低成本物理实验的特点及其教学功能

陈怀华　陈宗荣

摘要：低成本物理实验具有源于生活、取材简便、一物多用、拙处见巧等特点。充分利用其特点，加强低成本物理实验的教学研究，可以在课堂教学中创设生动的情景，激发学生的学习兴趣，培养学生的观察能力，提高学生的建模能力，进一步增进其科学素养。

关键词：低成本；物理实验；教学功能

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）1（S）-0064-4

在中学物理教学中，低成本实验因其具有独特的魅力而备受推崇。许多低成本物理实验，成本虽低但智慧不低、技术含量不低、物理内涵不低、教育价值不低。因此，低成本物理实验并非农村贫困地区物理课堂所独有的资源。也不是因实验室设备不足不得已而为之的权宜之举。广大物理教师应充分利用低成本实验本身的特点。挖掘其丰富的教学功能，使中学物理教学更加精彩。

1.低成本物理实验的特点

1.1取材容易，制作方便

物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及其所使用的实验手段和思维方法的自然科学。学生的生活空间就是一个现成的“物理实验室”。周边的许多材料、物品都可能成为我们开发、设计低成本实验的重要资源。在学生的日常生活中，与中学物理知识相关的实验素材比比皆是，如矿泉水瓶、玻璃杯、塑料薄膜、手机、铅笔、课本等。教师要善于利用生活用品、废旧物品、儿童玩具、日常体验等各个方面去开发、设计低成本物理实验。

低成本实验器材的开发是一件创造性的活动。其难点主要在于创意设计。而制作工艺一般比较简易方便。其可以直接由现成物品或者是这些物品的组合成为低成本实验的器材，也可以由相关物品进行适当改装而成。

如，学习《声音的传播》时，可以用热水瓶创设真空环境，把蜂鸣器放入空的热水瓶中。塞紧瓶塞，声音消失，说明真空不能传播声音。此处使用热水瓶的优点在于其提供的真空环境比实验室里的真空泵更理想。而为了说明声音可以在液体中传播，把用塑料袋密封好的手机浸没于水槽中，用另一只手机对其进行拨号，使其振铃。这样，学生不仅可以看到手机屏幕的亮光。还可以听到手机的铃声，从而说明声音可以在液体中传播。实验中所使用的器材都是容易获得的物品。由于取材容易。制作方便。这就为在中学物理教学中推广低成本实验提供了物质基础。

1.2源于生活，平实亲切

从生活走向物理，从物理走向社会，是新课程的理念之一。初中学生已具有不少生活经验，这些经验中包含着大量与物理紧密有关的现象或者问题。例如，压水井，手柄越长越省力；骑车上坡是走S形省力：刀磨得越锋利切东西越快等等……教学中一定要认真进行学情分析。充分利用这些宝贵的经验，这对学习新知识，建构新概念很有帮助。如，在讲授《杠杆的应用》一节时，可以准备一些日常工具：剪布用的剪子、理发用的剪刀、老虎钳子、起子、杆秤、天平、钓鱼杆等。先让学生根据日常生活经验。分别说出如何正确使用这些工具。然后要求学生认真观察各工具的特点。引导他们运用杠杆平衡原理。说明这些工具的结构特点及正确使用的合理性。这种源于生活的学习令人感到平实亲切。有利于消除学生对实践研究的神秘感，让他们认识到科学探究并非高不可攀。这种源于生活的学习也有利于实施直观化教学，有利于引导学生关注生活，学以致用。

1.3一物多用，出新出奇

低成本实验器材的来源非常广泛，许多器材本身就是一个具有一定功能的物件。在中学物理课堂上被赋予新的功能，做到一物多用。低成本物理实验中常借用“非实验用品”进行实验，使得实验设计更具有创造性，对学生思维能力的培养更具有启迪作用。一物多用还能起到这样的效果：面对一个经常“露脸”的物品，通过与不同器材的配合，结合不同的学科知识，能催化出精彩纷呈的新奇景象，引起学生的兴趣、好奇心和认知的动机。

如，利用透明玻璃杯进行以下物理实验。

①色光的混合：用玻璃杯装适量自来水，先用绿色激光笔照射，自来水中呈现一条绿光。把红色粉笔沫撒进水中并搅拌后。再用绿光照射。这时杯中呈现的是一条黄色的亮光。这样的演示可以生动地展示色光的混合。

②光的折射：把一根筷子斜插入装有水的玻璃杯中。可以观察到水面处发生“折断”现象。慢慢往杯中添加水，可以看到折断处徐徐上升。

③凸透镜成像：透过装有水的玻璃杯观察近处的物体，可以观察到正立放大的像。即，此时的玻璃杯相当于放大镜。

④浮力的大小：把空玻璃杯慢慢压入盛水的盆中，手掌可以感受到受力的变化。从而初步体验物体排水多少与浮力的关系。

⑤大气压的存在：把装有一定量水的玻璃杯用硬纸板盖住。倒转后发现硬纸板没有掉下来。说明硬纸板的下方受到大气压的作用。

1.4拙处见巧，增强体验

低成本实验器材通常由身边随处可得的物品构成，“坛坛罐罐当仪器”的景象在中学物理课堂屡见不鲜。这些器材简单直白，平淡无奇，但在物理教师的巧妙组织下。常常能直观地揭示相关的物理规律，许多现象出人意表，让人印象深刻。充分挖掘这些简单易得的实验器材，可以大大增加学生课后亲身体验的机会。由于实验方案、实验原理、器材结构往往都比较简单，实验装置易制易修，学生操作时就不会因担心损坏器材而背上心理包袱，可以让他们在放松、自由的探究过程中获得直接经验和深切感受。

2.低成本物理实验的教学功能

众所周知，物理实验在中学物理教学中具有十分重要的意义。然而有些教师虽然也认真按照课程标准要求，尽可能利用实验室的现有资源。完成规定的实验教学，但是效果却不理想。这种现象告诉我们。实验教学的功能并不能自然而然的产生。因此，我们应该重视研究实验教学的规律，充分挖掘实验资源，精心进行教学设计，开发低成本物理实验教学的功能。

2.1创设生动场景，激发学习动机

许多低成本物理实验的设计新颖、生动、惊险而富有悬念，有利于激发学生的学习兴趣，产生强烈的求知欲。我们可以在学生刚刚开始学习物理时，或者作为章节的引入时，创设生动的实验场景。激发学生的学习动机。

经典的“覆杯”实验：把装有一定量水的塑料杯（航空杯效果较好）用硬纸板盖住。倒转后发现硬纸板没有掉下来。这是较为普通的演示方法。可以在此基础上进一步改进。让学生尝试在水杯下的硬纸板下方用吸盘悬挂钩码。比一比谁挂的钩码更多（图1）。吸盘下长长的一串钩码把他们自己也惊呆了。这个实验可以让学生初步感知空气的力量。同时也大大激发了他们探究大气压的欲望。为了证明确实是空气的作用。还可以在杯子底部预先挖个小孔，老师可以装腔作势地喊“一、二、三，掉”，松开捂住小孔的手，让硬纸板应声而掉。从而有力地证明硬纸板没有掉下来，不是因为被杯口粘住了。而确实是空气的力量。

教师还可以巧妙应用变式，设计一些出人意料的低成本实验。比如，在讲弹性和塑性时，可以拉长一根弹簧，问学生松手后弹簧的长度将如何变化。学生认为将恢复原长。但令人意外的是，老师松手后弹簧的长度几乎不变！正当学生疑惑不解时。老师揭开迷底：“我的弹簧是用熔断丝绕成的。”学生在开心一笑之余，加深了对弹性和塑性的理解，同时也提高了对物理学科的学习兴趣。

2.2增强视听刺激，培养观察能力

观察是人们认识世界、获取知识的一个重要途径，也是进行科学研究的重要方法。一切科学实验，都是建立在周密、精确、系统的观察基础之上的。观察能力是人类创造智力活动的源泉。因此。培养学生的观察能力是中学物理教学的重要任务之一。在低成本物理实验中，想办法让实验效果“有声有色”。提高学生对活动的感知效果。将有利于学生观察能力的培养。

比如，用火来显示高温，能给学生强烈的视觉刺激。为了说明电流的热效应，对一段电炉丝通电，可使放入其中的火柴点燃。为了说明玻璃是热的不良导体，可以用手抓住试管口，用酒精对试管底部加热。然后将试管底部从火焰中移开，用火柴头碰触试管底部，火柴当即燃烧起来。明亮的火焰形象直观地反映了玻璃管两端的温差，说明玻璃是热的不良导体。

当然，如果能做到“声色俱厉”。对学生的感官刺激效果就更好了。在大气压的教学中，在空的铁罐里注入少量的水。然后将它放于酒精灯上加热一段时间。停止加热，用事先准备好的面粉团将铁罐口堵住。不一会儿，铁罐被压瘪了，同时伴有“劈啪”的爆炸音。这样的视听效果令人震撼，印象深刻。

除了演示本身要能够吸引学生的注意外，加强观察指导也是培养学生观察能力的重要工作。实验前应该提醒学生明确观察目的。实验中应该使教师的讲解与演示紧密结合，还要注意把观察与思考的主动权交给学生，使他们逐步学会观察的方法，学会通过观察分析问题，得出结论。

2.3突出本质因素，提高建模能力

低成本物理实验的目的是为了帮助学生通过生动的场景构建物理概念、认识物理规律，或者应用物理知识解决实际问题。其中至关重要的问题是要突出现象和过程的物理本质。建立科学图景，提高学生的建模能力。低成本实验装置简单明了，并且从现象到本质的认识途径也直接便捷。不仅有利于避免分散学生的注意力。而且还有利于学生实现从感性认识到理性认识的飞跃。

图2是演示受迫振动和共振现象的实验装置，三条夹有小夹子的弹性薄片分别插在塑料泡沫底座上。演示时，首先拨动三条弹片，可以观察到三条弹片的固有频率不同。然后用手左右往复推动塑料泡沫。使其左右振动，会发现三条弹片也随着振动起来。逐渐加大策动频率，可以看到，首先是夹子在最上方的弹片振幅达到最大。然后依次是夹子在中间、下方的弹片振幅达到最大。该装置一目了然，在学生的视线里只有策动振动的物体和受迫振动的物体。几乎没有任何其它干扰因素。两物体之间的相互作用也是简单明了，有利于学生对受迫振动和共振现象的理解。演示时还可以先用一条弹片，说明振动与受迫振动的概念。再改变夹子的上下位置，说明固有频率和振动频率的关系。在此基础上再演示三条弹片的现象。有助于学生建立完整的共振图景。提高建模能力。

为了验证阿基米德定律，可以用图3装置。用细线把一只装满水的塑料袋系紧，用弹簧测力计测出袋里水的重力（塑料袋和细线重力忽略不计）。然后把水袋逐渐浸入水中，弹簧测力计的示数随之减小。说明浮力的大小随排开水的体积的增大而增大。当水袋完全浸入水中时，弹簧测力计的示数为零。说明水袋受到的浮力与这袋水的重力大小相等，这也说明了浸在水中的物体受到的浮力与它排开的水的重力大小相等。这种方法非常形象直观，学生观察后对“排开”的含义心领神会。

2.4开发实验资源，增进科学素养

师生共同开发低成本物理实验器材，可以增进学生的科学素养。低成本物理实验器材的制作必须符合物理原理和科学理论。即，实验器材必须既能反映出所要学习的物理现象，帮助学生理解所学的物理知识，而它的制作自身又必须遵循一定的科学理论。这就要求学生在自制教具的过程中把物理知识融会贯通地应用于实践，然后再总结经验，检验、检查自制教具的合理性、科学性及不足。其制作过程也培育了学生的创造思维与创新意识。

在学习《凸透镜的应用》时，有位学生自制了一只简易照相机，如图4所示。照相机外壳由大小不同的两个纸圆筒组成。大圆筒的端口粘上凸透镜，小筒端口蒙有一块半透明的薄膜，小筒可以自如地透进大筒中。观察远近不同的物体所成的像时，可以通过前后移动圆筒，

演示10：用示波器观正弦交变电压的图线。

演示中调整X增益，把图形沿X方向压扁或拉开，体会扫描电压的作用。

——相当于把挤扁成一条线的图形拉开了。

6.5得到稳定图像问题的讨论

指导学生阅读课本P36最后一段。

6.6小结

从示波管的构造看各部分的作用联想施加什么样的偏转电压将在荧光屏上出现什么样的图形。

7.教学反思

（1）本节课给了学生足够的思考、讨论和交流的时间，并及时演示，验证了学生的想法是否正确。这对培养和保护学生好奇心起到了极大的作用。使得一节课至始至终学生一直保持一种兴奋高亢的状态，课堂气氛相当活跃。

（2）理性认识依赖于感性认识。感性认识是认识的低级阶段，是理性认识的基础。感性认识和理性认识统一于实践，无论是感性认识还是理性认识，归根到底都是在实践基础上产生的。本节课丰富的、循序渐进的演示实验，不但充分发挥了物理以实验为基础的特点。也符合高中生认知特点，较好地达到了教学目标。

（3）该节内容的教学能否放在实验室中，让学生自己进行实验。边思考边讨论交流边进行实验验证，甚至还让学生自己设计出一些实验方案。但这样安排，一节课的时间够不够就成了一个问题。这些都有待于在教学实践中进一步探讨。