀察指針是否左右等幅振動。結果往往因為學生吹氣力量不足，氣墊導軌阻力較大，指針左右振動幅度明顯不相等，實驗效果不理想。接下來，教師引導學生討論如何改進實驗裝置。

3.1 實驗裝置的改進設計

指針本應該左右等幅振動，但為何實際操作過程中指針左右振動明顯不等幅？為了獲得更好的實驗效果，該如何改進實驗裝置？

水平彈簧振子在左右振動的過程中，彈性勢能和動能相互轉換。由于彈簧和振子組成的系統機械能守恒，所以理論上指針應該左右等幅振動。但實際實驗過程中存在摩擦阻力，所以指針無法等幅振動。那我們應該如何改進實驗裝置呢？有學生提出用大型專業氣墊導軌裝置進行實驗，但大型專業氣墊導軌裝置搬運不方便，我們應該尋找更好的便攜式改進裝置。

3.2 引導學生改進實驗裝置

改進設計1：由于原實驗裝置無背景襯板，如果實驗環境背景雜亂，則坐在教室中后排座位的學生不易看清彈簧和振子上的黃銅指針。我們可以用透明膠帶粘上白色硬紙片作為襯板（圖3）增加對比度，這樣坐在中后排的學生也容易觀察到指針的擺動。

圖3 加上襯板的彈簧振子演示儀

改進設計2：學生吹氣力量不足，彈簧振子與簡易氣墊導軌依然存在摩擦，系統機械能損耗，所以無法實現等幅振動。筆者嘗試了各種辦法，最后選定一個便攜式抽氣機，反其道而用之。將橡皮管一端接到抽氣機的排氣孔上，另一端接氣墊導軌的進氣孔（圖4）。抽氣機從空氣中抽氣，通過排氣孔將空氣排入氣墊導軌進氣孔。氣墊導軌中氣量充足，減少了彈簧振子與導軌的摩擦，基本實現了指針在鋁制標尺-6 cm和+6 cm之間左右等幅振動，從而可從實驗直觀得出彈簧振子系統機械能守恒的結論。

圖4 改進后的“彈簧振子機械能守恒演示儀”教具

這個探究實驗可以培養學生較強的觀察能力、綜合動手能力、團結協作能力和語言表達能力等。學生在實踐觀察中學習物理知識，在愉快的氛圍中得到感悟，提升了對物理學習的興趣，提高了學生的科學思維和創新能力。

4 自制“平靜對流現象演示儀”

教師提問：大家觀察過液體的對流現象嗎？

學生積極回答：家中用鋁壺燒水時，打開壺蓋觀察過水的沸騰現象。

教師啟迪學生思考：壺水沸騰是一種劇烈的對流現象。大家有沒有觀察過平靜的對流現象？比如，將一杯冷水放在室溫環境中，用酒精燈緩慢加熱，這個過程有沒有對流現象發生呢？

學生積極思考，分析猜想：因為水溫相差不明顯，所以沒有對流現象發生。

那真實情況究竟如何呢？

4.1 開發實驗資源，自主探究實驗

取一個圓柱形無色透明玻璃燒杯，倒入五分之四燒杯容積的冷水。找一個較大的厚型塑料泡沫圓板或軟木瓶塞，用一根長的細鋼針穿過瓶塞中心，露出一截針尖。把綠色雪碧塑料瓶壁剪成“一”字形，然后把中間部位放在火上烘烤，將左、右兩部分向相反方向旋轉傾斜一定角度，形成一對螺旋槳（圖5）。用露出的針尖在“一”字形螺旋槳的正中央位置鉆一小孔，然后在針尖末端焊上石蠟，以防止塑料螺旋槳滑落。反復旋轉調試螺旋槳，使其轉動靈活自如；最后將整個裝置浮于水面，如圖5所示。學生把燒杯放在穩定的水平工作臺面上，用酒精燈通過石棉網對玻璃燒杯底部緩慢加熱，然后靜坐下來仔細觀察。半分鐘后，學生神奇地發現：螺旋槳慢慢旋轉起來了。

圖5 自制的“平靜對流現象演示儀”教具

實驗現象與猜想結果相反，這激起學生強烈的探究欲望：為什么螺旋槳會旋轉呢？

4.2 引導學生分析實驗現象，進行科學思考

塑料螺旋槳之所以會慢慢轉動，是因為貼近杯底的水比杯上部的水先受熱。由于熱水的密度比冷水的密度小，杯底部中心的熱水會向上流動，而四周溫度較低的水會流過來填補空隙，從而形成水的對流，于是推動螺旋槳旋轉起來，這就是平靜的對流現象。如果不借助螺旋槳的轉動，杯中水的平靜對流現象不易被人觀察到。

通過巧妙設計制作輕巧的塑料螺旋槳，短暫加熱水后，高靈敏度的螺旋槳就演示出水的平靜對流現象。這說明根據生活經驗的主觀猜想，往往不一定正確，需要經過實踐檢驗。實驗探究給學生提供檢驗所學理論知識的機會，能綜合培養學生的觀察能力、動手能力、分析能力和自主創新能力。

5 結論

綜上所述，自制實驗教具，實施自主探究教學在全面提升學生核心素養方面具有廣闊的應用前景，所以教師在教學過程中要深挖教材中的探究性因素，開發創新教學資源，自制教具或啟發學生自制學具，實施科學探究教育。學生在自制儀器中體驗，在科學探究中感知，在質疑交流中創新，從而培養學生實事求是的科學態度，樹立科學質疑和自主探究的精神，鍛煉敏銳的觀察力以及靈活的動手能力。提高學生語言表達能力和團隊協作能力的同時，全面提升學生的學科核心素養。