例談低成本自制教具在初中物理教學中的應用

《義務教育物理課程標準（2022年版）》明確提出，物理課程要以提升全體學生核心素養為宗旨，為每個學生的學習和發展提供機會。初中物理教學作為科學教育的重要組成部分，不僅要傳授學生物理知識，還要注重培養學生的核心素養，如科學探究能力、創新思維、實踐能力等。實驗教學是達成這一目標的關鍵環節，而低成本實驗教具的制作與應用能夠為物理實驗教學提供豐富多樣的資源支持，且符合當前教育資源優化與可持續發展的要求。本文以廢棄礦泉水瓶在初中壓強教學中的妙用為例，探索在核心素養導向下初中物理低成本實驗教具的有效制作路徑，激發學生學習物理的興趣與積極性，進而全面提升學生的核心素養，同時為初中物理教師提供實用的教具制作策略與方法。

一、低成本實驗教具制作的意義

不管時代如何發展，低成本實驗教具制作對初中物理教學及學生核心素養的發展有著多方面的積極影響。

首先，在教學成本方面，低成本實驗教具制作充分利用生活中的廢舊物品和常見材料，大大降低了學校在物理實驗教具上的投人。據相關數據統計，通過低成本實驗教具制作，初中物理實驗教具成本降低 70% 以上。這使得更多學校能夠開展豐富的物理實驗教學，為學生提供更多實踐機會。

其次，在學生核心素養培養方面，效果顯著。通過參與低成本實驗教具的制作，學生的科學思維得到了有效培養。在自制教具的設計階段，學生學會提出問題、做出假設，培養了質疑精神和邏輯思維能力；實驗操作過程中，觀察實驗現象，記錄實驗數據，提升了觀察能力和實證意識；在數據分析和結論得出階段，運用數學方法處理數據、進行歸納和演繹，增強了分析綜合能力和創新思維能力。

最后，學生的實驗探究能力得到了極大提升。合適的實驗教具使抽象的物理概念變得直觀具體，激發了學生的探究興趣。學生參與制作過程，不僅提高了動手能力和問題解決能力，還培養了合作精神和團隊意識。在進行低成本物理創新實驗的設計時，應該滿足以下原則。

二、低成本實驗教具制作的三個原則

（一）貼近生活，形象直觀，激發學生興趣

低成本實驗教具制作通常采用生活中常見的材料，如廢舊紙張、飲料吸管、小木塊等。這些材料來源廣泛，不需要特殊的采購渠道，教師和學生可以輕松獲取。例如，在學習了音調與頻率的關系后，教師可以拿吸管和剪刀，通過改變吸管的長度來讓學生感知音調的改變；在學習了杠桿的知識后，教師讓學生利用身邊的木棍、繩子等材料來自制桿秤；等等。這些低成本實驗教具讓學生從熟悉的環境中發現“未知”，降低了舊知識向新知識的遷移難度，也讓學生在制作過程中體會到了成功的快樂。

（二）激發學生對知識的重建興趣

學生利用身邊器材改進、創造教具的過程，不僅是提高動手能力的過程，也是了解教具制作原理、重建知識體系的過程。比如，在學習完流體壓強與流速關系這一節課時，學生想要制作一個無動力抽水機，就需要將大氣壓強和液體壓強的知識高度融合起來，并且要反復地調整高度，不斷改進，最終才能使抽水機正常運轉。在自制電動機的過程中，學生不僅要深刻理解電動機的原理及結構，還要進一步地了解它的制作和改進過程。雖然是低成本的實驗教具制作，卻讓學生對物理知識進行了深度加工，從而構建了系統的物理知識體系。

（三）和數字化、自動化技術結合

低成本實驗教具的低成本制作不是要脫離現代科技，而是要更注重借助現代科技，實現“低投入、高輸出”。隨著現代科學技術向日常生活的轉化越來越快，師生對電子產品的操控能力也越來越強。師生可以借助數碼影像、智能終端、數字化信息實驗系統等設備，將原來不易展示和不易觀察到的實驗現象和數據實時地清晰展示，這為自制實驗教具提供了新的方向。例如，在講到速度這一節課時，教師可以利用智能小車、遙控器、傳感器、電腦做成測距小車，用來演示直線運動和曲線運動，以及演示勻速直線運動和變速直線運動。將數字化、自動化技術用于低成本實驗教具的制作中，與現代生活同頻，更具有時代特色。

三、低成本實驗教具的開發與實踐

當前，部分初中物理實驗教學存在實驗器材不足、實驗形式單一等問題。而低成本實驗教具，具有材料易獲取、成本低、可操作性強等特點，能夠有效彌補這些不足。礦泉水瓶在生活中極易獲取，可視性強，且自身具有一定的韌性，可以發生彈性形變，因此非常適合在力學教學中作為教具來使用，幫助學生加深對概念的理解。具體設計如下。

（一）探究壓力作用效果的影響因素

探究壓力作用效果的影響因素實驗是初中壓強教學的重要探究實驗之一。在教學中，教師經常利用壓力小桌、鉤碼、海綿來進行探究，通過比較海綿的凹陷程度來比較壓力作用效果的大小。在教學中，在壓力小桌器材不足的情況下，我們可以利用礦泉水瓶來設計實驗，幫助學生自主探究壓力作用效果的影響因素。

實驗一：將礦泉水瓶豎直倒立在細沙上，通過改變瓶子中水的多少，改變瓶子對接觸面的壓力；通過裝滿水后擰緊瓶蓋，分別用瓶底和瓶蓋接觸細沙，來改變受力面積，再現教學中的實驗情境。在生活實驗中，教師可以從彈性形變角度啟發學生思考，用細沙和用海綿的差異，以及實驗中是否真正做到了對變量的控制，從而實現比傳統教學情境中更高的核心素養的培養。

（二）變式覆杯實驗

教學中教師經常使用廣口玻璃杯來讓學生感受大氣壓強的存在，杯中裝滿水后蓋上蓋子，不管向什么方向放置，杯中的水都不會流出來，但是能夠滿足實驗的杯子不太好找。

實驗二：在礦泉水瓶底部開一個小孔，將礦泉水瓶完全浸沒在水中，灌滿水后擰緊瓶蓋，向上提起礦泉水瓶，觀察到小孔中的水并不會流出。教師引導學生思考水為什么不會流出來：擰開瓶蓋，水就會從小孔中流出來，再擰上瓶蓋，水就又不會流了。

（三）自制連通器

實驗三：在三個礦泉水瓶的側面各開孔，將導管插入孔中，并用熱熔膠槍密封好，制成一個生活中的連通器（如下圖所示）。教師向礦泉水瓶中滴加幾滴色素，將水倒入最中間的瓶子，觀察水位變化。當我們抬高其中一個瓶子時，其余兩個瓶子中水位逐漸發生變化，高位置的瓶子中水位下降，低位置的瓶子中水位上升，最終三個瓶中的水位持平，很好地展示了連通器中液體不流動的情況下，連通器各容器中的液面保持相平。

由上可以看出，低成本物理創新實驗教具最顯著的特點是制作成本低廉，材料相對簡單易得，制作實驗教具所需要的時間較短、演示操作的時間也較短，收到的教學效果較好。

總之，低成本初中物理實驗教具制作路徑的探索，為初中物理教學帶來了新的活力和機遇。它不僅降低了教學成本，還提高了教學質量，全面培養了學生的核心素養，為學生的未來發展奠定了堅實的基礎。

（張建智單位系許昌實驗中學，徐燕燕單位系許昌市東城區實驗學校）