小教具大智慧，自制教具助力物理教学

北京四中房山分校 周继东

物理学家麦克斯韦曾说：“实验的教育价值往往与仪器的复杂性成反比，用自制的仪器，虽然经常出毛病，但它比仔细调好的仪器能使人学到更多的东西。”对此，本文探索了如何利用自制教具进行实验，以提高学生的物理学科素养。

一、巧用自制教具，激发学生的内在动机，点燃学生学习的热情

亚里士多德说过：“古往今来人们开始探索，都应起源于对自然万物的惊异。”学生在探索自然万物的过程中，若看到一个很奇异的物理现象时，就能瞬时激发内在学习动机，点燃深度学习的热情。

例：静电菊花

材 料： 塑 料 带（L=350mm），PVC 管（φ=100mm 、L=800mm），毛皮。

制作：剪下一段塑料带，末端打结，再把塑料带撕开，做成菊花的造型。

用法：第一，将“菊花”平放在桌子上，用毛皮朝一个方向摩擦“菊花”。然后用毛皮来回摩擦PVC 管，听到有噼里啪啦的声音后，停止摩擦。将“菊花”往上抛，再将PVC 管放在“菊花”下方，“菊花”便会在空中自由绽放了（图1）。

图1

第二，利用“菊花”还可以模拟电荷间相互作用的实验。（图2）

图2

简单的小教具演示神奇的物理现象，点燃了学生学习电学的热情。

二、巧用自制教具，可以把抽象的知识形象化，有效地突破教学难点

自制教具对于激发学生学习兴趣，解决教学难点等的优势是教师通过语言讲解所无法比拟的。教师通过教具演示可节约讲课时间，可以把抽象的知识形象化，减轻学生学习负担，有效地突破教学难点，提高教学效率。

例如：发光的滑动变阻器

九年级物理“变阻器”一节中，有两个难点，一是滑动变阻器的接法（一上一下），判断滑动变阻器哪部分电阻丝被接入电路中了（下柱当家）。关键是弄清电流经过变阻器的哪一段线圈；二是判断滑动变阻器滑片位置变化，引起的接入电阻变化情况（近小远大）。

材料：亚克力板、3.8V 的小灯泡（10 个）、漆包线（φ=0.6mm）、小灯座、滑片、金属杆、18650 电池（两节）。

制作：将10 个3.8V 的小灯泡用铜导线串联起来，代替原来的电阻线圈，绕在亚克力板上，安上横梁和滑片。

用法：把此变阻器接入电路中，有电流经过部分，小灯泡就会发光。（图3）上接线柱接法保持不变，改接不同的下接线柱，滑动变阻器接入电阻也随之改变，很好地演绎了“下柱当家”的原则。随着滑片位置的变化，接入电阻随之也发生变化（近小远大），若灯泡亮度变暗，表示电流减小（图4），这样就非常容易判断电阻的变化和电流的变化。

图3

图4

在这之前，有些学生误认为电流会经过变阻器滑片右边的一段，由于学生刚学习电学知识，教师对于这一问题不容易讲清楚。如果用“发光变阻器”在课堂上演示就能化繁为简，提高课堂教学效果。

三、运用自制教具不仅可以弥补教学仪器的不足，还可以获得直观的效果，优化课堂教学

自制教具可实现变“废”为“宝”。利用生活中的一些废弃物如小铁丝、废铁片、废灯泡、木材下脚料等，制作出各种各样的教具，即就地取材、修旧利废、因陋就简，创造条件进行实验教学。著名物理教育家朱正元教授曾说过“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”。这就是说，在物理实验教学中要大力倡导自制教具。

例如，讲导体和绝缘体没有绝对界限，玻璃在常温下不导电，在高温下却变成了导体，没有现成的教学仪器。可利用一盏钨丝断了的废旧白炽灯泡和一盏白炽灯组成串联电路，用酒精灯给除去玻璃灯罩和钨丝的废旧白炽灯的玻璃芯柱加热。在玻璃芯柱温度不断升高而发红的过程中，观察电路中另一盏白炽灯发光情况的变化。

未加热前，接通电源，由于废旧白炽灯灯丝断了，造成电路断路，所以与之串联的另一盏白炽灯是不发光的。（图5）用酒精灯给废旧白炽灯的玻璃芯柱加热，在玻璃芯柱温度不断升高而发红的过程中，发现与之串联的白炽灯慢慢发光了，而且越来越亮。（图6）白炽灯发光情况的变化，说明了电路由断路变成了通路，原本常温下不导电的玻璃，在高温下却变成了导体。

图5

图6

实验非常直观地反映了导体和绝缘体没有绝对界限这一关系，此教具既解决了实验器材不足问题，又获得了直观的效果，最终达到了优化课堂教学的目的。

就这个实验有人提出问题：第一火焰可以导电，怎么证明是玻璃芯柱导电，而不是火焰在导电？第二，酒精在燃烧时，会在玻璃芯柱表面产生积碳，碳也可以导电。怎么证明是玻璃芯柱在导电，而不是积碳在导电？

就以上两个问题，我们可以通过实验来验证。移走酒精灯，灯泡照样发光，说明不是火焰在导电，是玻璃芯柱在导电。过一段时间，玻璃芯柱的温度降低，灯泡的亮度减小，这就证明不是积碳在导电，而是受热的玻璃芯柱在导电。

四、从生活到物理，从物理到社会，自制教具助力物理教学

随着中高考改革的不断深入，新的中高考要求物理教学改革要不断深入，教材内容不断更新，课程设计更加贴近学生日常生活，“从生活到物理，从物理到社会”的课程思想落实更加深入，教师在引领学生进行科学探究时，对实验器材要求也要更加日常化、更加接地气。

物理源于生活，服务于生活。模拟汽车油量表的教具，源于生活中的一道物理题。自制教具模拟实物，创设情景，助力课堂教学。复杂问题简单化、复杂情景可视化，物理知识活学活用。

材 料： 亚 克 力 板、 电 阻 丝（10Ω）、 滑 动 变 阻 器（50Ω）、 透明盛液桶（4000ml）、海洋球、水龙头、漆包线（φ=0.6mm）、PVC管（φ=20mm、L=500mm）、 木条（20mm×20mm×300mm）、木板（200mm×100mm×20mm）、长木板（800mm×200mm×10mm）、硬铜丝（φ=3mm、L=100mm）、硬塑料管（φ=5mm、L=300mm）、18650 电池（2 节）。

制作：将定值电阻、滑动变阻器组成的串联电路固定在亚克力板上，组成油量表的基本电路部分。用木条、木板组合成T 形支架，将PVC 管固定在支架上，做成一个简易杠杆。杠杆一端接上一个用硬铜丝做成的滑片与滑动变阻器（已除去原有滑片）相连；杠杆另一端接上一个用硬塑料管和海洋球组成的浮漂。透明盛液桶距底部5cm 处打孔，安上水龙头做成油箱。最后，将T 形支架和油量表的基本电路部分固定在长木板上。

用法：如图7 所示，可用电流表和电压表分别充当油量表的表盘，按图组装电路，进行实验。

图7

五、做教具、开发实验的过程，是教师学习的过程、专业成长的过程

中国科技馆的“探索与发现”A厅中有一个电磁感应摆，甲、乙两线圈分别被悬挂在两个蹄形磁体的磁场中，两线圈通过导线连接在一起并构成一个闭合的回路，用手使甲线圈在磁场中摆动时，乙线圈也会随之摆动起来。科技馆的展品看上去很神秘，其实我们可以利用身边的物品来复制，解开展品中的奥秘。

材料：长木条（20mm×20mm×300mm）、短 木 条（20mm×20mm×200mm）、长木板、方向线框（3D打印）、漆包线。

实验1：两个相同的磁铁，相同的线圈，线圈两端开路。把两个线圈用导线连接起来（内接内、外接外），拉起第一个线圈，释放，第二个线圈也跟着摆动。发电机（第一个线圈）和电动机（第二个线圈）。拉起第二个线圈，释放，第一个线圈也跟着摆动。发电机（第二个线圈）和电动机（第一个线圈）。

图8

实验2：两个相同的磁铁，相同的线圈，线圈两端开路。将线圈拉开相同的角度，由静止释放，线圈要摆动一段时间才能停止。将其中一个线圈用导线短路。拉开相同的角度，由静止释放，被短路的线圈很快停了下来。理由：线圈切割磁感线，产生感应电流，磁场对感应电流有力的作用，这个力阻碍了线圈的运动。

图9

实验3：两个相同的磁铁，相同的线圈，线圈两端开路。把两个线圈用导线连接起来（内接内、外接外），拉起第一个线圈，释放，第二个线圈也跟着摆动。理由：第一个线圈切割磁感线产生感应电流，电流通过导线送到第二个线圈。磁场对第二个线圈中的电流有力的作用，驱动第二个线圈摆动。

注意观察这两个线圈是异步的，怎么变成同步呢？把第二个线圈的两个接线柱调换一下（内接外、外接内）。拉开第一个线圈，释放，两个线圈同步。可以说明，所受磁场力的方向与电流的方向有关。

实验4：两个相同的磁铁，相同的线圈，线圈两端开路。把两个线圈用导线连接起来（内接内、外接外），拉起第一个线圈，释放，第二个线圈也跟着摆动。发现：两个线圈的步调相反，怎样让步调相同呢？我们把第二个磁铁的磁极方向改变。拉起第一个线圈，释放，两个线圈同步摆动。说明，所受磁场力的方向与与磁感线的方向有关。

实验5：两个相同的磁铁，相同的线圈，线圈两端开路。把两个线圈用导线连接起来（内接内、外接外），拉起第一个线圈，释放，第二个线圈也跟着摆动。如果，我们不动第一个线圈，拉动磁铁，会看到第二个线圈也会跟着动起来。说明，在这种情况下，只要线圈跟磁铁之间有相对运动，线圈就会切割磁感线，产生感应电流。

实验6：两个相同的磁铁，相同的线圈，线圈两端开路。把两个线圈用导线连接起来（内接内、外接外），拉起第一个线圈，释放，第二个线圈也跟着摆动。怎么让第二个线圈摆动幅度更大呢？有人说，让第一个线圈振动更快，第二个线圈振动幅度就可以增加。我们不妨一试，第一个线圈摆动频率很高，第二个线圈的摆幅并不大；当第一个线圈摆动频率低一点，第二个线圈的摆幅也不大。怎么办呢？让第一个线圈的摆动频率和第二个线圈的固有频率相等，就可以了。这就是机械共振。

实验7：两个相同的磁铁，相同的线圈，线圈两端开路，两个线圈用导线连接起来（内接内、外接外）。如果将两个线圈同时拉起又同时释放，结果会怎样？我们看现象。我们看到两个线圈同步摆动，而且很快停了下来。原因是我们假设第一个线圈此时电流方向向右，同样第二个线圈的电流方向也向右。两个电流在这个回路当中方向相同，两个线圈都受到磁体的阻尼作用，所以很快就停下来。如果将两个线圈一个向里一个向外同时拉起，同时释放，情况又会怎样呢？我们看现象。我们看到两个线圈异步摆动，而且摆动时间比较长，什么原因呢？

我们假设第一个线圈某刻电流方向向右，同样第二个线圈的电流方向必定向左，两个电流在这个回路当中方向相反。实际上，两个线圈中根本没有电流，就如同两个电池正极对正极这样连接一样，不可能有电流，所以两个线圈都不受阻尼作用，摆动的时间比较长。简单的一个教具，可以做如此多的实验，真的叫人沉醉于其中。做教具不仅可以提高学生学习的兴趣、优化课堂提高效率，而且重要的一点是，做教具、开发实验的过程，也是教师学习的过程、专业成长的过程。

陶行知先生在生活教育理论中指出，教育要“教人发明工具、制造工具、运用工具”“教育有无创造力，也只需要看他能否发明人生新工具或新人生工具”。教师只要针对学生实际，慧眼巧手，敢于创新制作使用教具，或对已有教具进行改进、完善，就一定能化腐朽为神奇，让普通的教具达到惊艳的效果。