“非常规”物理实验教具的制作与设计
——以“重力做功特点”的演示教具为例

(福建师范大学附属中学,福建 福州 350007)

1 引言

“非常规”物理实验在促进学生认知、能力培养、激发兴趣与联系生活等方面都具有独特的教育价值,[1]在物理教学中适当利用自制教具进行实验，将对教学难点的突破、学生能力的培养起到重要的作用。

在人教版高中物理必修二“势能的改变”这一节中,教材从“重力做功等于重力势能的减少量”及“势能的相对性”等角度说明了重力做功与路径无关,与始末位置的高度差有关，仅从理论上分析得出重力做功的特点,但未用实验验证。[2]基于上述教材的局限性,从实验上利用自制教具突破该教学难点逐渐受到相关研究人员的重视，李学远在《重力做功跟路径无关的演示》中利用沿不同路径相同高度下落的弹子碰撞浸没于水中的浮子,根据浮子下沉的深度来间接显示弹子重力做的功;[3]陈鲁明、施惠根在《探索新课程理念下自制教具的开发》中将两个金属球从不同形状相同高度的光滑塑料轨道上端释放后,根据金属球平抛运动的水平距离来间接显示重力做的功。[4]他们的研究为本文教具的设计提供了参考。

本教具的制作意在采取创新的方法,从制作的便利性、现象的直观性、轨迹的可视性以及运动维度的全面性等角度去设计,利用该教具进行课堂演示,引导学生积累充足的感性经验,促进对重力做功特点的理解,进一步深化巩固所学的知识。

2 “重力做功特点”教具简介

2.1 教具的构造与参数

教具的构造如图1所示，各部件的主要参数如表1所示。

图1

教具的组成成分主要参数竖直支架1材料:木板;高度:20cm;宽度:25cm。竖直支架2材料:木板;高度:10cm;宽度:25cm。水平底座材料:木板;长度:30cm;宽度:25cm。水平平台材料:有机玻璃板;长度:5cm;宽度:25cm。轨道1材料:有机玻璃管;直径:2.5cm;上、下端直线长度:42cm;总长:55cm。轨道2材料:有机玻璃管;直径:2.5cm;上、下端直线长度:42cm;总长:42cm。轨道3材料:有机玻璃管;直径:2.5cm;上、下端直线长度:42cm;总长:60cm。沙槽材料:塑料泡沫、沙;长度:30cm;宽度:25cm。金属球3个材料:铝球;直径:1.5cm。

2.2 教具的制作过程

① 用胶水将竖直支架1、2粘在水平底座上,且垂直于水平底座;

② 用胶水将水平平台粘在竖直支架2上,并保持水平;

③ 轨道1、3经电加热，定形成所需的弯曲形状;

④ 将轨道1、2、3两端依次用胶水固定在竖直支架1、2上;

⑤ 将质地松软的沙子均匀铺满整个塑料泡沫槽。

2.3 教具的特点

基于自制教具的基本要求:富有启发性、经济性、可靠性、可观性等,本教具具有以下特点。

① 取材方便,稳定性强。教具制作需要的有机玻璃板、木板、沙子、塑料泡沫及金属球等都是生活中容易得到的,且经济实惠。

② 精准设计,启发性强。竖直支架1、2的高度差一定,这样的设计旨在使金属球经轨道由同一高度静止下滑后重力所做的功相同。有机玻璃材质及特定的加工工艺减小了金属球与轨道间的摩擦与碰撞,可近似认为金属球在运动过程中仅有重力做功。水平平台的设计意在使金属球滑出轨道后做平抛运动,利用平抛运动落地点的水平距离间接反映金属球重力做功的大小。

③ 现象直观,可视性强。轨道是透明的,金属球运动的整个过程可直接观察,现象明显。同时,沙槽用于记录金属球落地点的位置,形象且直观。

④ 结论可靠,说服力强。三根轨道的形状不一,金属球运动的路径各不相同,其中轨道2、3处于同一平面(二维),而轨道1则在三维空间上,使得金属球的运动不仅仅局限于二维空间,可推广到三维空间上,从而使得结论更加具有说服力。

3 “重力做功特点”教具的演示

结合物理新课程理念下演示实验的教学策略,[5]将该教具实验定位为课堂上的演示实验以及验证性实验。

演示的目的是利用自制教具验证重力做功与路径无关,加深学生对重力做功特点的理解,形成对概念、规律的进一步认识。在演示的过程中,教师要引导学生主动参与到实验的设计、实施与得出结论等过程中来,这样才能充分调动学生去主动建构物理知识,而不仅仅是为了“演示”而做实验。因此基于上述的分析,“重力做功特点教具”的演示过程如表2所示。

表2

“重力做功特点”教具的演示过程充分体现了教师的主导地位、学生的主体地位，学生不是被动接受知识,而是让学生主动地参与实验的设计,自主建构知识,从而加深对重力做功特点的深刻理解。此外演示实验的教学还体现了物理方法(间接测量法、对比观察法等)的渗透,提高了学生科学探究的能力。

4 结语

自制教具是我国对一种教学资源的特殊提倡,它的内涵随着时代而发展,可以说已成为我国中学理科教学的优良传统之一，[1]自制教具有独特的教学功能,其地位无法由专门的实验器材所替代。[6]在物理教学的过程中,教师要善于利用身边的材料制作教具去突破教学重难点,将“非常规”物理实验教学的教育价值体现出来。