自制教具在物理教学中的运用

摘 要：在初中物理教学中，探究晶体熔化规律的实验通常会选用海波作为实验材料。然而，在实际教学过程中，往往会因导热性差和受热不均匀等问题，导致实际绘制的海波熔化过程温度曲线与理论曲线存在较大差异。本研究采用Arduino开发板、振动电机、温度传感器等元件自制了一款新型教具，并在实际教学中用此教具对“海波的熔化”实验进行了改进。

关键词：海波熔化实验改进；温度传感器；自制教具。

1 问题来源

目前，很多初中物理教材中都提到了使用海波（硫代硫酸钠）进行探究晶体熔化规律的实验。这些教材普遍建议采用水浴加热方式以确保海波受热均匀，如图1所示。然而，在实际教学中，如果完全按照教材中的装置和步骤操作进行实验，往往难以得到与理论相符的结论。以下是导致这种情况的几个原因。

原因1：海波导热性差，导致试管壁上的海波往往最先熔化，内外海波熔化不同步。

原因2：实验室使用的温度计精确度不高，分度值为1℃，不能精准反应温度的变化。

原因3：随着海波熔化，液面下降，温度计玻璃泡未能浸没在液态的海波中，玻璃泡未与“固液共存”状态下的海波充分接触，［1］导致无法准确地测定出对应的温度。

原因4：在水浴加热的过程中，为了解决海波受热不均匀的问题，可以使用玻璃棒或改良的螺旋细铁丝圈进行搅拌。然而，由于试管口径较窄，搅拌操作较为困难，这通常导致无法达到预期的搅拌效果。［2］

原因5：人工记录温度时容易产生误差，导致温度数据与对应时间不匹配。此外，由于该实验耗时较长，人工实时记录常常会影响上课进度。

基于以上问题，作者使用Arduino开发板制作了一款电子温度计。通过新增振动器和限位器解决了海波受热不均匀和温度计接触不充分等问题，从而显著提高了实验的精确度。这一改进不仅有助于学生更好地理解和验证理论知识［3］，而且减少了人工干预和测量误差，进一步增强了实验教学的效果。

2 教具制作

2.1 所需器材

Arduino开发板、数据传输线、DS18B20温度传感器模块、OLED液晶显示屏、开关、振动电机模块、电阻、面包板、限位模块、橡皮筋、亚克力板若干、连接线若干。

2.2 搭建器材

图2展示了自制教具模型的简图。该教具模型主要由控制模块、振动模块、温度采集模块三部分构成。

2.2.1 控制模块

控制模块的核心是Arduino开发板，它与电源、开关以及液晶显示屏等组件一起构成了整个装置。Arduino开发板的主要功能是采集温度传感器模块实时测得的温度数据，并将这些数据传输至电脑端。同时，它还将实时温度数据显示在液晶显示屏上，使学生能够直观地观察温度的变化过程。该模块的设计旨在增强实验的可视化效果和数据精确度。［4］

2.2.2 振动模块

振动模块由电动机、偏心轮和固定外壳等部件组成。该模块采用电机振动来替代传统的人工搅拌，有效减少了人为操作可能导致的误差。此外，通过振动模块的作用，使晶体的熔化能够更加均匀，从而进一步提高温度测量的准确性。

2.2.3 温度采集模块

温度采集模块（如图3所示）由温度传感器、一个限位装置1和两个限位装置2组成。这些限位装置的作用是将温度传感器固定在特定位置，以避免传感器与试管内壁及试管底部接触。所有限位装置均采用橡胶材质，这样不仅起到了限位的作用，还能够减轻传感器的振动，进一步提高了测温的稳定性。

3 实验步骤及改进效果

3.1 实验步骤

3.1.1 研磨海波

由于海波在空气中易被氧化，应将海波晶体包裹在纸中，然后研磨成粉末状。这样做不仅有助于海波受热更加均匀，还可以缩短实验所需的时间。

3.1.2 安装温度传感器

将温度传感器插入试管中，位置应靠近试管底部，以确保传感器能够准确采集到固液共存状态下的温度数据。

3.1.3 安装振动电机

使用橡皮筋和挂钩将振动电机固定在试管口附近，通过电机的振动使海波受热更加均匀，同时也避免了繁琐的人工搅拌过程。

3.1.4 搭建装置

根据实物图（如图4所示）搭建实验装置。将Arduino开发板连接到计算机，并通过数据传输线传输实时数据，然后打开相应的操作界面以监测温度变化。

3.2 改进后的优势分析

将温度传感器实时收集到的海波熔化数据转化为熔化温度曲线，如图 5所示，经过多次重复实验，实验结果依然很稳定。结合实验过程，我们可以分析得出改进实验的如下优势。

第一，在教材中原有的装置基础上增加了一个偏心振动装置。该装置通过稳定的高频率振动，有效地促进了海波均匀受热。相比传统的人工搅拌方式，这个偏心振动装置增加了有效碰撞的次数，从而使受热更均匀。同时，使用这个装置也降低了实验操作的难度，让实验过程更加轻松。

第二，在普通试管中引入了限位器。其主要作用是防止温度传感器的探头触碰到试管的侧壁和底部。同时，随着海波的熔化，限位器也会在重力的作用下自动下降，以确保传感器能够准确测量到处于固液共存状态下的海波的温度。这个限位器的设计大大提高了实验的准确性。

第三，相比于教材中的活动步骤——“待温度升高到40℃，每隔0.5min记录一次温度”，采用Arduino开发板自制的电子温度计可以实现每5s（时间间隔可根据需求自由设定）将温度实时显示在液晶显示屏上，并将采集到的实时温度传输至电脑端，以生成熔化过程的图像。通过这些图像，我们能够直观地观察到海波熔化过程中存在一个平稳的阶段。这一阶段的温度保持在47～48℃之间，持续时间约为3min，这与理论预期相符。这个改进提高了实验的精确性和可视性。

第四，与传统实验室温度计（分度值为1℃）相比，温度传感器（分度值为0.01℃）具有更高的测量精度，能够更精确地测量温度，更贴近实际情况。这一改进提高了实验数据的精确度，有助于更准确地分析和理解熔化过程中的温度变化。

4 结语

根据《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）的要求，信息技术与物理教学的融合非常重要。［5］同时，《课程标准》还鼓励教师积极参与自制教具、改进和开发新实验的工作。［6］

在这一背景下，笔者结合自身的教学经验和前人的研究成果，对已有的实验装置进行了深入分析，并通过自制教具改进了实验装置。这些改进使得原本较为繁琐的实验操作变得更加简单，同时也使实验效果更加直观。将信息技术与物理教学相融合的过程，不仅提高了实验教学的质量［7］，还展示了教师在信息技术和教育领域积极探索与实践的成果。

参考文献

［1］蔡启仙.海波熔化实验的两点改进［J］.物理教师，2007，28（10）：31-32.

［2］李臣.海波熔化实验失败原因与成功改进［J］.中学物理（初中版），2018，36（5）：17-19.

［3］张伟，罗星凯.物理自制教具及其实验的独特教育功能探究［J］.物理教师，1995（6）：1-3.

［4］孟湘莲.利用DIS改进海波熔化实验［J］.物理教学，2021，43（4）：24-25.

［5］［6］中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022：43，55.

［7］沙琦波，陈心怡.核心素养导向下信息技术与初中物理教学的融合探索——以“物体的内能”为例［J］.物理教师，2022，43（3）：40-43.