自制教具在初中物理实验教学中的应用——以“水电站模型”为例

余娟娟

(兰州理工大学附属中学,甘肃 兰州 730050)

1 引言

在初中物理教学中物理实验的作用是至关重要的，目前国内学校对于初中物理实验室的仪器配置仅能满足课程标准所规定的实验教学，这对培养学生的学习兴趣、创造能力和探索精神是远远不够的，因此自制实验教具、设计和开发出更多的实验就显得非常迫切。运用自制实验教具，采用灵活的教学方法，可以使课堂教学变得更加精彩，更能激发学生的学习兴趣，切实培养学生的核心素养。笔者以自制“水电站原理模型”教具为例，阐述该教具在“能量的转化”“连通器原理”“电磁感应”等教学中的应用。

2 自制教具的设计与制作

以往笔者给学生们讲解连通器和机械能转化时总是通过口述或者播放视频的方式，发现效果并不尽如人意。我校实验室中并没有配备与这部分内容相关器材，因此很多学生在一段时间后对这些内容印象不深，尤其是对船闸的理解存在偏差。笔者根据图1、图2所示的水力发电和船闸示意图，自制了“水电站模型”演示教具。

图1

图2

该教具的设计如图3所示，制作材料有：亚克力板、软管、软管夹、电机、叶轮、发光二极管和循环水泵等。设置了A、B、C、D四个储水仓，A、B、C之间安装了闸板。在D仓和C仓边缘开孔，用于连接管道。在C仓的出水口处安装了叶轮和电机，且通过电机引出导线在C仓边角安装了发光二极管。为了保证实验演示的流畅性和可持续性，在D仓和C仓间安装了循环水泵，图4为教具的实物图。

图3

图4

为方便观察，“水电站模型”是利用透明的亚克力板制作的，既可模拟水电站的发电过程也可模拟水电站船闸工作原理，使能量转化和连通器的教学形象化、具体化，模拟现象更为科学、生动和有趣。

3 自制教具在初中物理教学中的应用

本自制教具可使用在北师大版初中物理教材相关章节的教学中：(1) 演示应用“连通器原理”工作的“船闸”；(2) 演示水的机械能转化为叶轮的动能；(3) 演示应用“电磁感应”原理工作的“发电机”。

3.1 自制教具在新课引入中的应用

孔子说过：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”。新课的引入是至关重要的，犹如电影上映前的宣传。一段精彩的教学引入可以成功地吸引学生的注意，调动学生的兴趣，使学生能更快地进入课堂的情境中。

笔者在讲授九年级课本第十章第一节“机械能”时，在新课引入环节利用自制教具演示了水的机械能转化为叶轮的动能。在课前准备时，同学们看到老师抱着一个实验装置都围过来观看，七嘴八舌地问老师：这是什么啊？好像没见过啊！他们的好奇心被完全调动了起来。

图5

实验一：如图5所示，笔者先用软管夹夹住D仓和C仓之间的连接软管，将D仓灌满水后取下软管夹，可以看到D仓的水沿着软管流向C仓，软管出口处的水流冲击电机叶轮，随着叶轮的旋转，发光二极管开始发光。在此过程中提醒学生们观察发光二极管亮度的变化。开始由于D仓和C仓软管出口处的水位差较高，软管出口处的水流流速较大，电机叶轮在水流冲击下转速较快，发光二极管此时也较亮。随着D仓与C仓的水位差下降，出口处水流流速变慢，电机叶轮转速变慢，发光二极管的亮度也随之变暗。

实验二：用软管夹夹住D仓和C仓之间的连接软管，将D仓灌满水，在C仓灌一半水后将软管夹取下，同样D仓的水会沿着软管流向C仓。此时打开循环水泵，使得C仓的水由水泵抽向D仓，控制水泵开关，使得D仓的水位基本保持稳定，学生可以观察到发光二极管的亮度基本没有变化。

在整个演示过程中，学生的注意力非常集中。实验演示完成后，笔者要求学生自主总结规律，大部分同学都能得出结论：(1) 发光二极管的亮度随D仓水位下降逐渐变暗；(2)D仓水位不变，发光二极管的亮度不变。甚至有些预习比较好的同学已经总结出了D仓水的重力势能转化为叶轮的动能等结论。为了科学地解释在演示实验中观察到的现象，搞清楚整个实验过程中能量的转化规律，笔者带着同学们开始了新课的学习。该自制教具激发了学生们的学习兴趣和求知欲，活跃了课堂气氛。

在“探究产生感应电流的条件”教学中，该自制教具也起到了同样的作用。有了之前的基础，学生们知道了发光二极管的电能是由电机叶轮的动能转化而来的，但不清楚具体是如何转化的，由此可以带着具体的问题开展教学，以达到更好的教学效果。

3.2 自制教具在新课教学中的作用

三峡船闸是目前世界上最大的人造连通器，即使在学习后，大多学生在应用连通器原理解释船闸的运行模式时仍是一头雾水。因此笔者利用自制的“水电站模型”教具进行了演示：

(1) 插入闸板1和闸板2，准备好一桶滴入红墨水的自来水备用；

(2) 将自来水灌入A仓、B仓和C仓，并使A仓水位最高，B仓水位次高，C仓水位最低。并将准备好的塑料小船放置于A仓水面(图6)；

(3)提起闸板1，并保持闸板2在插入状态，A仓的水流入B仓，最终使得A仓与B仓的液面齐平，小船由A仓驶入B仓(图7)；

(4)插入闸板1，提起闸板2，B仓的水流入C仓，最终使得B仓与C仓液面齐平，小船由B仓驶入C仓(图8)。

同学们清晰地观察到小船从高水位的A仓平稳地驶入低水位C仓的全过程。为方便多次演示，可利用循环水泵将C仓和B仓的水抽入A仓再次实验。在课堂上模拟了水电站船闸的工作过程，弥补了课本原有实验的不足，学生可以思路清晰地用连通器原理解释船闸的工作流程。课堂氛围非常活跃，学生感叹物理学的美妙和神奇，激发了他们学习物理的兴趣，同时对本节课的内容有了更深的理解。

图6

图7

图8

4 结语

将自制教具运用在物理教学中，最大好处在于通过有趣且更具亲和力的实验吸引学生的注意，激发他们的学习兴趣，促进学生自主探究。在“能量的转化”教学中，笔者利用自制教具演示了水电站发电实验。学生在此启发下，自己动手做了“水火箭”“风力小车”“弹力小车”等实验作品(图9)，还配上了讲解视频，从他们的视频中可以看出，他们在制作过程中对这节课的理解已经完全达到了教学目标。教师利用自制教具引导学生，学生在轻松愉快的氛围中学习，既培养了学生的动手能力和创新精神，也增强了学生分析问题和解决问题的能力，提升了学生的核心素养。

图9