以知识体系为核心的自制教具系列化及实验开发*——以光的折射为例

吴小兵　王秀玲

(灌南县初级中学　江苏 连云港　222500)



以知识体系为核心的自制教具系列化及实验开发*
——以光的折射为例

吴小兵王秀玲

(灌南县初级中学江苏 连云港222500)

摘 要：针对当前自制教具存在的一些缺点，以苏科版八年级上册“光的折射”为案例，提出改进方案及“自制教具系列化”的观点，并从知识体系视角展开讨论．

关键词：自教教具系列化物理实验实验开发

自制教具曾因取材方便、制作简单、造价低廉且有利于培养学生的动手能力与创新精神等特点而备受吴有训、朱正元等老一辈物理教育家的推崇与提倡．“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”的主张被大多数教师接受并自觉落实到日常的教学实践中，但是教师在自制教具过程中往往只局限于某一个实验难点，解决某一个具体问题，缺乏更宽广的视野．另一方面，教师缺乏教材的再加工能力，教具与教材的整合度不行，教具在使用过程中往往没有取得预期的效果．

基于以上现状，笔者提出“自制教具系列化”的观点，在低成本的原则下，以苏科版“光的折射”一节为例，谈一谈以知识体系为核心的系列化教具及实验开发，并附上相应点评．

1体现新奇激发兴趣

教具制作：对市场的喷壶的喷嘴适当改进，可以使喷出水的雾化效果更好，如图1所示．用双面胶将一角硬币粘在纸杯的杯底，防止倒水时水流冲击改变硬币位置的现象发生．为了便于学生理解，还可以用勾线笔在纸杯与硬币的边缘各点上一点，如图2所示，当观察到两点在一条直线上时向杯内加水．

图1　喷嘴改进后的喷壶　　　　图2　用双面胶将硬币

课堂开始通过一组实验引入，而不是一个．自己制作人工彩虹，真实，迅速拉近与学生之间的距离，并且使彩虹在房间内出现，制作简单，趣味性强．“硬币再现”小实验则是分组实验，在活动中体现“新鲜”、“奇特”的特点，激发学生的兴趣，引发学生的思考．要想揭密，必须闯过4关．根据八年级学生的心理特点，通过“闯关”设置，进一步激发学生的学习热情，培养学生在学习过程的团队合作精神．

2注重实验突显概念

教具制作：找一块1.5cm×16cm×26cm木板作为底座，在底部开一约4cm的窄槽，使4cm×33cm的PVC明线线槽的槽盖竖直接入木板，PVC材料与木板之间用薄铁片固定，如图3所示．

图3　自制的多功能支架

在距PVC材料顶端约1cm处用AB胶粘上一个磁性较强圆形小磁体．在装激光笔笔套的底面也用AB胶粘上一个小磁体，如图4所示．制作时注意磁体极性，一定要保持异名磁极相互吸引，这样笔套可以吸附在支架上，且入射角度可以随意调节．当然，这是一个多功能支架，还有其他许多用途，因与本节内容不相关，所以不展开讨论．

图4　PVC材料顶端粘上一圆形小磁体(下)

自制物理支架，用于固定激光笔．由于是磁铁吸附式固定，入射角度可以随意调节；激光笔装入笔套，避免了按钮开关控制不便的问题．将课本实验巧妙改进，不再是将激光束射至水槽底部，而是斜射至纸杯的内壁，如图5所示，学生从纸杯外侧正面可以明显看到光斑．向纸杯内逐渐加水，可以看到光斑向下移动．通过学生讨论分析，判断出偏折处在空气与水的分界面；通过作图，还原实验，并引出光的折射概念．这样的概念建立过程，突显了实验在概念建立中的重要作用，培养了学生的观察能力，也培养了学生理性的思辨能力．另一方面，通过光从空气斜射入水中的实例建立光的折射概念，也为光的折射规律的归纳作了铺垫．

图5　支架采用磁铁吸附式固定激光笔，随意调节光的入射角

3分组活动规律探究

教具制作及操作：将实验的长方形玻璃砖4个侧面粘上磁性较强的小的圆形磁体，如图6所示，这样玻璃砖便可以吸附在磁性黑板上．

图6　玻璃砖侧面粘上磁性较强的小圆形

同样吸附在黑板上的笔套内激光笔打出一束光穿过玻璃砖，现象明显，如图7所示．如果再用一支绿色的激光笔沿着图7下方的光路反向照射，两种颜色的光路重合．

图7　吸附在黑板上的激光笔射出一束光穿过玻璃砖

要想探究活动有效，实验前的指导显得非常重要．实验指导不到位，学生对于实验目的、实验步骤、观察对象等不清楚，课堂往往会失控；实验指导越位，则“探究”变味，变成了假探究．本节课的分组实验探究，通过问题设置，明确了光路的呈现方法；通过激光笔与笔套的组合，使实验操作难度降低，实验效果得到明显改善．活动拓展，追问式的问题设置，使得“光的折射中光路可逆性”活动自然流畅，更加深入．

4运用对比归纳有序

教具制作及操作：将一半圆形水槽内侧粘一磁性较强的圆形小磁体，保证水槽与磁性黑板良好的接触．水槽两侧用磁性材料固定，防止水槽向下滑落，如图8所示．考虑到黑板吸收色光能力强，所以实验时一般在黑板上贴一张白纸为背景．当光从空气斜射入水时，光路清晰可见，如图9所示．

图8　用磁性材料将半圆形的　　图9　光从空气斜射入

通过光从空气斜射入水中的演示实验和光从空气斜射入玻璃的分组实验对比，归纳其相同点．这种对比体现在3个方面：

(1)实验现象对比．通过磁性较强的磁铁，将光斜射入水和玻璃两套器材吸附在黑板上进行对比；

(2)作图对比．根据实验现象，将两种情况的折射图画在黑板上；

(3)PPT归纳对比．通过PPT两列呈现，归纳其相同点．这种比较是基于实验的比较，并且富有技巧．

5一图三用演绎升华

学以致用，演绎升华．运用光路可逆，作出光从水中斜射入空气中的折射光线，如图10所示．若A点分别是“池塘底部”、“水中的鱼”和“筷子的端点”等3种常见情景，运用“光的折射规律”解释，并且通过一个作图来解释．这种演绎，即是一种一般到个别的案例分析，同时案例分析中也有求同比较，有利于提升学生对于问题的理解能力．

图10　光的折射光路图

6实验验证再次提升

这还不是全部，在一图三用处理结束后，通过器材，又给学生做了一个验证性实验，如图11所示，两束激光从水槽底部入射经水的折射从水面射出．对图片采用局部遮挡，如图12所示．

一图多解是理性的分析与呈现，将演绎方法充分发挥，而再辅以实验加以直观的验证，则更好地体现完整性，更具视觉冲击和心理震撼，因为此时的实验现象存在着一种理性的必然性，是物理规律的具体呈现．

图11　两束激光从水槽底部　　图12　将图片局部挡住，可得

前面4关，通过系列化的自制教具完成对实验的深度开发，这一系列的实验分别侧重培养学生的观察和判断能力、动手操作能力、归纳能力、学以致用能力．学生连过4关后，到了揭密环节．一图再用，学生精彩的回答是整节课教学效果的一个缩影．揭密与设疑首尾呼应，使得课堂更加完整．课堂的总结，不再是“今天我们学到了什么”式的学生散乱的知识的拼凑，而是以知识为载体，突显过程与方法．在教学过程中注重“归纳”与“演绎”的隐性渗透，最后总结时适度显性点拨，分寸把握得很好．教师介绍了“实验—归纳—演绎”这一方法的产生及其在物理学史中的重要地位．这样的总结，丰富了维度，突显了概念和规律的建构过程，注重方法的隐性渗透，更介绍了相关的物理学史，三者很好地整合为一体，课堂显得厚重完整．

本节课堂教学案例，体现了较高层次的整体性．设计不再拘泥于个别实验，而是以一节甚至是一章的实验进行整体设计，体现了教师宽广的视野和对教材的加工处理能力．教师自制教具，精心设计，实验现象明显；以问题为导向，以实验为基础，优化过程，突出概念和规律的建立过程．课堂始终关注学生，以学生为教学的中心，根据学生的心理特点，设置闯关游戏，使得学生在不知不觉中完成学习内容.整个过程，环环相扣，趣味性强．以知识为载体，注重概念和规律的建立过程，注意方法的隐性渗透与适度点拨．“实验—归纳—演绎”方法论的简介使得课堂教学更显厚重，课堂维度完整，突出了新课程的三维目标．整个过程，流畅自然，由内而外，自然呈现．

以上所举的案例是以教材中的一节知识体系为核心进行深度开发，结合系列化的自制教具进行的微观操作．在微观的操作过程中，又体现了较为宏观的视野．以知识体系为核心的系列化自制教具及实验开发，就是围绕中学阶段物理教学的知识为切入点，以自制教具和实验开发为主线，从教学活动展开，构建整个学科知识体系．

以知识体系为核心的系列化自制教具及实验开发，存在不同的视角，例如本文所举案例是根据一节内容进行教具系列化、还可以根据一章内容进行教具系列化或以某一板块内容为核心的教具系列化，如图13所示的多功能光学演示器就可以用于整个光学教学．

图13　自制的多功能光学演示器

自制教具系列化及实验开发，通过这一路径，有利于提升教师的专业素养，有利于提高教师对教材的理解和加工能力，提高开发资源能力，整合教材与各种资源的能力．自制教具系列化及实验开发，也有利于激发学生的兴趣，培养动手能力，活跃并提高学生的思维能力．可以说自制教具系列化及实验开发是提升学生科学素养的一条重要路径．

总之，以知识体系为核心的自制教具系列化及实验开发具有广阔的天地，有待于进一步研究和讨论．

作者简介：吴小兵(1978-)，男，中学高级，主要从事中学物理教学及研究.江苏省连云港市学科带头人．

收稿日期：*江苏省教研室实验教学研究第二期课题《对苏科版物理教材部分实验的改进研究》和连云港市中小学教学研究第九期课题“初中物理实验个性化教学实践研究”阶段成果.