自制低成本教具, 提高初中物理演示实验教学的有效性
广州市第五中学
摘 要：由于应试教育的强大压力、实验设备的不足以及实验技术的落后等客观因素的影响, 导致演示实验仍是教学中的薄弱环节.然而, 教学中许多重点、难点问题往往可以通过自制合适的教具来解决.笔者结合自己十几年的教学体会, 遵从精简易取、贴近生活、低成本的原则, 利用现有资源自制了一系列的低成本教具并应用于教学实践, 使得演示实验变得操作容易、演示效果明显, 提高了演示实验教学的有效性.
关键词： 自制教具; 演示实验; 实验教学;
1 问题的提出
当前, 不少学校的实验教学有逐步弱化的趋势.很多教师觉得, 要提高纸笔测验中实验题的分数, 做实验不如讲实验, 讲实验不如记实验.在这种思想指导下, 教师编辑了许多实验题及其答案让学生记, 不仅学生的实验能力得不到发展, 学生解决问题的基本素质也难以提高.在这种背景下, 《物理新课程标准 (2011年版) 解读》教学建议指出:“实验教学是物理教学的重要组成部分, 是落实物理课程目标、全面提高学生科学素养的重要途径.”该标准 (2011 年版) 对义务教育物理课程的实验提出了明确的要求.在“内容要求”中, 凡是用“通过实验”这一措辞陈述知识内容, 都必须通过实验来学习, 这些实验是必须做的.但是, 由于应试教育的强大压力、实验设备的不足以及实验技术的落后等客观因素的影响, 在当前的物理实验教学中, 尤其演示实验仍是极其薄弱的环节, 还是有不少教师干脆不做实验, 把演示实验变成“口说实验”或“板书实验”, 这种状况将影响学生的知识能力结构和非智力因素的发展.其实, 针对这种情况我们完全可以 “自力更生”, 利用现有资源, 自制低成本教具, 提高初中物理演示教学的有效性.
2 研究的理论基础
2.1 奥苏贝尔的接受-同化学习理论
根据奥苏贝尔 (Ausubel) 的意义接受学习说, 学习可以按进行的方式分类为接受学习与发现学习;又可以按内容分类为机械学习与有意义的学习.根据学校教与学的特点, 奥苏贝尔提倡有意义的言语接受学习, 即学习者把以定论形式呈现给自己的学习材料与其已形成的认知结构联系起来, 以掌握对这种学习材料的学习方式.
笔者认为, 对于物理学科而言, 中学物理所涉及的知识是人类从最初直至20世纪才总结形成的, 是一门建立在反复科学实验基础上, 又与数学方法紧密联系的学科, 具有范围广、理论性强、逻辑性强、系统严密、应用广泛等特点, 要学生在学校学习中通过归纳性发现的方式来重新一一获得全部知识并不可行, 而应该更多地在认知心理学基础上, 采用意义接受式学习, 这是学生获取知识的一种现实的、高效的方法, 既符合大部分学校、学生实际, 又批判传统的灌输教学, 强调理解及融会贯通, 强调注意学生原有的知识结构.
2.2 皮亚杰的认知理论
皮亚杰认为, 认知过程是在个体思维不断成熟的基础上, 当主客体间发生相互作用时, 主体会根据自己原有的认识图式对外界客体作出反应并试图吸纳、改造, 所谓“同化”, 对不能同化的因素则进行自我调整, 改变原有图式, 所谓“顺应”, 通过不断的“同化-顺应”, 使图式不断地更新、协调和丰富 (即平衡) , 获得个体经验与社会经验, 从而实现认知的发展.
大部分初中学生的思维尚处于形象思维阶段, 因此, 在初中物理教学中需要具体形象材料的支持, 在很大程度上, 学生仍习惯于靠经验材料判断分析事物, 不善于从理论上进行推导.心理学研究表明:人们认识事物存在着知觉优先的倾向.这就要求教师必须给学生提供足够的感性材料和活动机会, 初中学生在没有学习物理之前往往有一定的认识图式, 学生通过实验, 使原有的认识图式不断地“同化-顺应”, 从而不断地加深对物理概念和规律的理解.
2.3 演示实验的有效性教学的涵义
根据2001 年8 月出版的《基础教育课程改革纲要 (试行) 解读》中的“有效教学”理念, 所谓“有效”, 主要是指通过教师在一段时间的教学后, 学生获得具体的进步或发展, 学生有无进步或发展是教学有没有效益的唯一指标.物理演示实验的有效教学, 就是要让学生通过观察或操作演示实验, 学到物理知识, 深刻理解物理原理, 在知识、技能和情感上都获得进步.
2.4 演示实验教学的基本要求
演示实验的设计要遵循科学性强, 实验现象明显、直观、易于观察, 演示实验安全可靠、成功率高, 实验装置结构简单、操作简便的原则.为立足于先进的教育理念对演示实验的要求, 要从教与学的角度把握演示实验应遵循的基本要求.
3 自制低成本教具, 提高演示实验教学有效性的实例研究
我国物理教育家朱正元先生力主自制教具.他提倡“坛坛罐罐当仪器, 拼拼凑凑做实验”.他说:“不要迷信只有工厂制造的仪器才是仪器.”他提倡物理教师要设法不花一文钱而能做物理实验.针对以上情况, 作者结合自己近十年的教学体会, 利用现有资源, 自制低成本教具, 使得演示实验操作变得方便, 成功率高.下面作者从以下几个方面结合案例进行说明.
3.1 案例1 重力势能直观演示仪
原来情况:人教版初中物理八年级机械能一节, 演示重力势能和什么因素有关实验时, 一般用重物砸沙池, 根据沙的凹陷程度判断被举高重物具有的重力势能, 也有人利用重物砸木棒, 根据木棒的下陷程度判断被举高重物具有的重力势能, 这些实验在理论上没有问题, 但因为重物很难砸中木棒, 木棒很容易歪, 所以2种实验效果一般.
本教具利用废水管 (用刀挖了一半, 方便学生观察) 和木板 (上面钻3 组圆孔, 注意孔大小) 定位, 让重物砸铅笔时, 铅笔不会歪.从而保证效果明显.
制作材料:水槽和钩码 (实验原来有) 、铅笔、废水管、木板、铁皮、沙.
制作方法:
1) 截取木块1块, 用铁皮包好木板, 让其刚好盖在水槽上, 并在木板 (上面钻3组圆孔, 注意孔大小和3组圆环) .
2) 截取3段等长废水管, 用刀挖开一半, 方便学生观察.
3) 用502胶水将2个钩码粘在一块.
实验过程:探究重力势能与质量和被举高的高度有关.
1) 先将木板盖在水槽上, 并将铅笔插在3个孔上.
2) 将废水管插上.
3) 用钩码砸铅笔, 如图1.
4) 将废水管拿掉, 分析得出结论.
创新之处:1) 钩码不会打偏;2) 实验操作方便;3) 能基本定量得到重力势能与质量的关系, 实验效果明显;4) 实验成本低.
图1 重力势能演示装置
3.2 案例2 磁悬浮直流电动机和换向器直观演示仪
原来情况:人教版初中物理九年级电学有电动机和换向器的讲述, 实验室原来只有直流电动机模型和学生实验用小电动机, 教师一般处理都是用模型和挂图配合讲授换向器原理, 电动机如何转动没有演示实验, 很多教师都用“口说实验”或“板书实验”代替.由于本节内容比较复杂, 学生较难理解.
自制器材:利用U085蹄形磁铁、线圈、电刷、木块、小木头, 电线铜片 (这些实验室原来都有) 和2块废扬声器的磁钱, 自制成磁悬浮直流电动机和换向器直观演示仪.制作过程省略.使用过程:将2个电刷分别放置上下2段, 演示没有换向器时, 线圈转动情况.图2将2个电刷分别放置中间, 演示有换向器时, 线圈转动情况.
图2 磁悬浮直流电动机和换向器演示装置
创新之处:1) 中间利用2块圆形磁铁隔开, 起到磁悬浮的作用, 可以减少转动过程受到的阻力, 降低能耗;2) 用此演示仪可以完成课本通电线圈在磁场中受力偏转、换向器的作用和电动机3个演示实验;3) 能直观地观察到通电线圈在磁场中扭转, 在换向器作用下, 能自动改变电流方向, 使电动机能飞快转动, 演示效果明显, 学生易理解.
3.3 案例3 海市蜃楼演示仪
原来情况:人教版初中物理八年级光的折射提到海市蜃楼现象, 但是通常只是看视频, 学生兴趣不大, 但如果用探究活动, 用实验让学生亲身感受海市蜃楼, 则能提高学生学习兴趣.实验演示装置如图3所示.
图3 海市蜃楼演示装置
实验器材:圆弧形的自制水槽, 盐, 水.
实验过程:
1) 用透明塑料板拼装成圆弧形水槽, 用玻璃胶拼接, 保证容器不漏水.
2) 在水槽中装满水.
3) 在水槽中均匀洒上1层盐 (或白沙糖) , 不可搅拌, 放置0.5h以上.
4) 0.5h后, 用激光笔从水槽一侧射入激光, 在较暗的环境下, 可以看得激光在水中沿曲线运动, 实验现象如图4.
图4 光线在水中弯曲
创新之处:1) 能直观演示光在不均匀介质传播, 光的传播方向会发生改变;2) 实验现象明显, 可让学生亲身感受观察到海市蜃楼现象, 提高学生学习兴趣;3) 操作方便;4) 实验成本低.
3.4 案例4 简易功的原理和机械效率实验组合直观演示仪
原来情况:人教版初中物理九年级功原理和机械效率是很重要的实验, 但没有专用的器材.都是用铁架台、刻度尺和滑轮、杠杆和斜面来分别做对应的实验.操作麻烦, 效果一般.
自制器材:用废木板喷漆划线, 利用实验室现有的斜面和滑轮 (或滑轮组) 制成, 如图5所示 (正反均可使用) .
图5 机械效率演示装置
创新之处:1) 可以将功的原理和测机械效率实验组合起来;2) 操作简单方便, 直观准确, 可提高上课的效率;3) 实验效果明显;4) 实验成本低.
3.5 案例5 灯泡实际功率演示仪
原来情况:2个灯泡串、并联实际功率大小与额定功率大小关系是教学中的难点.
制作材料:50cm×40cm的硬质板1 块, 40 W和60 W的灯泡各1只, 2根绿色的导线, 红色导线, 螺丝钉, 灯座, 插头, 开关, 接线柱, 铁架台.
制作方法:
1) 在硬质板的2个接线柱上分别接导线, 一端导线连接插头, 一端连接分别连接1个灯座 (接60 W的灯泡) 和1个开关.
2) 在开关的另一端接1个活动的接线柱, 这个接线柱的一端接1个灯座 (40 W的灯泡) , 再加1个活动的接线柱, 与接60 W的灯泡的这个灯座连接起来.
使用方法:
1) 先将直板竖直放到铁架台上, 将灯泡串联在电路中, 如图6所示, 通电后发现40 W的灯泡发光很亮, 而60 W的灯泡发光微弱.
2) 调节电路, 使灯泡并联.发现60W的灯泡比40 W的灯泡亮, 如图7所示.
3) 将图6其中一灯泡短接, 可以直观演示短路现象.
特点:直接、形象地把在不同电路中的灯泡亮暗显现出来, 操作方便.
图6 灯泡功率演示装置 (灯炮串联)
图7 灯炮功率演示装置 (灯炮并联)
4 结束语
用日常器具或自制低成本教具进行实验探究活动, 有利于学生动手, 发展学生实验技能, 培养学生的创新意识.利用现有资源, 自制低成本教具, 实验装置结构简单、操作简便变得简便, 演示实验安全可靠、成功率高, 实验现象明显和直观、易于观察, 提高了演示实验教学的有效性.
作者简介：谢桂英 (1976-) , 女, 广东广州人, 广州市第五中学高级教师, 教育硕士, 从事中学物理教学工作.
基金：广东省教育科学规划课题 (No.2012YQJK058)
转载于《物理实验》 2014,04(34),11-14+18。
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