基于自制教具的精彩物理课堂教学设计研究

陈惠祥 杨果仁 罗丹金 周雪莲 杨 蕾

（成都师范学院物理与工程技术学院 四川 成都611130）

中学物理是一门以观察和实验为主的科目，物理实验是开展物理教学的重要手段和有效补充，自制教具作为物理实验的辅助工具，在中学物理课堂教学中有着举足轻重的地位。自制教具能将抽象的物理现象形象化、直观化，将枯燥的物理知识生活化、趣味化，降低学生学习物理的难度，从而提高物理课堂教学效果。

1 新时期师生自制教具的价值分析

随着教育技术的不断革新和进步，倡导利用身边简单工具自制教具，目的是形象直观解决物理教学中的重点和难点问题，教师用学生最熟悉的小物件做实验，得到学生意想不到的实验结果，既能激发学生的学习兴趣，又让学生认识到物理知识就是自己身边的一些简单的现象，是自己可以认识和探究的，这对激发学生自己动手的欲望有很大的帮助。自制教具是开拓社会主义新型教育模式的一个重要方面，是为了创新教育和实践教育的需要，提高物理课堂效果，为了素质教育能力的发展，教师和学生一起常规性地进行自制教具[1]。

1.2 有利于培养学生的探究、动手、创新能力。自制教具的过程也是探究学习的过程，一般通过小组合作学习开展教具的制作，在合作学习中学生主动参与，积极交谈，努力探索，有利于促进学生探究能力的培养。自制教具需要小组成员一起动手，制作过程中遇到困难一起克服，当遇到出乎意料的情况时，要集思广益解决问题，培养了学生的应变能力与问题解决能力以及团队合作精神。一个自制教具是许多物理知识的共同体现，并且一个教具上可能存在一种或多种物理模型，学生在进行教具设计时，有利于加深对知识的理解，有利于培养创新能力。

1.3 有利于建立良好的师生关系。教师用自制教具进行演示实验或让学生自制教具，均会提高学生的积极主动性，使学生教师一起参与互动课堂，营造了轻松、融洽、民主的课堂氛围，增进了师生之间的情谊，有利于实现“教学相长”。

1.4 有利于打造精彩课堂。在物理教学中教师大多使用现有的工业仪器教具。著名的卡文迪许实验室，以自制教具为优良传统，其创始人麦克斯韦说：“实验的教育价值往往与仪器的复杂性成反比，学生用自制的仪器，虽然经常出毛病，但它却比用仔细调整好的仪器学到更多的东西，仔细调节好仪器，学生易于依赖，不敢拆成零件”。利用身边现有物品制作教具，一方面可让课堂更生动直观，另一方面也便于学生课后自主操作，提高动手能力。

课堂的精彩程度还与学生的参与度有关。判断一堂课的教学质量，学生参与度是最显著、最直观的体现。一堂精彩的物理课能吸引学生的注意力，将学生游离的思绪及时拉回课堂，让学生爱上学习，乐于学习。课堂的精彩程度还与教师授课方式有关。传统授课方式大多为教学讲、学生听[3]。单纯的教师讲，使得教学过程变成像“流水线”作业般机械重复，教师就像重复加工的机器，学生像流水线的产品，他们之间的关系机械、简单，是加工与被加工之间的关系。长期下去，不仅使学生感到枯燥乏味，丧失学习的积极性，也会让教师失去热情。以自制教具为突破口，改变传统的授课方式，让学生参与到教具制作过程，其自我价值感增强，自信心提高，更能发挥潜能，激发学习兴趣。

2 自制教具优化物理课堂教学的具体表现

2.1 激发学生的学习积极性。自制教具一般用仿制法、组合法、改造法进行制作，因其自身具有知识性、趣味性，会吸引学生主动参与制作，制作完成后产生的成就感也会使学生对物理知识产生浓厚的兴趣，增强学生的学习自信，使其乐于参与物理学习活动。因此，自制教具的开发与制作能够激发学生的学习热情，发展学生自主探究、合作学习的能力，是学习物理知识的重要途径[2]。

2.2 促进学生获得丰富的学习体验。自制教具一般是由小组一起共同完成，可以带给学生小组合作的学习经验；自制教具会更加直观，并且联系生活，可以带给学生与生活有关的直接经验；自制教具制作灵活，不应拘泥于教材，具有趣味性，可以强化学生对理论知识的学习；自制教具创新性强，不局限于使用特定仪器，取材可来自于生活常见物品，带给学生知识贴近生活的感受；自制教具打破学生对知识的思维定式，可通过新颖的教具来改变学生对旧教具的厌倦，改变学生的固定思维，培养学生的成长型思维[3]。总体而言，使用自制教具有利于学生理解更加透彻，让学生敢于大胆探究，促进学生获得丰富的学习体验。

2.3 通过自制教具强化理论知识的教学。根据物理知识有针对性的自制教具，让抽象难理解的理论变得直观易懂。大多数物理规律源自科学家的特殊试验，物理实验为学生认识物理规律提供了感性基础，对于较难的物理理论知识教师可用自制教具来帮助理解，教师充分利用好自制教具，上“活”物理课，让学生亲身感受知识产生的过程。

为了保证地铁轨道基标的精准度，要提高现场测量的技术，做好复测工作。组织安排基标复测工作时，要组织专业水平较高的人组成团队进行测量。进行测量前要保证测量的精准度符合地铁轨道项目的特点和施工方法，同时根据测量的距离合理安排路线和工作。

3 基于自制教具的精彩物理课堂教学设计

3.1 利用波义耳—马略特定律自制粗略测量大气压强教具。现有的粗测大气压强的教具中所用仪器主要是制作好的气压计，这种仪器的优势在于方便学生直观的“读出”大气压强，但是学生并不能理解其工作原理，也很难弄清楚大气压强产生的实质，学生学完这一节往往会出现“只知其果，不知其因”的现象。基于这种情况，在此设计一款针对学生学习的大气压强测量教具，帮助学生理解大气压强，加深学生对大气压强的认识，最后对教具进行改进，使之成为一个简易的测力计。

3.1.1 所需器材。封口针筒、钩码、细线、刻度尺。

3.1.2 具体设计。根据波义耳—马略特定律(在定量定温下，理想气体的体积与压强成反比)，现将针筒内注入少量空气，堵住出口，记下活塞的初始位置，此时针筒内外压强一致，活塞保持静止。若在活塞下面挂上一个重物(用钩码或已知质量的小物块)，活塞将向下运动一段距离，然后在大气压强差的作用下再次静止，若能确定挂重物前后活塞的位置、针筒内壁直径和重物的质量，则根据波义耳—马略特定律、受力分析等知识可以推导出该教具所测压强的表达式。

假设针筒内面积为S，标准大气压为P，初始时针筒内空气的体积为V，挂上质量为M的钩码后，活塞自然向下运动直到静止，此时通过针筒读出体积为V"，利用刻度尺测出针筒内空气柱的长度X"。此时对活塞受力分析如图1：

图1

则有：△PS=Mg①；根据波义耳—马略特定律有：PV=C②；挂上钩码后：P"V"=C③；△P=P-P"④。联立①②③④解出大气压强：P=⑤，⑤式即为该教具的大气压强测量计算式，但是考虑到活塞与针筒壁间有着较大的摩擦力，所以对教具的操作进行修改，利用回归法消除实验误差。当挂上钩码活塞自然运动到静止时，活塞有向下运动的趋势，即摩擦力的方向向上，受力应该如图2所示：

图2

根据受力分析有：△PS+f=Mg⑥。此处的摩擦力是静摩擦力，想要确定其大小十分困难，所以我们考虑使用回归法来消除，具体操作为：待挂上钩码活塞下滑静止后，再次人为用力将活塞向下拉动一段距离，松手过后活塞会因为内外压强差的原因向上运动，最后达到静止状态，但是活塞会有向上运动的趋势，所以摩擦力的方向向下。受力分析如图3所示。

图3

当活塞静止时，记录当前针筒内空气的体积V"，假设此时针筒内的压强为P""，则：△P"S=Mg+f⑦；P""V""=C⑧；△P"=P-P""⑨。联立②③④⑥⑦⑧⑨解得：⑩，⑩式即为消除摩擦后的压强测量计算公式。

此教具重点在于带领学生推导大气压强计算公式的过程，在此过程中学生有参与到整个实验的设计中，主动操作和处理问题，最终利用简单的、生活中常见的器材完成实验数据的收集，计算大气压强，带领学生从物理走向生活，靠近生活。

通过上述分析，发现该教具不仅可以测大气压强，还能作为一个质量测量教具。在上面是利用已知质量的钩码来测量大气压强，若知道当地的大气压强则还可利用此教具进行拉力测量，根据⑩式可以得出质量的计算公式：

上式即为利用大气压强测质量的计算式。

3.2 教具衍生。以上介绍了利用波义耳—马略特定律制作了简单的测量大气压强的教具，受此启发，下面介绍一种测液体压强的教具。

液体压强也是中学物理学习中一个十分抽象的概念，老师在给学生推导液体压强时，首先给出压强的定义是压力与面积的比值，接着举例计算水杯中的水对杯底的压力，假设杯中水的质量为M，杯底面积为S，水杯中水深h，那么可通过以下步骤推导出液体压强：水杯中的水对杯底的压力为F=Mg=ρ液Shg；杯底的压强即为P=F/S=ρ液gh。

上式推导指向性很强，学生比较容易理解水底的压强可以用上式计算，但是并没有涉及到水的其他位置压强此公式是否适用，大多数老师就会直接告诉学生上式适用于液体中任何位置压强计算，但是不少学生明显会觉得没有任何的理论和实验支持，凭什么就可以把上式延伸到液体的任何位置。要消除学生的疑惑，最好的办法就是做实验，得出真实数据，和理论数据进行对比。测液体压强的教具很少见，大多数都是购买现成的测压仪器来测量，但是这种成品用来教学的劣势在于，学生看不懂仪器的内部结构，不清楚其工作原理，学生的参与程度不高，学生还是处于一种被迫接受的过程。为此，我们设计以下教具，帮助学生理解。

3.2.1 教具所需器材。水槽(水桶)、口底同大的水杯、刻度尺。

3.2.2 具体设计。将水杯倒扣在水面，用力将水杯压下去，记录好水杯口到水面的距离h，水杯位置不变，拧好水杯的盖子，将水杯拿出来，测量水杯的深度X，水杯中水的深度X"。当把水杯压入水中时，会有水溢进水杯中，最终达到平衡，对水杯的水分析可知，水杯中的水平衡是内外压强差以及水的重力三者达到平衡状态。

对水杯中空气由波义耳—马略特定律有：PV=C①；水杯压入水中后，假设水的体积为△V，P"(V-△V")=C②。联立①②解得，水杯压入水中后，内部气压为P"=③；水杯内外平衡时：S+M水g④；化解得到：⑤；考虑到体积测量困难，同时：V=SH⑥。将⑥代入⑤中，化解得到：⑦，⑦式即为液体压强的计算式，在课堂中只需带领学生简单的推导公式，然后实验得出数据X"、X，即可算出此处的液体压强，再利用公式P=ρ液gh计算此处理论压强，将两者对比即可。

上面推导出了液体压强的计算公式，学生对比理论压强和实际压强即可得出在液体中某点的压强只与此处的深度有关，接着还可以带领学生利用此教具测量液体的密度，使用方式和上面介绍的一致，液体密度计算式推导如下：

某不知密度的溶液中，其深度为h处的压强为：P=ρ液gh⑧；联立⑦⑧式解得：⑨，其中P是当地大气压强，h是杯口到液面的距离，X是水杯的深度，X"是杯中液体的深度。

上述教具及操作，可以让学生课后自行完成，指导学生往水中加入食盐或者其它物质以改变溶液的密度，学生经过简单的教具测出溶液的密度，能大大加强学生的学习兴趣和自信心，增加学生的成就感。