自制物理实验教具实施自主探究教学

谷春生

首都师范大学附属丽泽中学，北京 100071

1 引言

探究教学是国家课程方案和课程标准规定的重要教学内容，是培养创新人才的重要途径。自制实验教具，实施自主探究教学是物理创新教学的有效途径之一。“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”，自制教具分为教师自制教具、学生自制教具和教师指导学生制作教具三类。基于自制教具的自主探究活动把学生置于开放多元的学习环境中，增强了科学探究的创新性和趣味性，确立了学生的主体地位，可以更好地激发学生的好奇心和探究欲望，培养和提高他们的创新能力和核心素养。本文介绍了笔者开发教具，实施探究教学研究的三个具体案例，以供读者参考。

2 自制教具演示“断开回路中导体棒切割磁感线产生电动势”

在人民教育出版社出版的普通高中物理必修第三册（2019年版）《电磁感应》一章中提到“闭合回路的部分导体做切割磁感线运动时，导体棒两端产生感应电动势，回路中产生感应电流”。该部分内容的演示实验容易做，理论解释也不难理解。但断开回路的部分导体棒做切割磁感线运动时，回路中无感应电流，导体棒两端却产生了感应电动势。这部分知识内容的演示实验一直是困扰高中物理教师的一个难题。笔者设计了如下创新实验，以求突破该难题。

2.1 实验装置设计与制作

取一个大型强电磁铁，通一恒定大电流（10 A），产生一个稳恒的强磁场（约1.4 T），示意图如图1右侧所示。取130根铜漆包线，两端打磨掉绝缘漆焊接在一起（导线中间部分依然有漆包线间隔），把所有铜漆包线包裹在一起组成导体棒，放置在强磁场中。漆包线导体棒两端外接导线，分别焊接到两个抛光的大尺寸方形铜板中心，两铜板相对放置组成平行板电容器。在两个铜板间水平放入一个两端加高压的阴极射线管，左端接电源负极，右端接电源正极，如图1所示。

图1 自制教具演示“断开回路中导体棒切割磁感线产生电动势”

2.2 实验操作与演示

大型强电磁铁通电之后产生强磁场,磁场的N/S极如图1所示。双手托着铜漆包线导体棒，使其水平向右快速匀速运动，这时发现左侧阴极射线管中的电子射线向上偏转（图1）。

2.3 实验现象解释和原理分析

铜漆包线导体棒匀速运动切割磁感线产生恒定的电动势E=BLv。130根铜漆包线同时切割磁感线如同130个电源并联成一个大电源，进而在两铜板间产生持续稳定的匀强电场。从阴极射线管中射出的阴极射线（电子流）受到电场力的作用而发生偏转。铜漆包线导体棒持续匀速切割磁感线，导体棒两端产生恒定的感应电动势，两铜板间产生持续稳定的匀强电场，从而使得阴极射线发生偏转，但由于稳定的电容器相当于断路，所以电路中并没有感应电流。利用该创新实验教具可直观地演示出“断开回路中导体棒切割磁感线运动时，回路中无感应电流，但导体棒两端却产生了感应电动势”的现象，轻松突破了该教学难点。

针对学生特别感兴趣的问题开发创新实验教具，能进一步激发学生强烈的好奇心和求知欲。通过对问题的自主探究，可以使学生品尝探究的乐趣，激发学生对物理学的热爱，积极投入到物理学科的探究学习中去。

3 改进简易“弹簧振子机械能守恒演示仪”

人民教育出版社出版的普通高中物理必修第二册（2019年版）《机械能守恒》这一章节教学过程中，教师通常采用简易气垫导轨水平弹簧振子（图2）进行演示实验。

图2 简易气垫导轨水平弹簧振子演示仪

气垫导轨水平弹簧振子主要由“人”字形气垫导轨、螺旋弹簧、无色塑料振子（带黄铜指针）和铝制刻度标尺构成，底座右上角连接有一个白色塑料进气口。通常情况下，教师上课时用一根乳胶软管套在进气口上并拧紧，然后找一个肺活量大的学生，通过乳胶软管的另一端向进气口吹气。教师轻轻拨动无色塑料振子使黄铜指针指到+6 cm处松手，然后让学生观察指针是否左右等幅振动。结果往往因为学生吹气力量不足，气垫导轨阻力较大，指针左右振动幅度明显不相等，实验效果不理想。接下来，教师引导学生讨论如何改进实验装置。

3.1 实验装置的改进设计

指针本应该左右等幅振动，但为何实际操作过程中指针左右振动明显不等幅？为了获得更好的实验效果，该如何改进实验装置？

水平弹簧振子在左右振动的过程中，弹性势能和动能相互转换。由于弹簧和振子组成的系统机械能守恒，所以理论上指针应该左右等幅振动。但实际实验过程中存在摩擦阻力，所以指针无法等幅振动。那我们应该如何改进实验装置呢？有学生提出用大型专业气垫导轨装置进行实验，但大型专业气垫导轨装置搬运不方便，我们应该寻找更好的便携式改进装置。

3.2 引导学生改进实验装置

改进设计1：由于原实验装置无背景衬板，如果实验环境背景杂乱，则坐在教室中后排座位的学生不易看清弹簧和振子上的黄铜指针。我们可以用透明胶带粘上白色硬纸片作为衬板（图3）增加对比度，这样坐在中后排的学生也容易观察到指针的摆动。

图3 加上衬板的弹簧振子演示仪

改进设计2：学生吹气力量不足，弹簧振子与简易气垫导轨依然存在摩擦，系统机械能损耗，所以无法实现等幅振动。笔者尝试了各种办法，最后选定一个便携式抽气机，反其道而用之。将橡皮管一端接到抽气机的排气孔上，另一端接气垫导轨的进气孔（图4）。抽气机从空气中抽气，通过排气孔将空气排入气垫导轨进气孔。气垫导轨中气量充足，减少了弹簧振子与导轨的摩擦，基本实现了指针在铝制标尺-6 cm和+6 cm之间左右等幅振动，从而可从实验直观得出弹簧振子系统机械能守恒的结论。

图4 改进后的“弹簧振子机械能守恒演示仪”教具

这个探究实验可以培养学生较强的观察能力、综合动手能力、团结协作能力和语言表达能力等。学生在实践观察中学习物理知识，在愉快的氛围中得到感悟，提升了对物理学习的兴趣，提高了学生的科学思维和创新能力。

4 自制“平静对流现象演示仪”

教师提问：大家观察过液体的对流现象吗？

学生积极回答：家中用铝壶烧水时，打开壶盖观察过水的沸腾现象。

教师启迪学生思考：壶水沸腾是一种剧烈的对流现象。大家有没有观察过平静的对流现象？比如，将一杯冷水放在室温环境中，用酒精灯缓慢加热，这个过程有没有对流现象发生呢？

学生积极思考，分析猜想：因为水温相差不明显，所以没有对流现象发生。

那真实情况究竟如何呢？

4.1 开发实验资源，自主探究实验

取一个圆柱形无色透明玻璃烧杯，倒入五分之四烧杯容积的冷水。找一个较大的厚型塑料泡沫圆板或软木瓶塞，用一根长的细钢针穿过瓶塞中心，露出一截针尖。把绿色雪碧塑料瓶壁剪成“一”字形，然后把中间部位放在火上烘烤，将左、右两部分向相反方向旋转倾斜一定角度，形成一对螺旋桨（图5）。用露出的针尖在“一”字形螺旋桨的正中央位置钻一小孔，然后在针尖末端焊上石蜡，以防止塑料螺旋桨滑落。反复旋转调试螺旋桨，使其转动灵活自如；最后将整个装置浮于水面，如图5所示。学生把烧杯放在稳定的水平工作台面上，用酒精灯通过石棉网对玻璃烧杯底部缓慢加热，然后静坐下来仔细观察。半分钟后，学生神奇地发现：螺旋桨慢慢旋转起来了。

图5 自制的“平静对流现象演示仪”教具

实验现象与猜想结果相反，这激起学生强烈的探究欲望：为什么螺旋桨会旋转呢？

4.2 引导学生分析实验现象，进行科学思考

塑料螺旋桨之所以会慢慢转动，是因为贴近杯底的水比杯上部的水先受热。由于热水的密度比冷水的密度小，杯底部中心的热水会向上流动，而四周温度较低的水会流过来填补空隙，从而形成水的对流，于是推动螺旋桨旋转起来，这就是平静的对流现象。如果不借助螺旋桨的转动，杯中水的平静对流现象不易被人观察到。

通过巧妙设计制作轻巧的塑料螺旋桨，短暂加热水后，高灵敏度的螺旋桨就演示出水的平静对流现象。这说明根据生活经验的主观猜想，往往不一定正确，需要经过实践检验。实验探究给学生提供检验所学理论知识的机会，能综合培养学生的观察能力、动手能力、分析能力和自主创新能力。

5 结论

综上所述，自制实验教具，实施自主探究教学在全面提升学生核心素养方面具有广阔的应用前景，所以教师在教学过程中要深挖教材中的探究性因素，开发创新教学资源，自制教具或启发学生自制学具，实施科学探究教育。学生在自制仪器中体验，在科学探究中感知，在质疑交流中创新，从而培养学生实事求是的科学态度，树立科学质疑和自主探究的精神，锻炼敏锐的观察力以及灵活的动手能力。提高学生语言表达能力和团队协作能力的同时，全面提升学生的学科核心素养。