自制教具在中学物理实验教学中的应用研究

朱建伟 秦宇飞 孙钰忻 柴万东

摘 要：物理是以观察、实验为基础的自然科学，与生活实际有非常密切的联系，实验在物理教学中具有非常重要的作用。在教学过程中合理地使用自制教具，有助于增进学生对物理知识的理解，提高教学质量。本文利用生活中常见的材料自制流体流速与压强关系的教具并应用于教学实践，实验操作容易，演示效果明显，提高了实验教学的有效性。同时鼓励学生亲自参与制作，培养学生的动手能力、科学探究能力、解决实际问题的能力和创新能力，激发学生的学习兴趣。

关键词：自制教具；物理教学；教学效率；流速

中图分类号：G632  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2023）06-0068-03

收稿日期：2023-03-10

通讯作者：柴万东（1971-），男，汉族，内蒙古赤峰市人，硕士研究生导师，教授。研究方向：传感器应用，基本教育理论。

基金项目：内蒙古自治区“十四五”教育规划课题（2022JGH455）

现代物理学是一门理论和实验高度结合的精确科学，一切物理理论最终都要以观测或实验为准则，实验是物理学建立与发展的基础和事实依据。无论是经典物理学，还是现代物理学，其建立和发展都离不开物理实验。物理教学中实验教学起着非常重要的作用，教师通过实验可以引导学生观察物理现象，让学生体验物理知识的探索验证过程，总结并掌握物理规律，激发学生的学习兴趣。鼓励学生通过课外小实验小制作，促进学生对教学内容的理解和学习。

自制教具本着科学性、直观性、和启发性的原则，在实验教学中起着至关重要的作用。任何生活化教具，其设计、制作、使用一定要以符合科学性作为第一准则，要反应正确的物理思想和物理规律。从实际教学出发，突出物理原理，注重对学生能力的培养。教学中引导学生直接感知事物、模型或通过教师形象语言描绘学习对象，使学生获得感性认识。在物理实验教学过程中，教师通过演示各种教具，呈现清晰而易于觀察的实验现象，从观察到加工，有助于学生理解和掌握知识[1]。同时借助教具演示的直观性，使具体形象与抽象概念相结合，减少理解抽象概念的困难，激发学生学习兴趣。

制作的教具应该富含深刻的物理学思想，使用时要有利于启迪学生的思维，激发他们的思考能力和创新能力[2]。文中所制作的流体压强与流速的关系的教具，就是源自生活中的现象及常识，并对其进行提炼后设计而成。因此，实验教学既有助于学生理解该部分的物理概念，又能启发学生对生活现象及生活常识进行思考，引导学生用所学知识解释、解决生活中的同类物理问题。

1 物理实验教学的必要性

（1）是物理学科特点的要求。物理学是实验和科学思维相结合的学科。实验是物理学的基础，任何物理理论的真理都要以实验作为唯一的检验标准。实验也是物理学发展的基本推动力，是启迪物理思维的源泉。很多重要的物理思想都是在实验的基础上发现的。实验教学是物理教学的重要基础和方法。在初中物理教学中，几乎每个知识点都离不开实验，通过实验总结物理规律、理解物理概念、培养学生科学探究的能力。

（2）是义务教育课程标准的要求。教育部2022年版《义务教育物理新课程标准》中指出：“物理是一门注重实验的自然科学基础课程，此阶段的物理课程应注意让学生经历实验探究过程，学习科学知识和科学探究方法，提高分析问题和解决问题的能力”[3]。新课标列出了中学生必做的21个实验，这些实验涵盖了初中物理的绝大部分知识。实验在物理教学中的重要程度可见一斑。

（3）是培养学生物理核心素养的要求。物理学科的核心素养，包括物理观念、科学思维、科学探究、科学态度和责任，是学生在接受物理教育过程中，逐步形成的适应个人终身发展所需要的必备品格。在实验教学中，学生参与实验的全过程，在真实的感知下获得经验，并把感知转化为自己的思维认知和思想方法，完成相关概念及知识的整合，培养学生的物理观念。在实验过程中，实验装置的选择，实验方案的设计和实施，对实验的多角度观察，实验结果的科学分析及推理，都能加强学生的科学思维能力。实验数据的精确记录、实验结果的科学分析、实验操作的严格规范，能够培养学生认真严谨的科学态度。

2 自制教具在中学物理实验教学中的作用

新课标规定了中学生必做的21个实验，其中的大部分实验都有成套标准的实验仪器，老师和学生借此开展实验教学。但学生在使用成套的物理教学仪器进行知识探究中，会逐渐失去学习的新鲜感和神秘感，进而失去学习兴趣[4]。另外，还有一些可以通过实验研究掌握的知识点并没有成套的规模化的器材，比如“流体压强与流速关系”。教师可以结合生活经验，利用生活中常见的材料自制教具进行实验，帮助学生总结和验证物理规律。自制教具在中学物理实验中具有非常积极的作用。

（1）有助于更好地帮助学生理解课本中的知识。初中阶段是学生抽象逻辑思维开始初步形成的时期，而抽象逻辑思维需要感性经验的支持，中学生生活经验不足，缺乏相应的感性思维，很多抽象的物理知识理解起来比较困难。教师利用生活经验制作一些教具，可以帮助学生把抽象的物理概念转化为具体形象的例子，学生更容易理解和记忆。对于一些比较简单的教具，可以鼓励学生参与动手制作，制作过程中发现问题、分析问题、解决问题，从而更好地把握物理概念和物理规律。

（2）有助于提升学生物理学习的兴趣。物理概念一般比较抽象，很多概念比较难以理解，使用自制教具教学后，可以把难于理解的概念及结论融入实验中，简单生动有趣的实验有助于消除学生对学习物理的恐惧感，让学生在快乐的氛围中学知识，调动学生的积极性，更好地激发学生的学习兴趣。通过学生自己动手利用身边现有的物品重复制作教具，使他们的物理学习更亲近生活的同时，也学会了废物利用，有利于保护环境，促进社会的和谐发展[5]。自制教具符合新课标减负、乐学、树人的理念，也有助于培养学生动手能力和创新意识。杨振宁先生曾说过：“我们通过自身实践自制的仪器永远比市场买来的要好呀”[6]。学生在教师指导下完成实验，提出改进实验装置意见并鼓励学生利用生活中的物品自制教具并完成相关实验，能够提高学生的观察能力、思考能力、动手能力及创新意识。

（3）有助于加强与生活的联系。传统实验器材与自制教具的最大不同点，传统的实验仪器都是通过工厂流水线制作出来的，很多零件在生活中并不常见，给人一种脱离生活的感觉[7]。自制教具是教师和学生智慧的结晶，是教师在科学基础上根据教学需要，利用生活中的物品制造出来的，教具里包含了教学思想，也是有“灵魂”的实验仪器。对于学生来说，物理不再是高高在上的远离生活的学科，更容易引起学生对物理与生活关系的思考。他们会发现物理知识就在身边，与自己的生活息息相关，更能体会科技提升生活品质的重要性，从而在心中埋下投身科技、奉献社会的种子。

3 自制教具应用于流体压强与流速关系教学

流体压强与流速的关系是人教版初中物理八年级下册的内容，该部分内容与生活联系紧密，学生理解起来有一定的难度。传统授课方式一般是讲授法，把该部分的实验规律通过口头讲述的方式讲出来，学生只能是机械记忆。对于稍微复杂的关乎生活实际的流体压强与流速关系，学生不能从根本上把握，处于一知半解的状态，不利于知识的掌握。特别是液体压强与流速关系部分与前面学习的液体内部压强处处相等的知识点有“相悖”之处，教师简单的讲述不利于学生把握知识的本质，学生不能很好地理解相似知识之间的联系与区别。

3.1 自制教具进行实验验证并用于教学过程

在教学中，“液体流速与压强演示仪”形象生动地演示该部分的物理现象，加深了学生对这部分知识的理解，帮助学生掌握流体压强与流速的关系，并自觉与生活中相关现象进行联系，把所学知识用于实际生活。

“气体压强与流速演示仪”是模仿自然界中土拨鼠的洞穴制作的，让学生在学习物理知识的基础上，把学生的眼光引向大自然，从而发现物理知识与自然界的联系，同时开阔学生视野，把握知识本质，解释相关问题，激发学生的探究欲望。

教具的制作材料偶亚克力管、速干胶水、橡皮泥、透明软管、吹风机、乒乓球、剪刀、圆规等。制作过程中，亚克力管相隔一定距离挖两个孔（与透明软管的直径相同），便于与透明软管进行连接，在其中一个孔的内边粘两块橡皮泥（模仿土拨鼠的洞口土堆）；另一端与另一个口相连（模仿土拨鼠的洞另一个洞口），把乒乓球装入软管中，把软管的两端插入挖好的亚克力管孔中，用胶水粘好（防止漏气），如图1所示。

实验过程中，首先把整个仪器水平放置，用吹风机在左端进气口往里面吹气，模仿自然界的空气流动。观察乒乓球的运动情况，然后在右端进气口往里面吹气，观察乒乓球的运动情况。

分析现象得出结论，无论从哪个进气口吹气，都可以观察乒乓球从左向右移动。乒乓球处在软管中受重力、支持力、可以忽略的滚动摩擦力及两侧气体压强产生的压力。重力和支持力是一对平衡力，乒乓球从左向右移动，是因为左侧受到的力大于右侧受到的力，也就是左侧的压强大于右侧的压强，左侧的压强与a洞口的压强相等，右侧压强与b洞口压强相等，由此可以推断出b洞口压强小于a洞口压强；气体流动时可以认为在相等时间内通过不同横截面积的流量相等，在进气管中，a洞口所在位置的横截面积大于b洞口的横截面积，所以b洞口的气体流速大于a洞口的气体流速。当向进气口吹气时，无论从哪个进气口吹气，结果都是a洞口空气流速慢，压强大；b洞口空气流速快，压强小。综合分析得出结论，气体的流速越大，压强越小。

3.2 液体压强与流速关系自制教具及应用

教具制作材料是一个两端和上端开口的长方体泡沫箱，宽度大于三十厘米，长度要大于一米，高度大于五厘米，一块塑料板或泡沫板，高度二厘米，两根轻绳，两个大小相同的塑料圆球（圆球可以悬浮或漂浮在水中），防水胶水等。

制作过程是把泡沫箱一端稍垫高，垫高的一端距端口十厘米左右粘塑料板或泡沫板，作为挡水板（从垫高的一侧注水时，使水从其上面流过），泡沫箱中距挡板十厘米左右的位置固定细绳，细绳拴两个塑料球，塑料球要相隔一定距离，如图2所示。

实验过程中，把长方体泡沫箱放在水平桌面上，下端接上水盆，在垫高的一端注水，直到水超过挡板高度流过泡沫箱（注水速度不能过慢，以保证箱中水有一定高度），观察水流过泡沫箱时塑料球运动情况。

得出结论表明，水流过泡沫箱，可以看到两个塑料圆球往中间区域移动。小球向中间区域移动，说明小球左右两侧受的力大小不相同，靠近水槽中间的力小于靠近水槽两侧的力，而小球两侧受的力源于水对小球的压强。小球向中间移动，说明水槽中间的水流对小球的压强小于水槽两侧对小球的压强。从实验现象中可以看到靠近两侧的水流速度比水槽中间的水流速度慢（具体原因可以作为学生课后查阅讨论的内容）。由此得出结论表明，液体的流速大，压强小。

根据以上两个实验总结如下，流体的流速大，压强小。对比前面所学的液体内部同一深度处压强处处相等的结论，总结了前面所说的液体是指静止的液体，从而加深对前面知识的理解和巩固，培养了学生辩证看待问题的能力。

4 结论

自制教具虽然简单，但是在课堂教学中起到了非常重要的作用，将枯燥抽象的知识演绎的生动有趣，使学生加深对知识难点、重点的理解，激发学生探究创新的热情。学生在课下可以自己动手对教具进行模拟和改进，通过亲自参与教具制作，熟悉相关工具的使用，掌握制作的技能和方法，也达到了劳动训练的目的。

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参考文献：

〔1〕吴龙忠，自制热学及电磁学实验演示仪[J].中学物理教学参考，2022，51（05）：67-70.

〔2〕熊贵娇，利用自制教具为“探究求合力的方法”保驾护航[J].中学物理，2021，29（10）：29-29.

〔3〕中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022版）[S].北京：人民教育出版社，2022.

〔4〕刘曦萍，自制教具让初中物理课堂更加精彩[J].基础教育研究，2017，30（04）：51-52.

〔5〕郭素华，自制教具在初中物理实验教学中的应用[J].中国校外教育，2020，29（14）：123.

〔6〕劉炳升，冯容士，中学物理实验教学与自制教具[M].上海：上海教育出版社，2000.

〔7〕朱成巧，高中物理实验创新与自制教具[M].南京：南京师范大学出版社，2019.