广州市第五中学
摘要：由于应试教育压力大、实验设备匮乏、实验技术落后等原因，演示实验在教学中仍是一个薄弱环节，但教学中的很多重点、难点问题往往可以通过制作合适的教具来解决。我结合自身十多年的教学经验，遵循简便易行、贴近生活、成本低廉的原则，利用现有资源制作了一系列低成本的教具并运用到教学实践中，使演示实验操作简便、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 问题陈述
目前，许多学校的实验教学有逐渐弱化的趋势。许多教师认为，为了提高纸笔考试实验题的成绩，讲实验比做实验好，记实验比讲实验好。在这种思想的指导下，教师把许多实验题和答案编辑出来让学生记忆，不仅学生的实验能力得不到发展，而且学生解决问题的基本素质也难以提高。在这种背景下，《新物理课程标准解读（2011版）》的教学建议指出：“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。”《新物理课程标准解读（2011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，凡是带有“通过实验”字样的知识内容，都必须通过实验来学习，这些实验都必须做。 然而，由于应试教育的压力大、实验设备缺乏、实验技术落后等客观因素，在目前的物理实验教学中，特别是演示实验仍然是一个极其薄弱的环节，还有很多老师干脆不做实验。把演示实验变成“口头实验”或“黑板实验”留学之路，会影响学生的知识能力结构和非智力因素的发展。其实，我们完全可以“自力更生”来应对这种情况，利用现有的资源，制作低成本的教具，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
奥苏贝尔的有意义的接受学习理论认为，学习按其进行的方式可分为接受学习和发现学习；按其内容可分为机械学习和有意义的学习。奥苏贝尔根据学校教学和学习的特点，主张有意义的言语接受学习，即学习者把以结论形式呈现给自己的学习材料与自己已经形成的认知结构联系起来，从而掌握这种学习材料的学习方法。
笔者认为，对于物理这门学科来说，中学物理所涉及的知识是人类从开始到20世纪不断总结形成的学科，是建立在反复的科学实验基础上、与数学方法紧密相关的学科，具有涉及面广、理论性强、逻辑性强、系统性强、应用性广等特点。学生在学校学习中通过归纳发现的方式，将所有知识逐一重新习得是不可行的，而应采用基于认知心理学的有意义的接受性学习，这是学生获取知识的现实而有效的途径，符合大多数学校和学生的实际，批判了传统的灌输式教学，强调理解与整合，注重学生原有的知识结构。
2.2 皮亚杰的认知理论
皮亚杰认为，认知过程是建立在个体思维不断成熟的基础上的。在主体与客体相互作用时，主体会按照其原有的认知图式对外界客体作出反应，并尽力吸收改造，即所谓“同化”。对于不能同化的因素，则进行自我调整，改变原有的图式。所谓“顺应”，就是通过不断的“同化—顺应”，使图式不断更新、协调、丰富（即平衡），从而获得个体经验和社会经验，从而实现认知发展。
初中生大部分还处于形象思维阶段，因此初中物理教学需要具体的形象化材料的支撑。很大程度上，学生还习惯于根据经验材料对事物进行判断和分析，不擅长理论推导。心理学研究表明，人们在认识事物时，往往优先考虑感知。这就要求教师给学生提供充足的感官材料和活动机会。初中生在学习物理之前往往已经有一定的认知图式，通过实验，学生不断对原有的认知图式进行“同化—适应”，从而不断深化对物理概念和规律的理解。
2.3 演示实验有效教学的意义
按照2001年8月发布的《基础教育课程改革纲要（试行）》中“有效教学”的概念，所谓“有效”主要是指经过教师一段时间的教学，学生所取得的具体进步或发展。学生是否有所进步或发展是教学是否有效的唯一指标。物理演示实验的有效教学就是让学生通过对演示实验的观察或操作，学习物理知识，深刻理解物理原理，在知识、技能和情感上取得进步。
2.4 演示实验教学的基本要求
演示实验的设计应遵循科学性强、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、操作方便的原则。要立足于先进教育理念对演示实验的要求，需要从教与学的角度把握演示实验应遵循的基本要求。
3. 制作低成本教具提升演示实验教学效果的案例研究
中国物理教育家朱正元先生提倡自制教具，他提倡“把坛子、罐子当成仪器，拼凑起来做实验”，他说：“不要迷信只有工厂里做的仪器才是仪器。”他提倡物理教师不花一分钱，就尝试做物理实验。针对上述情况，笔者结合自己十几年的教学经验，利用已有资源，自制低成本的教具，使演示实验操作方便，成功率高。笔者将从以下几个方面结合案例进行阐述。
3.1案例一：重力势能可视化演示仪
原文情况：在人教版八年级物理教材的机械能部分，演示重力势能相关因素时，通常用重物撞击沙池，用沙池的凹陷程度决定举起的重物的重力势能。也有人用重物撞击木棍，用木棍的凹陷程度决定举起的重物的重力势能。这些实验在理论上没有问题，但由于重物很难撞击木棍，而木棍又容易弯曲，所以这两个实验的结果比较平均。
本教具使用一根废水管（用刀切成两半，方便学生观察）和一块木板（上面钻有3组圆孔，注意孔的大小）来定位铅笔，这样当重物撞击铅笔时，铅笔不会弯曲。确保效果清晰。
材料：水箱与钩子（实验时原用）、铅笔、废水管、木板、铁片、沙子。
生产方法：
1）切割一块木头，用铁皮包裹板子，使其刚好盖住水槽，并在板上钻 3 组圆孔（注意孔的大小和 3 组环的大小）。
2）剪下三段等长的废水管，并用刀将其切成两半，方便学生观察。
3）使用502胶水将两个挂钩粘合在一起。
实验过程：探索重力势能与质量、升力高度的关系。
1) 首先，将木板放在水槽上方初中物理教具模型，并将铅笔插入三个孔中。
2） 堵住废水管。
3）用钩子击打铅笔，如图1所示。
4）拆除废水管，并分析得出结论。
创新点：1）钩子不会偏离；2）实验操作简便；3）可以定量得到重力势能与质量的关系，实验效果明显；4）实验成本低廉。
图1 重力势能演示装置
3.2案例二：磁悬浮直流电机及换向器直观演示仪
原情况：民教版初中物理九年级电学课程中有关于电动机和换向器的描述。实验室原来只有直流电动机模型和小电动机供学生实验。教师一般用模型、挂图讲解换向器的原理，没有电动机如何转动的演示实验，很多教师采用“口头实验”或“黑板实验”的方式讲解。由于这部分内容比较复杂，学生理解起来比较困难。
自制器材：利用U085马蹄形磁铁、线圈、电刷、木块、小木块、铜线（这些是实验室里原有的）和2枚废旧喇叭的磁性硬币，制作了磁悬浮直流电机与换向器直观演示仪。制作过程从略。使用过程：将两个电刷分别放在上下两段，演示不带换向器的线圈转动。图2将两个电刷放在中间，演示带换向器的线圈转动。
图2 磁悬浮直流电机及换向器演示装置
创新点：1）采用两块圆形磁铁将线圈隔在中间，起到磁悬浮的作用，可以减少旋转过程中的阻力，降低能耗；2）此演示器可以完成课本上的三个演示实验：线圈在磁场中的偏转、换向器的作用、电动机；3）可以直接观察到线圈在磁场中发生扭曲，在换向器的作用下，可以自动改变电流方向，从而使电动机快速旋转。演示效果明显，易于学生理解。
3.3 案例三：幻影演示装置
原情况：人教版初中物理八年级教材《光的折射》中提到了海市蜃楼现象，但平时学生只是看视频初中物理教具模型，兴趣不大。但如果通过探索活动和实验，让学生亲身体验海市蜃楼现象，可以提高学生的学习兴趣。实验演示装置如图3所示。
图3 演示装置
实验设备：弧形自制水箱，盐，水。
实验步骤：
1）用透明塑料板组装圆弧形水槽，用玻璃胶进行拼接，确保容器不漏水。
2） 将水槽注满水。
3）在水槽里均匀撒上一层盐（或白糖），不要搅拌，静置0.5h以上。
4）0.5小时后，用激光笔从水箱一侧射出激光，在黑暗环境下，可以看到激光在水中沿着曲线移动，实验现象如图4所示。
图 4 光在水中弯曲
创新点：1）可以直观地展示光在非均匀介质中传播时，光的传播方向会发生变化；2）实验现象明显，可以让学生亲身体验和观察海市蜃楼现象，从而增加学生的学习兴趣；3）操作简便；4）实验成本低廉。
3.4案例4简易工作原理与机械效率实验结合直观演示仪
原情况：人教版初中九年级物理教材中的功的原理、机械效率是很重要的实验，但是没有专门的设备，全部用铁架、秤、滑轮、杠杆、斜面做实验，操作麻烦，效果一般。
自制器材：利用废旧木料涂漆、标线，利用实验室现有的斜面与滑轮（或滑轮组）制作，如图5所示（两面都可以使用）。
图5 机械效率演示装置
创新点：1）能将工作原理与测量机械效率实验结合起来；2）操作简便、直观准确，能提高教学效率；3）实验效果明显；4）实验成本低廉。
3.5案例五：灯泡实际功率演示仪
原情况：两个灯泡串联、并联时的实际功率与额定功率的关系是教学中的一个难点。
材料：50cm×40cm硬板1块，40W、60W灯泡各1个，绿线2根，红线，螺丝，灯头，插头，开关，接线柱，铁架。
生产方法：
1）将电线连接到硬板的两个端子上，电线一端连接插头，另一端连接灯座（适用于60W灯泡）和开关。
2）在开关的另一端连接一个可动端子，将此端子的一端连接到灯座（40W灯泡），再增加一个可动端子，连接到接有60W灯泡的灯座。
指示：
1）首先将直板垂直放置在铁架上，将灯泡串联在电路中，如图6所示。通电后发现40W灯泡发光很亮，而60W灯泡发光较弱。
2）调整电路，使灯泡并联，发现60W灯泡比40W灯泡亮，如图7所示。
3）将图6中的其中一个灯泡短路，以直观地演示短路现象。
特点：直观、形象的显示不同电路中灯泡的亮度，操作方便。
图6 灯泡功率演示装置（灯泡串联）
图7 灯功率演示装置（灯并联）
4。结论
利用日常用具或自制廉价教具开展实验探究活动，有利于学生动手操作，发展学生实验技能，培养学生创新意识。利用现有资源自制廉价教具，实验装置结构简单，操作方便，演示实验安全可靠，成功率高，实验现象明显直观，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，广州五中高级教师，教育硕士，从事中学物理教学。
基金资助:广东省教育科学规划项目（编号：）
转载自《物理实验》2014,04(34),11-14+18。