基于学生视角的自制教学具的教学价值和意义

黄 剑 施 坚

(1. 贵州省铜仁市碧江区教育局教研室,贵州 铜仁 554300; 2. 江苏省梁丰高级中学,江苏 张家港 215000)

基于学生视角的自制教学具的教学价值和意义

黄 剑1施 坚2

(1. 贵州省铜仁市碧江区教育局教研室,贵州 铜仁 554300; 2. 江苏省梁丰高级中学,江苏 张家港 215000)

教学实践表明,如果学生学习物理缺乏物理过程的实际体验,必然会对一些物理规律的教学和理解形成较为突出的学习困难．为了突破该教学瓶颈,笔者带领学生制作了多款自制教学具,收到了非常好的教学效果,本文从学生视角探讨了自制教学具的价值和意义．

自制教学具;学生;教学;创新

100多年前,著名物理学家麦克斯韦就曾说过“实验的教育价值与仪器的复杂性成反比,学生自制的仪器,虽然经常出毛病,但它却会比用仔细调节好的仪器能学到更多的东西”．20世纪70年代,我国著名的物理教育家朱正元教授也曾指出“千言万语说不清,一看实验就分明”的论点,并提出“坛坛罐罐当仪器,拼拼凑凑做实验”的思想,这与当时国外倡导的“低成本实验”资源不谋而合,道出了自制教学具的必要性和普适性．进入21世纪,学术界又提出了“非常规实验资源”的概念,自制教学具的地位和意义再次凸显,阐明了教育的发展需要体现现代教育思想的丰富多彩性,体现多元的教育资源的支撑．

1 自制教学具在高中物理教学中的含义

自制教学具是教师、学生针对教学中的重点、难点和急需解决的问题而设计、制作的教学器具,“做以致用(教学)”的特性非常鲜明和突出,也称为“立体教材”、“实物教材”、“形象教材”．“物理自制教学具”包括两层含义,一是教师在实验教学中利用生活中材料、物品自制的或改进的物理器具;二是教师指导和组织学生自己动手制作能呈现物理原理的实验器具．尤其是学生通过自制的教(学)具,更能加深对知识的深入理解,因为制作仪器的过程就是一个运用知识的过程,真正体现了“做中学”的课程理念．

2 学生视角的自制教学具的理论意义

建构主义学习理论认为,教师的价值就体现在能否激励学生以探究、主动、合作的方式进行学习．也就是说,一方面教师应设置问题情境,激发学生面对问题积极思考、主动探究;另一方面要积极创设师生互动、生生互动的学习情境,让学生学会在团结、合作中学习．因此,学生的学习不应该仅局限于课本或相关的辅助材料．整个社会文化以及学生在生活中的所有问题和情境都是学生学习的“土壤”,自制教学具就是其中一块颇富营养的“土壤”．

情境学习理论认为,知识是基于社会情境的一种活动,是个体与环境交互过程中建构的一种交互状态．我们经常看到国外的一些物理课堂视频,教学的过程总是充满了教师大胆引入新奇的实验,其中不乏很多是自制教学具;同时课堂显得闹哄哄的,因为学生的动手操作、讨论、走动几乎贯穿全过程．这是因为美国等国家非常注重学习的情境价值和意义．

物理教学中,有多种方式创设情境去引导学生自己去构建知识验证体系,但若能利用身边熟悉的材料来表达,那肯定是最好的,最有效的,而这个最佳的载体就是师生的自制教学具．

3 学生自制教学具的教学价值和意义

有相当多的物理教师会抱怨:现在的学生从小沉溺于电视网络,对实际生活中物理过程的体验太缺乏了,看似简单的物理过程,却怎么教都不能理解．“言传不如身教”,“说千次,道万遍,不如亲身做一次”,物理尤为如此．物理源于生活,始于实验,很多物理规律须学生亲自实践,他们才能真正地理解．

3.1 自制教学具可以有效改善学生的学习方式,变教师演示实验为学生操作实验

心理研究表明,高中生好奇心强,喜爱观察实验现象,尤其喜爱亲自动手做实验,而学校教师做的演示实验、安排的学生分组实验远远不能满足学生的心理需求．而自制学具可以让学生主动参与其中,并通过自己的尝试和努力再发现物理规律,有效改善了学生的学习方式,教学效果通常要比演示实验更好．

例如,在圆周运动的基本物理量教学中,线速度、角速度、半径、向心加速度的关系是一个难点．为有效化解教学难点,在物理兴趣小组的课外活动中,笔者指导几个学生制作了几个非常简单的学具,如图1所示，并在学生中交流演示,效果非常好．

图1

材料为硬纸板和宣传用的即时贴皮,笔者仅仅提供了几个固定螺丝和美工刀,两个学生在课后很短的时间内就完成了以上两个学具制作．学生通过测量两个圆盘半径和转动角度,很容易发现齿轮传送和皮带传动中的几个圆周运动物理量的关系．受到这两个自制教学具的启发带动,很多学生还利用透明胶、瓶盖等物品进行模仿验证,学习积极性非常高昂．

再例如,在圆周运动的几个基本实例中,铁轨的结构组成和火车拐弯历来是物理教学中的难点,尤其是没有铁路的城市,至于火车高速拐弯挤压外轨并造成脱轨,学生更是没有任何物理过程体验．于是笔者辅导部分学生利用双休日制作的简易教学具,有用木制轨道来演示的,也有用铁丝轨道来体会的,如图2．该自制教学具课间带到班级展示后,很多学生踊跃上台亲手模拟脱轨过程,用小球在倾斜的铁丝轨道上高速旋转观察离心脱轨,火车拐弯从此再也不是教学难点了．

图2

3.2 自制教学具可以有效减少学生对相关物理知识和规律的神秘感和畏惧感

无论是昔日的朱正元教授还是当今的南师大刘炳昇教授都一向推崇“坛坛罐罐做实验”,认为只有取材方便、价格低廉,才可能让很多学生在课后时间开展真正有效的物理实验．物理实验器材的价值不在于结构的精密复杂和高价,而在于能否简单有效演示物理规律,甚至学生自己制作遇到失败,也能在失败中通过教师的指导进行分析找出原因,再进一步改进获得成功,这比现成的实验器材更能体验真实的物理探究过程．

例如,笔者发现很多学生在理解选修3-1“电场”中静电感应时总是存在一些问题,同时教师就书本演示实验常用视频或动画代替,似乎避之不及．笔者为了增强学生的切身感受,组织和启发学生利用两个易拉罐把验电计稍加改装,辅于橡胶棒、毛皮来模拟书本实验,如图3,取得了非常好的演示效果,而且普遍能结合实验现象轻松说出其中的内在机理．后来,班上学生见到静电感应的习题显得特别有信心．

图3

再例如,传感器知识点是高中物理教材的新增内容,受到必修1和必修2中介绍的DIS传感器实验系统的影响,高一很多学生产生了对传感器的高科技迷信,认为凡是传感器就一定会联系电脑,还有很多复杂的集成电路．为克服学生以上心理,笔者带领几个学生制作了两款成本不到2元的传感器,如图4,一款是最简单的磁传感器:3节干电池、干簧管、白色发光二极管组成1节串联回路,当干簧管靠近磁铁,内部小金属片会被磁化而相互吸合,电路导通,二极管发光．另一款是温度报警器:一节干电池、直流电子喇叭、启辉器铝制外壳(内用白蜡固封一个钢珠)组成一个串联回路,当环境温度足够高时蜡烛开始融化,钢珠落下和铝外壳接触就会报警．每一款自制传感器成本价均不超过10元,但无论是实验效果,还是于学生的体验价值和教学意义都是深远的．

图4

3.3 学生自制教学具可以有效填补实验室器材空白,突破教学盲点

虽然现在不少城市和学校财力雄厚,几乎每年都添置物理实验教学器材,但即使是这样,仍然有不少教学盲点,或者说器材的生产厂家遗漏或不易突破的实验展示点,而这常常正是教学重、难点,学生期待教师讲透、讲明白的知识突破点．

在学生学完选修3-2“互感和自感”后,有学生提出对书本上“变压器、电动机等设备中有匝数很多的线圈,当电路中的开关断开时会产生很大的自感电动势,使得开关中的金属片之间产生电火花”不容易理解,于是笔者组织学生一起自制了“开关点火”实验，如图5所示.

图5

实验器材:线圈(1000匝左右)1个;电池盒1个;干电池4节;导线4根;脱脂棉少许;打火机油少许;摄子1把．

实验过程如下.

(1) 按照实验电路将4节干电池、线圈、小灯泡、电键用导线连接好,并闭合电键,小灯泡发光．

(2) 断开电键,有电火花放出．

(3) 用摄子取少量脱脂棉,滴上少许打火机油,创设易燃易爆的环境,靠近电键．

(4) 断开电键,电火花将脱脂棉点燃．

(5) 告诫在易燃易爆环境,正确用电．

这样一个简易的自制教学具,不仅仅让学生理解了为何大功率用电器的开关应装在金属壳中,或者油浸开关,更为重要的是填补了实验室器材的空白,教师和学生内心都会充满成就感．

再例如,动量守恒中的人车模型是个核心知识点,实验室没有现成的相关器材,学生更是缺少相关的生活体验．笔者指导学生对几个玩具小车的滚轮轴承进行了润滑处理,再让学生根据习题中的一些人车模型进行学具制作并演示,都获得了明显演示效果，如图6所示．在课上交流了以上自制教学具后,还有几个学生利用双休日在滑板上验证了车上踢腿、车上扔球、车上单摆、车上互推,并拍摄了照片和录像在课上进行了展示,可谓自我实现了寓教于学．

(a) 小球摆动，小车会反向振动

(b) 车上敲车，小车不会前进

(c) 重锤滚下，小车反向运动

3.4 自制教学具过程可以增强学生的视觉思维,体验教师的设计和演示过程

成功的自制教学具一定有着更为清晰展现实验的可见度的特征,而让学生自制教学具在教师的帮助下也实现这一功能，可以让学生体会教师演示实验的诸多良苦用心,还能增强学生的视觉思维．

例如,在必修2“曲线运动”中“曲线运动的速度方向是轨迹切线方向”的理解中,笔者启发学生可以用约束轨道的脱离瞬间来观察小球的运动方向特征,有学生想到了用两根弯曲的钢丝组成轨道,有学生说用硬纸板,有学生说用泡沫板,笔者均予以了肯定．后来,学生采用泡沫塑料薄板和美工刀切割光滑曲线轨道(轨道上无突出点即可),并从中分成4段,另辅以铁球一只,斜槽、平整木板、红色印泥等器材,并用双面胶粘贴在平整木板上,小球由斜槽上释放后滚下进入该一般曲线轨道就可做一般曲线轨道运动．在轨道的下方放一张白纸,蘸有红色印泥的钢珠离开轨道后在白纸上留下一条运动的痕迹,它记录了钢珠在该点的运动方向(如图7中A点和B点)．这一设计和演示过程完全可以教师代劳,那么就失去了自制教学具过程中的思辨,也体会不到实验演示的视觉意义和功能．

图7

再例如,选修3-3“表面张力”中演示“玻璃离开水面”实验,笔者发现破液时普通测力计上的数值和弹簧形变量欠视觉冲击.笔者启发学生可以用白纸做个纸弹簧,一下子实验效果明显放大.这是因为纸质弹簧劲度系数非常小,反应很灵敏，如图8．虽然是极其简单的自制教学具,但其中蕴含的放大思想和视觉思维也应是我们物理教学重视的.

图8

图9

“伽利略对自由落体运动的研究”中“伽利略斜槽实验”,课堂由于时间限制,笔者让学生课后自己找器材探讨．[1]后来,笔者见到了有一组学生使用了很长的钢质斜槽和一个钢球模拟伽利略的斜槽实验,如图9，的确获得了从静止开始等时间位移比约为1∶3∶5∶7的结论．

3.5 自制教学具有利于培养学生的创造精神和发挥学生的个性

在“瓶瓶罐罐”器具中,很多物品本身不是用来做物理实验的,将它们组合、设计成实验器材,这体现了学生的创新能力;同时,教师除了在学生面前展现自制教学具巧妙的设计、独到的构思,还应鼓励学生发现其不完美、不理想之处,并敦促学生也来动手做一做、改一改,发挥自己的个性．

图10

例如,在学习3-2“交变电流”一章后,笔者提议发挥聪明才智和个性应用学过的知识设计一个简易发电机,一周后,两个比较成功的发电机呈现在眼前．其中一个利用了传送带带动连有一块磁铁的滑竿在线圈内来回运动来驱动两二极管交替点亮,现象明显,结构清晰，如图10．另外一个则是把一带孔绕有线圈的小塑料瓶、小磁铁、二极管、发光二极管转轴等组装一个旋转磁极式交流发电机模型，从而驱动二极管间隙点亮，如图11．

(a)

(b)

两个再简单不过的小发电机,但对于学生而言是智慧和创新成果,也是个性得到发挥的体现,从内心深处体会到了物理学科的魅力．

4 教师指导学生自制教学具的建议

(1) 布置的任务要立足于学生实情．自制教学具对于教师都是一件很有挑战性的事情,何况是高中生．因此,布置的自制教学具任务须兼顾学生的时间安排,例如一般可安排在选修课时间,周六、日等节假日;须兼顾学生身边的器材情况,适当在器材、工具方面提供帮助;须兼顾学生已有自制经验和知识储备,适当给予制作和物理知识、规律的指导．同时,教师布置给学生的自制教学具任务,自己要先做一遍,做到心中有数．

(2) 教师要在平时做好示范引领．自制教学具对于学生而言是一个全新的学习领域,需要“师傅领进门”,从器材的收集和摆放,到工具、仪器的使用规范,再到教学具设计、改良的操作流程,据处理等需要教师做好引领作用．

(3) 搭建交流、共享平台,形成激励机制．自制教学具是一项工程,成功的教学具更是一项成果,成果需要展示才能发挥价值,教师、同学的赞许和评价会有无与伦比的成就感,而即使不太成功的教学具也能在交流中发现自己的不足,学习别人的长处,形成积极向上的合作、竞争兼具的氛围．

(4) 帮助转化为教科研成果．成功的自制教学具除了在学校、教室的师生间交流、共享,还可在教师的帮助下参加各类创新大赛,写成文章投稿《中学生科技》、《科学大众》(中学生)等杂志,形成各类教科研成果．

1 施坚.品味物理学史感悟大师思想[J].教育科学论坛,2016(1)：17-20.

2 潘程超，曾毓斌.眼见为实出奇招，谈低成本自制教具与物理教学[J].物理教师，2016(4)：95-96.

3 王理想.浅谈中学物理自制教具的开发[J].物理教师，2015(10)：43-46.

4 施坚.“自制教具结合单反相机”分析运动的两个案例[J].物理教师，2016(1)：53-56.

以及数

本文系江苏省教育科学“十二五”规划2015年度重点课题“核心素养导向的高中物理图景教学实践研究”(编号：B-b/2015/02/133)和江苏省中小学教研2015年度立项课题“新课程高中物理试题探究能力考查的应用研究”(编号： 2015JK11-L085)阶段性成果之一.

2017-06-20)