中学物理教学演示实验教具制作及探究
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[摘 要]物理是一门实验学科，实验分为分组实验和演示实验，演示实验在物理教学中有着重要作用。新课标指出我们要从生活走向物理，使实验器材生活化。[1]而演示实验教具的制作贴近生活、简易直接，灵活多样、能调动兴趣、能填补设备不足。教具制作就是利用生活中的常见材料自己动手制作出来的。本文探究了物理演示实验教具制作的作用、原则、方法及步骤，最后对一些教具制作进行了案例分析。
[关键词]物理，演示实验，教具制作
中图分类号：0469 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）07-0227-02
1、引言
在物理实验的实际教学中，由于课程压力较大、分组实验器材不足，很多教师将分组实验改成演示实验，因此演示实验教学在实验教学中占有很大的比例。自制一些原理简单、成本低廉、实验现象明显的教具将是一个强有力的教学辅助。自制教具有着实验室仪器不同的作用，它可以更好地落实新课改强调创新、提高素质的要求，可以更接近生活、更生动、更有说服力。在教育资源贫乏的地区，自制教具可弥补其不足，此时实验教具的自制显得更为重要。因此，推广中学物理演示实验教具制作，这是广大一线物理教师应该重视的，也是本文的意义所在。
2、物理演示实验教具制作含义及理论基础
什么是教具呢？结合了各种版本的说法，首先教具是教学用具的简称，是一种辅助教学用的仪器或物品。
什么是教具制作呢？教具制作显而易见就是文字的表面意思，即制作出用来教学的工具。而制造者可以是任何人，它可以是规范地批量生产制造出来的，也可以是一个人或者一个小团队设计手工制作出来的。我们将后者称为自制教具。自制教具就是教师利用生活中常见的材料设计出适合自己的 教学风格并自己动手制作出的教具，一般制作方法是简单可行的。
什么是演示实验？“演示实验”首次出现在1965年的中学物理教学大纲中。演示实验是一种是以教师为主，学生互动为辅的实验。演示实验随着科技的发展又可分为操作型演示实验和模拟型演示实验。操作型演示实验就是教师使用实验仪器或自制的教具进行实验，而模拟型演示实验是以视频、电影、幻灯片、计算机等以多媒体技术为载体的演示实验。其中操作型演示实验是演示实验教学的主体。[2]
图1 “经验之塔”
1946年美国视听教育家埃德加·戴尔在《视听教学法》一书中提到了“经验之塔”，其中谈到经验是怎样得来的，认为经验有的是直接得来的有的是间接得来的，各种经验根据抽象和具体程度可大致分为三类（抽象、观察、和做的经验），细分的话就可分为十个层次。[3]塔的最底层的经验最具体，越往上越抽象。[4]而位于塔顶的抽象是通过另外两大类经验升华而来的。如图1所示，做的经验是一种直观可见，容易形成的经验，是我们学习的基础。而学生记住的概念、公式、定律属于抽象的经验中的语言符号，这一类往往很抽象不具体。如果教学过程中采用的是灌输式教学的话，学生往往记不住，而且容易遗忘。这时可以采取探究式教学，设置问题情景时可创设一种与学生现实生活经验相联系的教学情景，这时候教师的自制教具就派上用场了。教师通过自制教具演示难以理解的知识让学生有了直观的印象与认识，为接下来的深入学习打下了基础。结合具体的经验学习才是有效的教学方式。学生的学习，如果是让他们做实验，从中获取的经验就是做的经验；如果是让学生观看教师的演示实验，从中获取的经验就是观察的经验；如果是通过文字或语言直接告诉学生知识点，那么从中获取的经验就是抽象经验。学习过程是直接经验和间接经验积累的过程，是实践与理论积累的过程，是行与知积累的过程。戴尔的“经验之塔”是自制教具在中学物理教学中的重要性的理论依据。
3、物理演示实验教具制作的原则
3.1科学性
首先物理是属于科学范畴的，科学是客观的，是绝对的，是不允许他人质疑的。因此物理教具的制作一定得遵循科学性原则，其科学性体现在教具制作的原理要科学严谨，其教具演示出来的现象要体现准确无误的物理理论。即使是体现出最浅显的物理知识，也不可违背科学原理。如果一件教具连科学性都发生了错误，那么这件教具就是不合格的，该教具的设计思路就有问题，甚至都不能称为教具。
3.2针对性
一件教具在制作之初必须计划教具是为物理中的哪个知识点服务的，我是有教学需要才制作的，是为了突破某一重点难点而制作的。不能毫无目的地去制作教具。教具的制作就是为了满足教学需要而制作的，教学需要就是教具制作的出发点和最終的归宿。如何才能提高教具制作的针对性呢？最好是一个现象体现一个物理原理，使重点得到突出。
3.3安全性
鉴于制作的教具是在实际教学中也就是课堂中使用的，考虑到学生以及教师的安全问题，这时教具制作应遵循安全性原则。有时教具的制作很简单，有学生在上完课后会想着自己也做一个一样的教具，这时除了要考虑演示时的安全问题还得考虑制作过程是否安全。所以教具制作在制作过程及使用过程都得遵循安全性原则。要考虑温度不宜过高、电压不要超过安全电压等等。
3.4直观性
最后，由于物理中有些概念或知识点本来就比较抽象，加上学生本身处于形象思维较强、抽象思维差的时期，这时学生可能不太能理解和接受较抽象的知识点。显然自制教具演示实验将抽象的知识变成直观的现象可以解决之前的问题。所以教具的制作得遵循直观性原则。也就是说制作的教具的演示现象得明显，这样才能让学生通过观察现象更好地理解抽象的物理知识，将难懂的知识具体化。
4、物理演示实验教具制作的方法与步骤
4.1物理演示实验教具制作方法
替代法：教师为了方便用身边现有的物品代替某种教具，该物品也成了教具，而此方法就称为替代法。替代法是在原实验仪器的引发下创新的一种教具制作方法，该制作者很了解被替代的仪器的制造原理。比如在八年级上册《物态变化》那一章中关于探究水沸腾时的规律的演示实验，如果使用教材上建议的方案去做演示实验，装置如图2所示，这样做会浪费很多时间。因此为了教学进度，可采用如3图所示的方法去演示实验。 图2 探究水沸腾时的规律的演示实验装置图
图3 探究水沸腾时的规律教具制作图
仿制法：为了向同学们清楚、直观地展示某一现象或方便教师自己使用，教师可以依照现有的实验仪器进行仿制教具。比如在八年级上册《质量与密度》这一章节时，学生需要了解天平的结构组成并掌握天平的使用方法，为了演示方便，教师可以利用常见的材料，仿制一个尺寸更大的天平，便于学生观察。这样可以吸引学生的注意，使课堂气氛活跃起来，从而达到良好的教学效果。仿制天平如图4所示。
图4 自制简易托盘天平
改进法：对于有缺陷的仪器设备，教师可以从仪器的结构、功能、外观等方面下手，对其进行改进。比如说以前利用单摆测量重力加速度的实验是人为地数摆动周期并用的秒表记录总时间，然后根据测量结果计算重力加速度。[5]但由于人的反应时间有快又慢，周期的测量存在可避免的误差，为了提高周期的精确度，就想到利用光电门计数，将它装在单摆的平衡位置，然后光电计数器就会记录摆球遮挡光电门的次数以及所用的时间，这样大大提高了测量精度。
4.2物理演示实验教具制作步骤
第一步，发现问题，确定教学需要。著名教育学家陶行知先生说过：“创造始于问题，有了问题才会思考，有了思考，才有解决问题的方法，才能找到独立思考的可能。”[6]所以，一名教育工作者在教学时，要细心在教材设计的实验装置中发现不合理之处，并想办法解决问题。别外，当学生碰到疑难的时候，我们要想办法帮学生解决问题。通过教具制作有针对地解决教学中遇到的问题。
第二步，根据教学需要设计教具的制作。在设计教具如何制作的过程中，一定要贯彻教具制作的三原则，即科学性、针对性、安全性。确定了制作目标之后就开始构思如何制作教具了，一旦构思完就得马上进行教具的图纸设计。对于一些要求不高的教具，我们画出草图即可。但是对于一些精确性要求较高的教具，我们就要借助专业的绘图软件在电脑里画出图纸，以便接下来的制作。
第三步，为教具的制作准备好原材料和所要使用的工具。我们对比着设计图准备原材料，所需的原材料尽量是生活中常见的东西。材料的选择要慎重点，制作者要大概清楚各种材料的属性，当不确定用哪种材料时，可以向有经验的人请教，或者备选的材料逐一试验以便选择。同时我们还要考虑所需要的制作工具，但在某些中学里教具制作的工具准备的并不多，所以制作前，要充分地做好准备。
第四步，教具的制作。按照事先设计好的图纸准备好材料和工具，接下来就要正式开始教具的制作流程。首先要了解制作的顺序，有条理、有步骤的实施下去。制作过程往往会遇到没有设想过的问题，我们要一一攻克，要有耐心地解决所有问题，然后踏踏实实的去完成每一步骤，这样才有可能制作成功。
第五步，对教具进行调试修改。自制教具制作完成后，要经过反复多次的调试，以确保教具能够达到预想的功能和效果。若演示效果不理想，需从设计、材料、制作等几个方面去分析，找出问题的症结所在，并加以修改。在这个过程中，不要害怕问题的出现，在解决问题的过程中，不仅教具更加完善，制作者也在不断积累与成长。
第六步，编写教具的使用说明书。在完成了以上全部环节，最后一步就是要撰写自制教具的使用说明书，以便他人在使用教具时能清楚明了该教具的使用方法。首先要阐述教具的设计思路和原理，展示教具的结构示意图；然后介紹教具的具体制作方法并展示制作出的教具实物图；最后说明教具的使用方法和操作步骤以及使用该教具需要注意的地方。
5、物理演示实验教具制作的案例
通过对中学物理实验的研究，我也试着动手自制了一些教具。期间我发现，教具制作想起来容易，可真要动手时，问题就接踵而至了。一般说来，动手之前要明确该教具的实验原理、在教学中起的作用，然后根据原理设计实验方案，根据方案选取材料然后进行制作，制作完成后还需调整。对于那些复杂或者精度要求较高的教具，需要事先计算并画出尺寸图才能做出比较满意的教具。接下来，为大家介绍几个简单教具的开发案例。
5.1制作演示浮力产生的原理的教具
制作材料及工具：塑料矿泉水瓶一个、乒乓球一个、若干水、美工刀一把。
图5 拧开瓶盖效果图 图6 拧紧瓶盖效果图
制作过程：用美工刀将矿泉水瓶底部去掉得到如图所示的矿泉水瓶即可，教具制作成品如图5所示。
使用说明：将矿泉水瓶的瓶盖拧开，放入乒乓球，快速倒入半杯水，则水慢慢从底部流出，尽管乒乓球浸入水中，由于水对乒乓球底部的压力小于上部的压力，乒乓球不能浮起，如图5所示。用盖子盖住瓶口，由于球的下部也浸入水中，则下部的压力大于上部的压力，所以受到浮力，且浮力大于重力，球上浮，如图6所示。
原理：浸在液体或气体里的物体受到液体或气体对物体向上和向下的压力差，物体的下表面所受的压力大于物体下表面所受到的压力，从而才产生了浮力。[7]
5.2制作演示浮力方向的教具
制作材料及工具：大小合适的烧杯一个、乒乓球一个、长度适中的细线一根、透明胶带一卷、笔芯和中性笔各一支、水若干。
制作过程：首先将细线与乒乓球用透明胶带固定好，再将细线与烧杯底部固定好，如此一个简陋的教具就做好了，教具制作成品如图7所示：
使用说明：首先将之前制作好的教具放置水平桌面上，往烧杯里倒入适量水，然后观察细线的方向，细线的方向代表的就是小球所受浮力的方向。通过往烧杯底部放厚度不同的东西去观察不同情况下的浮力的方向，从而得出浮力的方向始终是竖直向上的。感官的认知较深刻，学生容易记住浮力的方向。如图7所示。
原理：由于被浸在液体的乒乓球下表面受到的竖直向上的压力大于乒乓球上表面受到竖直向下的压力，从而浮力的方向始终是竖直向上的。
5.3制作反映流体压强和流体流速关系的教具 制作材料及工具：透明塑料瓶一个、长塑料管一根、美工刀一把、若干水。
制作过程：先用美工刀处理长塑料管，切开但不切断，将之前处理好的长塑料管一部分放入瓶内，另一部分与在瓶口的那部分塑料管的切口成直角。教具制作成品如图8所示。
使用说明：往上图所示的塑料瓶装满水，然后再向塑料管的水平方向吹气，观察实验现象。实验现象：我们可以看到瓶内的水位会上升，溢出塑料管口。
原理：流体流速越快的地方压强越小。
5.4制作演示小孔成像的教具
小孔成像在八年级物理上册教材中没有过多的篇幅阐述，却是光沿直线传播那一节的难点。
制作教具所需的材料及工具：黑色卡纸两张、保鲜膜、蜡烛、打火机、胶棒。
制作过程：用两张黑色卡纸，卷成两个圆筒状，用胶棒把接口处粘住，其中一个黑色圆筒比另一个刚好大一点点，使得一个刚好能套住另外一个，在粗一点的圆筒的一端封上中间带有小孔的黑色卡纸，在细一点的圆筒的一端封上一层保鲜膜。然后将两个黑色圆筒套在一起，并且保鲜膜和带小孔的一端在一侧。用打火机点燃蜡烛，调整圆筒与蜡烛的距离及两个圆筒的相对位置，就可以看到在相当于光屏的保鲜膜处形成一个缩小的倒立的像。其中需要注意两个圆筒要吻合好，不可以透光。[8]
6、结论
演示教具的制作与应用是一个古老而永恒的课题，它的研究范围应该是遍及整个教材涉及的知识领域。若想全面开展好教具制作研究工作，是一项细致、繁琐的工作。在中学教学一线有的教师将演示教具的制作工作进行得很有特色、很成功。本文对于中学物理演示实验教具制作的理论研究还比较版面肤浅，希望此文成为进一步研究的基础、参考。过程本身出是一个深入、生动的教学过程，对于中学提倡素质教育的今天，开展教具制作的研究活动必将有力推动学科与素质教育的行进速度。
参考文献
[1]韦淑敏﹒自制教具在初中物理教学中的实践研究[D]﹒天津师范大学，2012.
[2]卢惠林﹒注重实验的教学研宄培养学生的创新能力（上）[J]﹒国际物理教育通讯﹒2000，25：12～16.
[3]王雅君﹒高职《视听语言》课程电子书的开发与应用研究[D]﹒内蒙古师范大学，2015.
[4]黄军﹒中学物理自制教具的改进及其实践案例研究[D]﹒西华师范大学，2016.
[5]牟红﹒自制教具在中学物理教学中的应用研究[D]﹒西华师范大学，2015.
[6]罗微﹒借助自制教具开展中学物理实验探究式教学的研究[D]﹒西华师范大学，2016.
[7]李闷心﹒中学物理自制教具的研究[D]﹒福建师范大学，2014.
[8]马婷妍﹒初中物理演示实验教学中运用自制教具的现状的调查[D]﹒河南师范大学，2017.
基金项目
湖南省光电信息技术虚拟仿真实验教学中心项目（湘教通[2015]274）；湖南省光電信息技术校企联合人才培养基地项目。
作者简介
李银秀（1996-），女，湖南文理学院物理与电子科学学院学生，研究方向为中学物理教学。
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