引領(lǐng)學(xué)具創(chuàng)作，激活實(shí)驗(yàn)教學(xué)

劉天方

摘要：本研究是基于初中物理教學(xué)過(guò)程中學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)的開(kāi)展進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新探究。本文介紹了學(xué)具創(chuàng)作的內(nèi)涵；闡述了在落實(shí)課前預(yù)習(xí)、優(yōu)化課堂教學(xué)、克服認(rèn)知障礙、實(shí)現(xiàn)“減負(fù)增質(zhì)”的實(shí)踐活動(dòng)中開(kāi)展學(xué)具創(chuàng)作教學(xué)；介紹了如何利用自制學(xué)具激活實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，進(jìn)而突出教學(xué)重點(diǎn)、突破教學(xué)難點(diǎn)；分析了學(xué)具創(chuàng)作對(duì)于學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展、學(xué)生物理核心素養(yǎng)的優(yōu)化提升、學(xué)生身心健康發(fā)展所起到的推動(dòng)作用。

關(guān)鍵詞：學(xué)具創(chuàng)作 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新 核心素養(yǎng) 身心健康

著名物理學(xué)家麥克斯韋說(shuō)過(guò)：“實(shí)驗(yàn)的教育價(jià)值與儀器的復(fù)雜性成反比，學(xué)生自制的儀器，雖然經(jīng)常出毛病，但它卻會(huì)比用仔細(xì)調(diào)節(jié)好的儀器能學(xué)到更多的東西。”筆者一直堅(jiān)持利用自制實(shí)驗(yàn)器材組織物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，結(jié)合教學(xué)需求引領(lǐng)學(xué)生利用身邊的物品制作學(xué)具，再利用自制學(xué)具進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)探究。學(xué)具創(chuàng)作的過(guò)程也是物理學(xué)習(xí)的過(guò)程，學(xué)生在學(xué)具創(chuàng)作過(guò)程中能夠深化對(duì)物理實(shí)驗(yàn)探究的思考，同步發(fā)展感性認(rèn)識(shí)與理性思維，促進(jìn)核心素養(yǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

一、學(xué)具創(chuàng)作的內(nèi)涵

學(xué)具是教師針對(duì)教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)和急需解決的問(wèn)題而設(shè)計(jì)，學(xué)生親手制作的學(xué)習(xí)器具，具有很強(qiáng)的針對(duì)性和靈活性。學(xué)具創(chuàng)作是指學(xué)具的設(shè)計(jì)與制作，最主要的是學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)探究的需求進(jìn)行的設(shè)計(jì)活動(dòng)。學(xué)具創(chuàng)作是學(xué)生為了達(dá)到所需要的學(xué)習(xí)效果，利用生活中常見(jiàn)的普通物品，創(chuàng)作出便于操作、便于演示、實(shí)驗(yàn)效果明顯、便于觀察比較的實(shí)驗(yàn)儀器。學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)的開(kāi)展包括四個(gè)方面的問(wèn)題：一是什么時(shí)間開(kāi)展學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)？開(kāi)展學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)是為了解決教學(xué)中的問(wèn)題，所以，老師開(kāi)展學(xué)具創(chuàng)作要提前思考什么時(shí)間開(kāi)展效果更好。二是為什么要開(kāi)展學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)？使用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)，如果出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不夠明顯、說(shuō)服力不夠強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)操作太復(fù)雜氣的情況，可以考慮開(kāi)展學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)來(lái)彌補(bǔ)這一缺陷。三是怎樣開(kāi)展學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)？根據(jù)物理問(wèn)題和實(shí)驗(yàn)探究需求鼓勵(lì)學(xué)生利用身邊的物體設(shè)計(jì)與制作學(xué)具。第四是怎樣利用好學(xué)生的自制學(xué)具激活學(xué)生實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。學(xué)生的自制學(xué)具是學(xué)生辛苦創(chuàng)作出的勞動(dòng)成果，教學(xué)過(guò)程中要充分利用好學(xué)生的自制學(xué)具。

二、開(kāi)展學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)的意義

（一）有利于學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展

學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)不同于一般的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，它指向?qū)W生的自主和創(chuàng)新，是由學(xué)生利用身邊的物品、儀器等資源，自主提出問(wèn)題、創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)分析論證、得出科學(xué)結(jié)論的一種綜合性實(shí)踐活動(dòng)。學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)鼓勵(lì)學(xué)生利用身邊的物品創(chuàng)作實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)探究，包括實(shí)驗(yàn)思路創(chuàng)新設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展要求學(xué)生具有一定的學(xué)具創(chuàng)作素養(yǎng)。學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)是學(xué)生經(jīng)歷認(rèn)真思考、理論分析、選材制作等一系列探究思考的綜合性的實(shí)踐活動(dòng)過(guò)程。學(xué)具創(chuàng)作可以拓展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)方式，推動(dòng)學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，對(duì)于學(xué)生創(chuàng)造能力的開(kāi)發(fā)起到推動(dòng)作用。

（二）有利于提升學(xué)生的核心素養(yǎng)

學(xué)具創(chuàng)作是對(duì)物理觀念、物理規(guī)律進(jìn)行深入分析的過(guò)程，可以幫助學(xué)生樹(shù)立正確的物理觀念。學(xué)具創(chuàng)作可以使學(xué)生在探索物理問(wèn)題過(guò)程中發(fā)展理性思維，有助于培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和科學(xué)思維能力。學(xué)具創(chuàng)作是一種比較接地氣的實(shí)踐活動(dòng)，是“從生活走向物理，從物理走向社會(huì)”的活動(dòng)過(guò)程，有助于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任感。

（三）有利于學(xué)生的身心健康發(fā)展

學(xué)具創(chuàng)作以及利用自制學(xué)具開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，是學(xué)生感興趣的、愿意參加的實(shí)踐活動(dòng)。開(kāi)展科學(xué)合理的、學(xué)生感興趣的實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，替代枯燥、乏味的書(shū)面作業(yè)，可以減輕學(xué)生的作業(yè)負(fù)擔(dān)，有利于其身心健康協(xié)調(diào)發(fā)展。

（四）有利于實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)的常態(tài)化

學(xué)具創(chuàng)作有助于家庭小實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展，增強(qiáng)了學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)意識(shí)和物理實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ贿€能夠使學(xué)生認(rèn)識(shí)到，物理實(shí)驗(yàn)不是只有在實(shí)驗(yàn)室才可以進(jìn)行的，也不是只有實(shí)驗(yàn)室中的物理器材才可以進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，自己動(dòng)手制作的實(shí)驗(yàn)器材也可以用來(lái)探究高深的科學(xué)道理。

三、開(kāi)展學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方式

物理學(xué)習(xí)離不開(kāi)物理實(shí)驗(yàn)，物理實(shí)驗(yàn)的順利開(kāi)展需要簡(jiǎn)單實(shí)用的物理實(shí)驗(yàn)器材。學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)的有效開(kāi)展，可以彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)器材不足的缺陷，滿足多樣化的實(shí)驗(yàn)需求，還可以激活物理實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。

（一）落實(shí)課前預(yù)習(xí)，布置學(xué)具創(chuàng)作

筆者備課的過(guò)程中為了激發(fā)學(xué)生探究問(wèn)題的欲望，經(jīng)常會(huì)挖掘一些微小實(shí)驗(yàn)，而這些微小實(shí)驗(yàn)要能夠順利完成，學(xué)生必須進(jìn)行課前預(yù)習(xí)，有目的地進(jìn)行學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)。

例如準(zhǔn)備學(xué)習(xí)“彈力與彈簧測(cè)力”這部分內(nèi)容時(shí)，筆者提前布置學(xué)生利用身邊的物品設(shè)計(jì)與制作一個(gè)簡(jiǎn)易的測(cè)力計(jì)。學(xué)生要想設(shè)計(jì)與制作測(cè)力計(jì)，就需要知道什么是測(cè)力計(jì)，需要了解測(cè)力計(jì)的工作原理，然后從身邊尋找制作測(cè)力計(jì)所需要的物品，才能制作出需要的測(cè)力計(jì)。學(xué)生設(shè)計(jì)與制作出測(cè)力計(jì)的過(guò)程，也是自主探究學(xué)習(xí)的過(guò)程。學(xué)生對(duì)利用自己創(chuàng)作的學(xué)具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，比起老師用實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)驗(yàn)器材做演示實(shí)驗(yàn)參與度更高，探究問(wèn)題更深入。為了使學(xué)生更好地理解彈簧測(cè)力計(jì)的工作原理，筆者請(qǐng)學(xué)生利用自己創(chuàng)作的學(xué)具測(cè)量力的大小。學(xué)生在使用測(cè)力計(jì)測(cè)量力的過(guò)程中能夠清晰地觀察到，拉力越大彈性物體被拉得越長(zhǎng)，初步了解了測(cè)力計(jì)的工作原理，而理解測(cè)力計(jì)的工作原理對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)還是不容易的。為了深度理解測(cè)力計(jì)的工作原理，筆者順勢(shì)向?qū)W生介紹了測(cè)力計(jì)是采用間接測(cè)量力的方法。因?yàn)榱Φ拇笮〔荒苤苯佑^察，也不能直接測(cè)量，而彈簧的伸長(zhǎng)量是可以直接觀察，也可以直接測(cè)量的物理量。所以我們可以用彈簧的伸長(zhǎng)量間接測(cè)量力的大小。這時(shí)再讓學(xué)生利用自己創(chuàng)作的學(xué)具感受彈性物體的伸長(zhǎng)量與拉力的關(guān)系，學(xué)生對(duì)測(cè)力計(jì)的工作原理就會(huì)有更深的認(rèn)識(shí)，達(dá)到深度探究的目的。

學(xué)生預(yù)習(xí)新課的時(shí)候根據(jù)學(xué)習(xí)需求進(jìn)行的學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)，是完全由學(xué)生自己在家獨(dú)立自主完成的。學(xué)生需要?jiǎng)?chuàng)作什么的學(xué)具，就必須通過(guò)各種途徑了解與之相關(guān)的物理知識(shí)，有助于學(xué)生自主學(xué)習(xí)，可見(jiàn)學(xué)生進(jìn)行學(xué)具創(chuàng)作的過(guò)程也是預(yù)習(xí)新知的過(guò)程。

（二）優(yōu)化課堂教學(xué)，指導(dǎo)學(xué)具創(chuàng)作

在中學(xué)物理中學(xué)具的設(shè)計(jì)與制作也是教學(xué)中的重點(diǎn)，很多物理實(shí)驗(yàn)都需要用到各種實(shí)驗(yàn)道具，學(xué)具的設(shè)計(jì)與制作可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力與創(chuàng)新精神。課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，有時(shí)利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)會(huì)出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不明確、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不清晰、實(shí)驗(yàn)操作較復(fù)雜的情況。遇到這種情況教師就需要認(rèn)真思考、深入研究，設(shè)計(jì)出科學(xué)、可行的學(xué)具創(chuàng)作指導(dǎo)方案，指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)作學(xué)具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。

“物質(zhì)的比熱容”是初中物理熱學(xué)中的重要內(nèi)容，是一個(gè)比較抽象的物理概念，《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》要求“通過(guò)實(shí)驗(yàn)，了解比熱容”。“物質(zhì)的比熱容”探究實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)是如何確定物體吸收熱量的多少。實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中需要解決的問(wèn)題是使熱源相同。滬科版、滬科（粵教）版教科書(shū)提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是使兩盞酒精燈的火焰基本相同，近似認(rèn)為它們是相同的熱源。這樣的設(shè)計(jì)受外界條件的影響較大。人教版、北師大版教材提供的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，是把相同功率的“熱得快”近似看作相同的熱源。日常生活中的“熱得快”中壓為220伏，用它做實(shí)驗(yàn)很危險(xiǎn)，不利于學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)。另外，“熱得快”功率太大，加熱太快，不利于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這就會(huì)導(dǎo)致教師不敢放手讓學(xué)生做書(shū)本上的實(shí)驗(yàn)，從而不利于學(xué)生思維能力和探究能力的發(fā)展。為此筆者把這節(jié)課教學(xué)的重點(diǎn)放在指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)器材上。

利用鐵架臺(tái)、石棉網(wǎng)、燒杯組成加熱裝置，選取兩只相同的小試管分別裝入等質(zhì)量的水和食用油，把兩個(gè)數(shù)字溫度計(jì)與兩個(gè)小試管固定好，一起浸入到大燒杯的水中，實(shí)驗(yàn)器材就組裝好了。采用這樣的實(shí)驗(yàn)器材探究物質(zhì)的比熱容，有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：一是采用水浴法加熱，克服了酒精燈加熱時(shí)火焰大小不完全相同的缺陷，保證了熱源相同。水浴法加熱溫度速度變化慢，便于觀察溫度計(jì)示數(shù)的變化。另外，水浴法加熱是學(xué)生在探究水沸騰實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，學(xué)生對(duì)這套加熱裝置已經(jīng)很熟悉了，具有熟練的操作技能，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)和技能的遷移。二是為了凸顯不同物質(zhì)的吸熱能力，實(shí)驗(yàn)選擇的是水和食用油，這兩只物質(zhì)生活中隨處可見(jiàn)，取材方便。三是選取兩只相同的小試管作為容器，省去了實(shí)驗(yàn)中攪拌帶來(lái)的麻煩，實(shí)驗(yàn)操作更方便了。四是數(shù)字溫度計(jì)讀數(shù)方便，更有利于實(shí)驗(yàn)探究。

學(xué)生利用自己創(chuàng)作的實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究活動(dòng)，有助于培養(yǎng)物理核心素養(yǎng)。學(xué)生參與設(shè)計(jì)與制作實(shí)驗(yàn)器材的過(guò)程也是學(xué)習(xí)物理知識(shí)的過(guò)程，學(xué)生在設(shè)計(jì)與制作的過(guò)程中初步了解了實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作和注意事項(xiàng)等。

（三）克服認(rèn)知障礙，倒逼學(xué)具創(chuàng)作

教師根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，布置學(xué)生用易得到的器具，做一些生動(dòng)有趣的物理實(shí)驗(yàn)，可以克服教學(xué)條件不足的困難，有利于提高教學(xué)質(zhì)量。生活和學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)經(jīng)常遇到一些物理問(wèn)題，利用現(xiàn)有的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)很難理解。通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究來(lái)解決這些物理問(wèn)題，指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)作學(xué)具，拓展實(shí)驗(yàn)探究，可以鍛煉學(xué)生獨(dú)立探究問(wèn)題的能力。

筆者曾遇到了這樣一個(gè)探究題：“在探究光的折射規(guī)律時(shí)，從水面上方看感覺(jué)水中的物體變淺了。為了確定水中物體所成像的位置，某學(xué)習(xí)小組進(jìn)行了如下探究……”筆者就這個(gè)題目要求指導(dǎo)學(xué)生自制實(shí)驗(yàn)器材，定量分析“看起來(lái)不太深的水坑也很危險(xiǎn)”。具體是這樣設(shè)計(jì)的，選一個(gè)透明水槽，在水槽中注入清水，把一個(gè)防水的發(fā)光玩具小球A放入水中，把紅色刻度尺的零刻度線與水槽的底部對(duì)齊，用于測(cè)量小球A到水面的距離。把黃色刻度尺卡在透明水槽中的卡口中，調(diào)整黃色刻度尺的位置，使水面與刻度尺的零刻度線對(duì)齊。將另一只相同的玩具球B懸掛于水面上方，調(diào)整水面上方玩具球B的高度，使它的像與水中玩具球A的像完全重合，根據(jù)平面鏡成像特點(diǎn)可以推導(dǎo)出水面上方玩具球B和水中玩具球A的像到水面的距離相等。這樣可以通過(guò)兩把刻度尺測(cè)出小球A與小球A的像到水面的距離。通過(guò)多組數(shù)據(jù)分析可以大致找到物體與其像到水面的距離關(guān)系，據(jù)此可以估測(cè)水的真實(shí)深度，理解了“看起來(lái)不太深的水坑也很危險(xiǎn)”的原因了。

認(rèn)知障礙可以倒逼學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)的開(kāi)展，可以深化實(shí)驗(yàn)探究，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，可以解決學(xué)習(xí)過(guò)程遇到的難以理解的物理問(wèn)題。

（四）落實(shí)“減負(fù)增質(zhì)”，開(kāi)展學(xué)具創(chuàng)作

初中物理老師當(dāng)前要思考的重要問(wèn)題是如何才能減輕學(xué)生的作業(yè)負(fù)擔(dān)，提升學(xué)生的物理核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)物理教學(xué)中的“減負(fù)增質(zhì)”。

筆者在教學(xué)凸透鏡這部分內(nèi)容時(shí)，開(kāi)展了一系列的學(xué)具創(chuàng)作活動(dòng)替代一些機(jī)械性、重復(fù)性、懲罰性的作業(yè)。一是學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)透鏡這部分內(nèi)容，筆者指導(dǎo)學(xué)生利用塑料注射器、硬塑料管、白色氣球、PVC水管和膠水設(shè)計(jì)與制作一個(gè)水透鏡。利用自制水透鏡演示凸透鏡和凹透鏡模型，演示凸透鏡、凹透鏡對(duì)太陽(yáng)光的作用。二是探究凸透鏡成像規(guī)律這部分內(nèi)容，筆者布置學(xué)生利用黑色卡紙和手電筒，自制一個(gè)“直角梯形”光源。學(xué)生利用“直角梯形”光源、水透鏡和一個(gè)白色硬紙板，就可以在家探究凸透鏡成像規(guī)律。三是學(xué)習(xí)“顯微鏡和望遠(yuǎn)鏡”這部分內(nèi)容，筆者布置學(xué)生利用兩個(gè)水透鏡和一個(gè)硬紙筒制作顯微鏡，利用自制顯微鏡觀察家庭中的微小物體，分析兩個(gè)透鏡的成像規(guī)律。利用兩個(gè)水透鏡和兩個(gè)內(nèi)徑不同的紙筒制作望遠(yuǎn)鏡，利用望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀察遠(yuǎn)處的物體，分析兩個(gè)透鏡的成像規(guī)律。四是學(xué)習(xí)眼睛這部分內(nèi)容，筆者布置學(xué)生利用水透鏡、“直角梯形”光源等制作眼睛模型，利用眼睛模型演示如何看到遠(yuǎn)處和近處的物體，弄清近視眼和遠(yuǎn)視眼是怎么回事，應(yīng)該如何矯正。

學(xué)生在各種光學(xué)實(shí)驗(yàn)器材的創(chuàng)作活動(dòng)中，對(duì)凸透鏡的成像特點(diǎn)以及凸透鏡的應(yīng)用有了全新的認(rèn)識(shí)。

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責(zé)任編輯：黃大燦

（本文系安徽省教育信息技術(shù)研究項(xiàng)目“創(chuàng)客教育在貧困地區(qū)初中物理教學(xué)中的實(shí)踐研究”的研究成果，課題立項(xiàng)號(hào)為AH2018073。）