高中物理低成本实验器材的创新研究与应用

■烟台市牟平育英艺术中学 任丽媛

高中物理是培养学生综合素质的重要组成部分，是提高学生科学素养的基础，是国家创新人才战略形成的关键。根据高中物理课程标准，要求学生掌握现代科学技术和符合社会时代发展的物理知识，培养学生的实验技能、思维和解决问题的能力，这些能力都要从实际的物理实验操作获得。物理实验的实施一定离不开实验器材，但是在当前学校中，实验器材过于陈旧，远远不能满足教师和学生的实际学习需求，所以教师应另辟蹊径，研究简单、易于操作、成本低廉的实验器材。因此，为适应课程的发展和满足课程创新的需求，开发低成本实验器材至关重要。本研究分析了当前高中物理教学过程中的缺陷与原因，探索了低成本实验器材的应用价值，为研究创新型的低成本实验器材提供思路，为一线教师的教学提供建设性的参考。

一、当前高中物理教学过程中的缺陷与原因

物理课是以探究、实验为主要活动的课程。在物理课上，通过一系列实验操作，不仅能开阔学生的视野，还能有效提高学生科学素养和技能。但是目前学校在实验技能的培养上，还有些放不开手脚。在实际高中物理教学中，关于实验的实际操作较少，一些实验的理念、过程和结果都通过教师口头传述，并且大部分都由教师在黑板上或者多媒体课件上演示，学生只能“听”或“看”实验，并不能真实地感受实验所带来的魅力。造成当前高中物理教学缺陷的原因有以下几个方面。首先，对学校来说，在实验室建设方面投入的资金较少，实验室设备不健全，仪器老化、材料短缺、年久失修，造成物理实验的资源稀缺，使部分物理实验不能照常进行，尽管部分实验能做，也因为课时有限、教师课程规划不合理而没有办法完成。其次，在应试教育模式下，物理教师只注重学生的成绩，缺乏对学生综合素质的培养，只重视理论知识的教导，不重视物理实验的展示，他们认为在课上讲实验比做实验所带来的学习效果更好。最后，对教师来说，要想在课堂呈现完美的实验，要在课下认真挑选器材、熟悉实验步骤和过程，不仅要花费很长的时间，还要教师付出脑力和体力劳动。但是实验器材不足，教师想要在课上展示实验，也没有办法进行，所以提倡教师运用生活中的物品，采取低成本实验器材，邀请学生共同参与课上进行物理实验研究，提高物理课堂的教学质量。

二、低成本实验器材的应用价值

低成本实验器材是运用廉价或者常见的玩具、物品、科技材料而制作的器材，但是却能以最简单的方式满足学生对实验的需求，使学生直观地了解到实验的整个流程，提高学生的学习效率。由于其材料的易获取性和普遍性，所以低成本实验器材开放性很高，有着非常广泛的开发空间，在教学过程中应用价值也极大。

（一）材料获取方便，效率高

低成本实验器材最重要的特点就是方便获取、价格便宜、简单制作，虽然其原本的价值较低，但是通过制作后，其所带来的应用价值却极高。首先，制作低成本实验器材的材料大多数是来自生活中常见的物件，在学生的认知范围之内，价格低、易获取，有利于物理实验的大范围展开。其次，使用低成本实验器材，能提高效率。再次，教师不用过分关注于实验器材短缺这一问题，而是可以花较少的时间就地取材，选取简单的生活用品来制作实验器材，提高教师的备课效率。最后，教师可以在课堂上指导学生制作简易的实验器材，使学生熟悉实验器材的操作，深刻地掌握实验理念和步骤，提高学生学习效率。

（二）激发学生学习兴趣

兴趣是学习的启发者，是保证教学效率的重要前提。在物理教学过程中，相比教师刻板的理论知识输入和公式推导，生动、形象的物理实验更能吸引学生的注意。所以，在课程进行之前，先用一个有趣的低成本实验来导入，吸引学生的注意力，提升学生的学习热情和探究欲望。在讲解电磁感应现象时，教师可以用两块相同的强磁铁，一个塑料管和一个铝管（两个管的粗细、长短也相同）做一个有趣的小实验。竖直固定两个管，将两个强磁铁同时在两个管内自由释放，我们可以发现，塑料管内的磁铁先落下，而铝管内的磁铁稍慢一些。之后教师提出问题“为什么铝管内的磁铁下落较慢？”，吸引学生进行关注、思考，再解释其原因，由于磁铁的下落，在铝管中产生了感应环形电流，而这个电流产生的磁场将会影响磁铁的下落，这就是电磁感应现象。这种简单的实验可以激发好奇心，引导学生的探究意识，而且整套实验器材几乎不花钱，还可以重复利用、节约资源。

（三）提升学生的创新思维

低成本实验器材是以学生的思维发展为基础，符合学生认知水平，方便学生制作和使用。但是在其制作过程中，并不是将生活用品简单的组合，而是要靠学生的想象力和创造力，对原有的实验材料进行改装，制作成简易版的实验。这样既保证了低成本实验制作的开放性，又为学生创设了一个基础的实验器具创新平台，提供了更多的实践机会，对学生的创新思维、实践能力的提升产生了积极影响。除此之外，学生在制作实验材料之前，必须以保证实验效果和理解实验理念为前提，这样使学生深刻掌握了课程目标和物理实验规律，为学生的深远发展打下了基础。

（四）动手参与，直观生动

物理是一门与生活紧密联系的学科，所以将物理实验联系到实际生活，让学生运用常见中的素材，直接参与制作低成本的实验器材，不仅能提高学生的主动意识，还能有效降低学生学习物理知识的难度，提高课堂学习效果。同时，实验器材源于现实生活，价格低、方便制作，教师不用过于担心实验器材的损坏，而且对接受能力较慢的学生，还可以重复使用，直到深刻理解实验规律，掌握实验结果。

学生动手参与到低成本实验器材的制作中，不仅能直观、生动地观察到实验的发展过程和物理规律，还能获得大量的感性知识，促进物理知识与实际生活的认知相融合，为建构新知识作铺垫。此外，学生对自己亲身制作的实验器材，有亲近感，能摒除探究物理实验的恐惧心理，丰富物理课堂的学习内容。而且直观观察物理实验，能对学生未来的自主实验起到促进作用。

（五）有利于培养科学素养

为了提升国家科技竞争力，满足国家科技发展的需求，提高公民的科学素养，必须对物理教学进行改革创新，因为物理课程教学的标准是使学生掌握符合社会发展的基础物理知识和实验技能，培养学生的科学素养，提升学生的应用能力。物理实验所要求知识、操作和应用是科学探究和综合能力的必备元素，也是科学素养的重要组成部分。因此，必须把实验操作作为高中物理课程的重要活动，实验必然离不开器材，而低成本实验器材的制作更强调实验操作、物理知识的运用和创新意识，更有利于培训学生的科学素养。同时，低成本实验更贴近于社会生活，能使学生感受到科学技术对社会发展所起到的积极影响，提高学生学习物理的动力。

三、制作高中物理低成本实验器材的创新方法

（一）利用替代法，用低成本材料进行模仿

利用已有的材料对原实验器材进行仿制，是制作实验器材最常用的一种方法。在高中实验室内，存放着不少精美制作的实验仪器，有着特定的用途和理念，所以可以根据所需的实验器材的设计原理和该器材的应用需求，利用一些低成本材料进行模仿，制作出简易版的实验仪器。

在物理课上，一个精致的惯性演示器包括底座、弹片、立柱、钢片和钢球几个部分。在底座上固定弹片和立柱两部分，再将钢片和钢球放在立柱上。在固定住底座和立柱情况下，将弹片拨动到一定的角度，迅速有效的弹走钢片，在保证弹片不打到钢球的情况下，就能使钢球保持其原有的惯性而不移动。

在了解了惯性演示器的设计原理后，就可以利用生活中常见的材料设计出一个简便的惯性演示器。需要一个装满水的矿泉水瓶和一张坚韧的纸片，将矿泉水瓶放在纸片上，水瓶底完整的压在纸片的边缘部分，用手迅速抽走纸张，就能看到水瓶由于自身的惯性而停留在原位置，这便是低成本的物理实验。每一个学生都能操作，亲身体会物理实验的原理，不仅能提高到物理课的趣味性，还能丰富物理知识体系。

（二）利用设计法，根据实验目的设计实验

如果缺乏现有的实验器材做参考，那就只有按照原本的实验目的，设计一个新的物理实验。那么如何在保证低成本的情况下设计一个创新性的实验呢？这就要包括以下几个方面：材料便宜且容易制作；与学生的实际生活联系密切；激起学生的学习兴趣；拓展学生的创新意识；促进物理知识的学习等。

例如，在学习“超重与失重”这一章节时，教师首先设计一个实验来引入，这个实验叫“书里的大力士”，选取两本大小、厚度类似的两本书相对而放，将部分书页叠到一起，然后合起来。首先让力气比较大的男生来挑战，两只手分别捏住书脊向外拉，会发现很难分开两本书。再邀请一位力气较小的女生，在她捏住书脊向外拉的同时，教师提醒她上下拉动，这时很容易地分开了两本书。这种简易的实验器材，全班学生都可以动手制作，让每一个学生都切实感受两种情况下的结果，同时对比这两种实验结果，引发学生的思考和探究。接下来，引入课程内容，在学生了解了失重和超重的基础知识后，再回到这个实验上，详细地解释在书本向下运动时处于失重状态，而这时是不存在摩擦力的，所以能很轻松地分开两本书。

（三）利用常见的小器具，制作低成本实验器材

其一，利用生活中的小玩具。生活中的小玩具大都是科学的产物，其整体都符合物理规律，体现着科学的理念。除此之外，玩具拥有美丽的外表，独特的设计，能激发学生的兴趣，吸引学生的注意力，使学生在愉快的氛围中学习知识。如果教师能将玩具应用到低成本实验中，利用其有趣的特点来开展物理实验、讲述物理原理，能提升学生的学习热情，调动课堂积极的氛围，做到真正的寓学于乐。在学习摩擦力能使车子前进这一内容时，可以借助生活的遥控汽车来进行实验，用六根铅笔、一片硬纸板和一辆玩具汽车作为实验器材。先将六根铅笔间隔有序地排列在硬纸板下面，将遥控汽车放在硬纸板上面，用遥控控制汽车向前制动，这时就会发现硬纸板在向后移动。再引导学生对硬纸板进行受力分析，采用牛顿第三定律分析车轮的受力，就能发现汽车前进的动力是摩擦力。

其二，利用实验室的小器械。学校的物理实验室里肯定会有一些比较基础的实验器材，比如木板、小车、音叉和秤砣等，当教师无法保证每一个学生都能在实验室进行实验时，可以利用实验室基础的仪器、设备，设计出简便的低成本物理实验带到课堂上，让学生真实、清楚地观察实验过程，贯彻从生活走向物理的课程理念。在学习振动发声时，让学生用手摸自己的声带，说话时声带会发生振动，那么其他物体发出声音时是不是也会振动呢？这时，教师拿出实验室的音叉和一根穿了线的乒乓球，拿橡皮锤敲打音叉，使其发出声音，然后手提起细线，将乒乓球悬挂在空中，接近于发出声音的音叉，然后就会看到乒乓球在接近音叉的位置振动，这就说明音叉在发出声音时，也会振动，振动是物体的发声方式。采用这种客观物理实验可以简单、直观地了解物理实验原理，比口述理论知识的效果要好得多。

其三，利用生活中的电子元件和产品。随着科技时代的发展，给人们生活带来了日新月异的变化，一些高级的科技设计和新科技材料广泛应用于日常生活，例如，智能手机、电脑、声控灯、红外遥控、3D打印技术和超导材料等都是可以生活中方便接触到的科技和材料，教师应该积极地运用这些宝贵的资源，通过将其进行简单的改造，就能利用这些简便的器材来进行物理实验或者探究物理现象。

为了给学生比较声波和电磁波的传播方式的差异，教师通常口头传授理论知识，但是今天可以用一个手机和可以真空的水槽来制作低成本实验，让学生更直观地了解两种波传播方式的不同。首先，将手机放进密封袋中，水槽里注满水，再用绳子系住密封袋，放进水槽里，使手机悬浮在水槽中。然后拨打水中手机的号码，能看到手机亮起，同时还能听到铃声响起，学生能清楚地感知到声波和电磁波都能在水中传播。接下来进行另一个实验，将手机放进没有水的水槽内，并抽完空气，使手机处于真空状态，这时再次拨打手机，能看到手机亮起但是却听不到铃声，这就说明电磁波能在真空状态下传播，但是声波不能。这种低成本物理实验更贴近学生的日常，使学生真切地感受到物理对人类社会的影响，拉近了抽象理论与现实生活的距离。

综上所述，实验是掌握物理知识、实验技能的基础，是形成科学素养的前提，所以教师应注重实验对学生的引导作用。而低成本物理实验不仅便宜、方便，能促进学生直观、生动的观察物理实验，还能培养学生的动手参与能力，有着巨大的应用价值。因此，在高中物理教学过程中，教师要善于利用生活中的物件，开发创新思维，可以通过用低成本材料模仿实验仪器、根据实验目的设计简易版实验、利用日常生活中的小器具等方法来制作低成本实验器材，并将其引入到物理课堂，用以提高学生的学习兴趣，优化物理课堂的实验探究，建设高效物理课堂。