廣州市第五中學
摘要：由于應試教育壓力大、實驗設備匱乏、實驗技術落后等原因，演示實驗在教學中仍是一個薄弱環節，但教學中的很多重點、難點問題往往可以通過制作合適的教具來解決。我結合自身十多年的教學經驗，遵循簡便易行、貼近生活、成本低廉的原則，利用現有資源制作了一系列低成本的教具并運用到教學實踐中，使演示實驗操作簡便、演示效果明顯，提高了演示實驗教學的有效性。
關鍵詞：自制教具；演示實驗；實驗教學；
1 問題陳述
目前，許多學校的實驗教學有逐漸弱化的趨勢。許多教師認為，為了提高紙筆考試實驗題的成績，講實驗比做實驗好，記實驗比講實驗好。在這種思想的指導下，教師把許多實驗題和答案編輯出來讓學生記憶，不僅學生的實驗能力得不到發展，而且學生解決問題的基本素質也難以提高。在這種背景下，《新物理課程標準解讀（2011版）》的教學建議指出：“實驗教學是物理教學的重要組成部分，是落實物理課程目標、全面提高學生科學素養的重要途徑。”《新物理課程標準解讀（2011版）》對義務教育物理課程的實驗提出了明確的要求，在“內容要求”中，凡是帶有“通過實驗”字樣的知識內容，都必須通過實驗來學習，這些實驗都必須做。 然而，由于應試教育的壓力大、實驗設備缺乏、實驗技術落后等客觀因素，在目前的物理實驗教學中，特別是演示實驗仍然是一個極其薄弱的環節，還有很多老師干脆不做實驗。把演示實驗變成“口頭實驗”或“黑板實驗”留學之路，會影響學生的知識能力結構和非智力因素的發展。其實，我們完全可以“自力更生”來應對這種情況，利用現有的資源，制作低成本的教具，提高初中物理演示教學的有效性。
2 研究的理論基礎
2.1 奧蘇貝爾的接受-同化學習理論
奧蘇貝爾的有意義的接受學習理論認為，學習按其進行的方式可分為接受學習和發現學習；按其內容可分為機械學習和有意義的學習。奧蘇貝爾根據學校教學和學習的特點，主張有意義的言語接受學習，即學習者把以結論形式呈現給自己的學習材料與自己已經形成的認知結構聯系起來，從而掌握這種學習材料的學習方法。
筆者認為，對于物理這門學科來說，中學物理所涉及的知識是人類從開始到20世紀不斷總結形成的學科，是建立在反復的科學實驗基礎上、與數學方法緊密相關的學科，具有涉及面廣、理論性強、邏輯性強、系統性強、應用性廣等特點。學生在學校學習中通過歸納發現的方式，將所有知識逐一重新習得是不可行的，而應采用基于認知心理學的有意義的接受性學習，這是學生獲取知識的現實而有效的途徑，符合大多數學校和學生的實際，批判了傳統的灌輸式教學，強調理解與整合，注重學生原有的知識結構。
2.2 皮亞杰的認知理論
皮亞杰認為，認知過程是建立在個體思維不斷成熟的基礎上的。在主體與客體相互作用時，主體會按照其原有的認知圖式對外界客體作出反應，并盡力吸收改造，即所謂“同化”。對于不能同化的因素，則進行自我調整，改變原有的圖式。所謂“順應”，就是通過不斷的“同化—順應”，使圖式不斷更新、協調、豐富（即平衡），從而獲得個體經驗和社會經驗，從而實現認知發展。
初中生大部分還處于形象思維階段，因此初中物理教學需要具體的形象化材料的支撐。很大程度上，學生還習慣于根據經驗材料對事物進行判斷和分析，不擅長理論推導。心理學研究表明，人們在認識事物時，往往優先考慮感知。這就要求教師給學生提供充足的感官材料和活動機會。初中生在學習物理之前往往已經有一定的認知圖式，通過實驗，學生不斷對原有的認知圖式進行“同化—適應”，從而不斷深化對物理概念和規律的理解。
2.3 演示實驗有效教學的意義
按照2001年8月發布的《基礎教育課程改革綱要（試行）》中“有效教學”的概念，所謂“有效”主要是指經過教師一段時間的教學，學生所取得的具體進步或發展。學生是否有所進步或發展是教學是否有效的唯一指標。物理演示實驗的有效教學就是讓學生通過對演示實驗的觀察或操作，學習物理知識，深刻理解物理原理，在知識、技能和情感上取得進步。
2.4 演示實驗教學的基本要求
演示實驗的設計應遵循科學性強、實驗現象明顯、直觀、易于觀察、演示實驗安全可靠、成功率高、實驗裝置結構簡單、操作方便的原則。要立足于先進教育理念對演示實驗的要求，需要從教與學的角度把握演示實驗應遵循的基本要求。
3. 制作低成本教具提升演示實驗教學效果的案例研究
中國物理教育家朱正元先生提倡自制教具，他提倡“把壇子、罐子當成儀器，拼湊起來做實驗”，他說：“不要迷信只有工廠里做的儀器才是儀器。”他提倡物理教師不花一分錢，就嘗試做物理實驗。針對上述情況，筆者結合自己十幾年的教學經驗，利用已有資源，自制低成本的教具，使演示實驗操作方便，成功率高。筆者將從以下幾個方面結合案例進行闡述。
3.1案例一：重力勢能可視化演示儀
原文情況：在人教版八年級物理教材的機械能部分，演示重力勢能相關因素時，通常用重物撞擊沙池，用沙池的凹陷程度決定舉起的重物的重力勢能。也有人用重物撞擊木棍，用木棍的凹陷程度決定舉起的重物的重力勢能。這些實驗在理論上沒有問題，但由于重物很難撞擊木棍，而木棍又容易彎曲，所以這兩個實驗的結果比較平均。
本教具使用一根廢水管（用刀切成兩半，方便學生觀察）和一塊木板（上面鉆有3組圓孔，注意孔的大小）來定位鉛筆，這樣當重物撞擊鉛筆時，鉛筆不會彎曲。確保效果清晰。
材料：水箱與鉤子（實驗時原用）、鉛筆、廢水管、木板、鐵片、沙子。
生產方法：
1）切割一塊木頭，用鐵皮包裹板子，使其剛好蓋住水槽，并在板上鉆 3 組圓孔（注意孔的大小和 3 組環的大小）。
2）剪下三段等長的廢水管，并用刀將其切成兩半，方便學生觀察。
3）使用502膠水將兩個掛鉤粘合在一起。
實驗過程：探索重力勢能與質量、升力高度的關系。
1) 首先，將木板放在水槽上方初中物理教具模型，并將鉛筆插入三個孔中。
2） 堵住廢水管。
3）用鉤子擊打鉛筆，如圖1所示。
4）拆除廢水管，并分析得出結論。
創新點：1）鉤子不會偏離；2）實驗操作簡便；3）可以定量得到重力勢能與質量的關系，實驗效果明顯；4）實驗成本低廉。
圖1 重力勢能演示裝置
3.2案例二：磁懸浮直流電機及換向器直觀演示儀
原情況：民教版初中物理九年級電學課程中有關于電動機和換向器的描述。實驗室原來只有直流電動機模型和小電動機供學生實驗。教師一般用模型、掛圖講解換向器的原理，沒有電動機如何轉動的演示實驗，很多教師采用“口頭實驗”或“黑板實驗”的方式講解。由于這部分內容比較復雜，學生理解起來比較困難。
自制器材：利用U085馬蹄形磁鐵、線圈、電刷、木塊、小木塊、銅線（這些是實驗室里原有的）和2枚廢舊喇叭的磁性硬幣，制作了磁懸浮直流電機與換向器直觀演示儀。制作過程從略。使用過程：將兩個電刷分別放在上下兩段，演示不帶換向器的線圈轉動。圖2將兩個電刷放在中間，演示帶換向器的線圈轉動。
圖2 磁懸浮直流電機及換向器演示裝置
創新點：1）采用兩塊圓形磁鐵將線圈隔在中間，起到磁懸浮的作用，可以減少旋轉過程中的阻力，降低能耗；2）此演示器可以完成課本上的三個演示實驗：線圈在磁場中的偏轉、換向器的作用、電動機；3）可以直接觀察到線圈在磁場中發生扭曲，在換向器的作用下，可以自動改變電流方向，從而使電動機快速旋轉。演示效果明顯，易于學生理解。
3.3 案例三：幻影演示裝置
原情況：人教版初中物理八年級教材《光的折射》中提到了海市蜃樓現象，但平時學生只是看視頻初中物理教具模型，興趣不大。但如果通過探索活動和實驗，讓學生親身體驗海市蜃樓現象，可以提高學生的學習興趣。實驗演示裝置如圖3所示。
圖3 演示裝置
實驗設備：弧形自制水箱，鹽，水。
實驗步驟：
1）用透明塑料板組裝圓弧形水槽，用玻璃膠進行拼接，確保容器不漏水。
2） 將水槽注滿水。
3）在水槽里均勻撒上一層鹽（或白糖），不要攪拌，靜置0.5h以上。
4）0.5小時后，用激光筆從水箱一側射出激光，在黑暗環境下，可以看到激光在水中沿著曲線移動，實驗現象如圖4所示。
圖 4 光在水中彎曲
創新點：1）可以直觀地展示光在非均勻介質中傳播時，光的傳播方向會發生變化；2）實驗現象明顯，可以讓學生親身體驗和觀察海市蜃樓現象，從而增加學生的學習興趣；3）操作簡便；4）實驗成本低廉。
3.4案例4簡易工作原理與機械效率實驗結合直觀演示儀
原情況：人教版初中九年級物理教材中的功的原理、機械效率是很重要的實驗，但是沒有專門的設備，全部用鐵架、秤、滑輪、杠桿、斜面做實驗，操作麻煩，效果一般。
自制器材：利用廢舊木料涂漆、標線，利用實驗室現有的斜面與滑輪（或滑輪組）制作，如圖5所示（兩面都可以使用）。
圖5 機械效率演示裝置
創新點：1）能將工作原理與測量機械效率實驗結合起來；2）操作簡便、直觀準確，能提高教學效率；3）實驗效果明顯；4）實驗成本低廉。
3.5案例五：燈泡實際功率演示儀
原情況：兩個燈泡串聯、并聯時的實際功率與額定功率的關系是教學中的一個難點。
材料：50cm×40cm硬板1塊，40W、60W燈泡各1個，綠線2根，紅線，螺絲，燈頭，插頭，開關，接線柱，鐵架。
生產方法：
1）將電線連接到硬板的兩個端子上，電線一端連接插頭，另一端連接燈座（適用于60W燈泡）和開關。
2）在開關的另一端連接一個可動端子，將此端子的一端連接到燈座（40W燈泡），再增加一個可動端子，連接到接有60W燈泡的燈座。
指示：
1）首先將直板垂直放置在鐵架上，將燈泡串聯在電路中，如圖6所示。通電后發現40W燈泡發光很亮，而60W燈泡發光較弱。
2）調整電路，使燈泡并聯，發現60W燈泡比40W燈泡亮，如圖7所示。
3）將圖6中的其中一個燈泡短路，以直觀地演示短路現象。
特點：直觀、形象的顯示不同電路中燈泡的亮度，操作方便。
圖6 燈泡功率演示裝置（燈泡串聯）
圖7 燈功率演示裝置（燈并聯）
4。結論
利用日常用具或自制廉價教具開展實驗探究活動，有利于學生動手操作，發展學生實驗技能，培養學生創新意識。利用現有資源自制廉價教具，實驗裝置結構簡單，操作方便，演示實驗安全可靠，成功率高，實驗現象明顯直觀，易于觀察，提高了演示實驗教學的有效性。
作者簡介：謝桂英（1976-），女，廣東廣州人，廣州五中高級教師，教育碩士，從事中學物理教學。
基金資助:廣東省教育科學規劃項目（編號：）
轉載自《物理實驗》2014,04(34),11-14+18。