中学物理低成本物理实验的开发

　　摘要：初中物理低成本物理实验的开发和利用，不仅能弥补物理实验仪器缺乏的现状,而且有效激励学生的学习动机、培养他们的动手实践能力和激发他们的创新思维。本文将结合初中物理教学探讨开发和利用低成本物理实验的基本原则和基本途径。

　　关键词：实验教学;低成本物理实验;开发和利用

　　物理学是一门实验科学,物理规律的建立和物理理论的验证都与实验密切相关。物理课程标准指出:使用身边随手可得的物品进行探究活动和各种实验，可以拉进物理学和生活的距离，让学生深切地感受到科学的真实性。《物理课程标准》还把“科学探究”列入了教学内容标准。“从生活走向物理,从物理走向社会”是物理新课程的基本理念,新课程提倡使用身边的物品进行物理实验,拉近物理学与生活的距离,让学生深切感受到科学的真实性,感受到科学与社会、科学与日常生活的关系。就目前而言,我们国家的经济还有一定的困难,很多实验器材不能按物理教材的要求配置齐全,特别是广大乡村中学和边远山区中学,实验器材更是缺乏,因此物理教师要想方设法地开发物理实验资源,引导学生开展科学探究活动。而利旧利废,因陋就简,就地取材,充分利用身边的物品开发、设计各种物理实验不失为一种较好的方法。结合自己实验教学实践,初中物理实验低成本实验教学的开发和利用,谈一些粗浅的看法。

　　“低成本物理实验开发”就是：一方面通过利用生活中的廉价材料开展物理实验教学可以解决或缓解实验器材短缺问题,满足经济落后国家或地区中学开展物理实验教学的需要;另一方面通过利用生活材料、物品或器具做物理实验,可以提高学生对物理的学习兴趣、培养学生动手能力和实践能力。

　　1.开发低成本物理实验的基本原则

　　开发低成本物理实验要遵循一定的原则，把握好开发原则，灵活地运用各种途径，是开发低成本物理实验的基本前提。设计低成本物理实验应遵循以下基本原则：

　　1.1.科学性

　　物理实验首先应该正确反映物理现象和规律,反映物理现象变化的客观过程。一个巧妙的实验设计除了器材上的合理应用以外,还应该包含精彩的实验方法,不仅能够释疑解难,而且能够透过具体的实验给人以解决其他问题所需的智慧方法的启迪,提高学生解决实际问题的能力。

　　1.2.简易性

　　麦克斯韦说过:“一项演示实验使用的器材越简单,学生就越熟悉,就越想彻底地获得所验证的结果”。尤其在农村地区实验设施欠缺的情况下,我们所设计的实验就更应该用材简单易寻,就地取材,如利用生活中的廉价材料(如橡皮筋、气球、鸡蛋、土豆、蜡烛、塑料袋)、易得材料(如水杯、钢勺、塑料尺、硬币)和废旧材料(如易拉罐、饮料瓶、牙膏皮)等。

　　1.3.直观性

　　实验的重要作用就是让学生用感官能够直接观察和感受具体的物理现象与实验过程。利用低成本物理实验的优势,可以对书本上的一些实验进行改进：对现有仪器进行改进或改装、自制或仿制新的教具、设计新的小实验或小制作等，尽可能增加实验的可见度和可信度,提高实验的直观性。

　　1.4.安全性

　　在设计实验时应该尽量避免一切有危险的和对身体有害的实验。例如八年级教材中的托里折利实验中的水银对人体有害,不宜安排为学生实验,可将其改为一个演示实验: 找一个医用针筒,用细线和薄膜堵住针筒口子,由于大气压的作用,针筒活塞下可以挂几千克的物体而不会掉下来,这既可证明大气压的存在,也可让学生粗略地测出大气压值。

　　1.5.创造性

　　低成本物理实验是学生探究活动的一个有机组成部分,它的作用不仅仅是了解、研究自然规律和获取信息。学生通过自主的动手、动脑,他们的创造力得到培养，实践能力也都到发展。因此低成本实验的大部分器材可以让学生自己设计制作,这样可以培养他们的实践能力和创新思维。

　　2开发低成本物理实验的基本途径

　　在学生的日常生活中的，可以利用的课程资源十分丰富，学生身边可以用作实验的物品比比皆是，教师要引导学生善于从生活用品、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。

　　2.1.从生活用品中开发实验资源

　　在日常生活中,我们身边可以做实验的物品比比皆是,大到电冰箱、小到缝衣针都是可以利用的实验资源,通过教师巧妙设计,就能发挥生活用品的其它作用,从而利用它们来创设物理教学情景,启发学生思维,激发学生的学习主动性和积极性。用日常用品做实验,具有简便、生动、形象、原理单一,贴近生活等优点。

　　如可以利用手机、蜂鸣器、暖水瓶等日常用品来演示声音的传播规律:将手机先后放在桌子上、玻璃瓶中、再将放入玻璃瓶中的手机悬浮在水槽中,(水槽可用大饮料瓶制作)演示声音可以在气体、固体、液体中传播。将蜂鸣器用塑料袋包扎好,打开蜂鸣器,听到声音,说明空气可以传声,将蜂鸣器放入空的暖水瓶中,塞紧瓶塞,声音消失,介绍暖水瓶的结构,引导学生分析出暖水瓶保温是因为它的夹层是真空,(若备有一个外层损坏的瓶胆展示,效果会更好),从而得出声音在真空中不能传播。又如:可以用几个瓷碗或者酒瓶装上不同质量的水,用筷子敲击发出不同的音调,演示后引导学生分析现象,得出音调的高低取决于物体振动的频率,频率越高,音调就越高。频率越低,音调就越低。另外还可以用塑料笔杆、直尺演示摩擦起电现象;用皮碗、塑料吸盘挂衣钩模拟马德堡半球演示大气压强;用高压锅做力、热小实验;用注射器、热水袋、玻璃杯、硬纸片、水等物品可以探究大气压强的存在:用玩具激光发射器可作平行光源;利用玩具小车可做惯性实验;利用小平面镜、玻璃杯、小勺子等物品可以演示光的反射、折射等现象;利用乒乓球、漏斗可以演示浮力产生的原因等等。

　　如声音能在液体中传播的实验,八年级物理教材是通过鱼儿听见拍手声音来探究的[7], 为了增强实验的趣味性和直观性,对其进行改进。先将手机装入塑料袋内,并用一根长线密封好，然后把它慢慢浸没于水槽中，用另一个手机对其进行拨号,手机开始振铃。学生不仅看到手机屏幕的亮光,而且听到从手机发出的声音。实验表明了声音可以在固体、液体、气体中传播，同时也让学生体验了探究物理规律的方法。

　　在真空不能传播声音的实验中，装置的气密性和抽气机的质量都会影响实验效果。选用暖水瓶做实验，效果会更好。将音乐芯片的开关打开，音乐声响起，然后将其放入空的暖水瓶中，塞紧瓶塞，音乐声消失。实验设计时用极易寻得的暖水瓶克服了课堂上制备真空的难题，实验对学生来说感到格外亲切,拉近了物理学与生活的距离,让学生深切地感受到科学的真实性,科学和日常生活的关系。

　　2.2.从食品中开发实验资源

　　食品是我们赖以生存的物质,利用生活中的食品可以做很多物理实验,且实验材料经济、易得、易取,实验现象生动、明了,它能使学生感受到物理知识就存在于我们的生活中,从而激发学生的学习兴趣和求知欲。例如:探究物体沉浮的条件时,可将一只鸡蛋放入浓盐水中,然后缓缓倒入清水稀释、搅拌,随着盐水的不断稀释,鸡蛋排开液体的体积随着增大,由漂浮状态慢慢变成悬浮状态,最终沉入杯底。这说明浸在液体中物体的上浮和下沉,决定于它所受浮力和重力的合力。鸡蛋很容易找到,若引导学生利用鸡蛋做实验,既可说明物理道理,又可提高学生的学习兴趣。

　　利用鸡蛋还可以做十多个物理实验:做压强的实验;验证大气压存在;演示浮沉现象;液体蒸发吸热演示;说明热胀冷缩的性质:演示惯性、摩擦阻力现象;说明分子运动现象;惯性现象演示;动量定律演示;趣味实验:不怕压力的鸡蛋等等。又如:物质的融化和凝固是教学中的重点和难点,若在课堂上演示海波的实验,不仅费时多,实验效果也不大理想,利用冰块的融化,实验即简单又易做,对环境也无污染,而且可以让学生把实验带回家做,变课堂实验为家庭小实验。此外,还可以用马铃薯、苹果、西红柿等食品做电学小实验;用冰棍演示物态变化等。

　　2.3.从废旧物品中开发实验资源

　　在我们的生活中,有很废弃的物品,利用这些废旧物品来进行实验探究活动,既化废为宝,体现环保,又拉近物理学与生活的距离,同时还增加了学生动手的机会,更有利于学生动脑、动手,培养学生的实验技能及创新能力,增强物理的亲和力。例如大气压是看不见、摸不着的,为了证明大气压的存在,可以取一个空的易拉罐,在里面装少量水,放在酒精灯上加热至沸腾,然后用面团迅速堵住它的开口,让学生仔细观察现象,学生听到劈劈啪啪的响声后,会看到易拉罐变瘪了,易拉罐为什么会变瘪,这是谁的作用呢?此实验器材易得,操作简单易行,演示效果好,不仅能演示大气压的存在,还能演示大气压很大。利用废弃的饮料瓶也可以做几十个实验,如探究液体压强、物体的沉浮、模拟帕斯卡“裂桶”、失重现象、制作滑轮等实验;利用废旧自行车上的零件,可做摩擦、杠杆、运动和力等实验;另外,利用废报纸、包装用的塑料泡沫、塑料袋也可以做很多演示实验。

　　一些废旧物品也是可以充分利用的实验资源,如废旧的纸盒、易拉罐、塑料瓶、旧弹簧、橡皮筋等，充分地利用他们，不仅可以变废为宝，而且有利于培养学生的环保意识和勤俭节约的习惯。

　　如在摩擦力的教学中[9]，教师先在一个容量为2﹒5升的雪碧瓶里装满水，旋紧瓶盖，然后让一位力气小的女生手握雪碧瓶，将其举高，女生轻而易举的完成。接着在雪碧瓶外表面涂上洗洁剂，再请一位力气大的男生重复女生的动作，他使出全身力气，结果也没有把雪碧瓶举起来。通过这个对比实验，课堂气氛迅速活跃起来,学生的好奇心和探究欲望一下被调动起来，

　　学习了凸透镜后，要求学生课外收集身边的一些凸透镜，并用他们来观察身边的物体。学生们收集的凸透镜可谓五花八门：盛满水的玻璃杯、盛满水的透明气球、盛满水的饮料瓶 、盛满水的一次性塑料杯、盛满水的废旧灯泡、玻璃球(如跳棋),甚至还有自己磨制的冰块等。学生的积极性很高,对观察的结果也很好奇。这样的课外小实验简单易做,取材容易,不受条件限制,拉近物理学与生活的距离，对学生的独创性、想象能力的培养有极大的好处。

　　2.4.从人体体验中开发实验资源

　　新课程不仅重视知识与技能目标的实现,还特别强调体验性目标的达成,开发人的感官在学习活动中的体验潜能,无疑是将新课程的教育理念转化为教育行为的一个重要而基本的探索方向。由于实验器材就是学生的五官和四肢,所以是最经济、实用、有效的实验方式。全面开发人体器官和肢体在学习活动中的积极作用,让学生多感官、多角度地参与探究活动,充分发挥学生学习的主动性,对学生形成终身学习和探究愿望,必将产生积极的影响。例如,在学习“力的合成与分解”时,学生对如何确定分力的方向这一难点不容易突破。为了解决这一关键问题,教师可以设计如下两个小实验,让学生通过手掌和胳膊的造型来体验力的分解,达到对规律的认识和理解,从而突破难点。实验一:取—支削好的铅笔,笔尖朝向左手掌心,另取一根橡皮筋,橡皮筋的一端套在左手中指上,另一端与细线相连,细线绕过笔尾竖直向下。实验时,让学生用右手拉细线,体会两个分力产生的效果。实验二:让学生甲直立站好,将其双手叉在腰间,形成三角支架形状,让学生乙用力向下拉甲同学的肘部。在这一过程中,让甲同学体验后说出上臂和腰部的感受,即上臂受到拉力的作用和腰部受到压力的作用。又如,利用学生的双手掌合拢向内挤压(不要留空隙,尽量挤出掌间的空气)两掌猛然分开,来感受大气压强的压力;用双掌摩擦,感受摩擦生热现象。当然,还可以利用学生的鼻子闻气味来理解“蒸发”现象;利用学生比赛跑步小游戏的过程中突然叫“停”来感受生活中的惯性现象等等。

　　2.5.从魔术杂技表演中开发实验资源

　　魔术和杂技,是深受学生喜爱的艺术形式。把它们引进课堂,不仅能创设丰富的教学情景,调动学生学习的兴趣和热情,激发他们强烈的求知欲望,而且能通过揭示魔术和杂技背后丰富的物理知识,引导学生通过现象了解和掌握事物变化的原因和规律。这对提高学生应用物理知识解决实际问题的能力,培养学生的科学精神和科学态度都有积极和深远的意义。

　　如在讲蒸发吸热有降温作用的知识点时,可以设计魔术“烧不坏的手帕”来帮助学生理解。在教学中,教师先提出问题:“在电影、电视节目中,演员身着熊熊大火却没被烧伤?这是什么原因?消防队员为什么披着湿棉被就冲入火海救人?”接着让学生们做这样一个小实验:取一块小的布制手帕,一杯混合液体(酒精和水按7:3比例混合)。把手帕侵入液体后取出,放在蜡烛上点燃,这时看到手帕燃起熊熊的火焰,稍后火焰逐渐熄灭,手帕却完好如初,学生们感到很惊奇,从而激起学生探索其秘密的欲望。

　　又如在对“大气压强”一节内容进行教学时,可以用魔术表演的方式来创设教学情景,在一个盘子中装上一些水,在水中放上一枚硬币,教师问:“有谁能够在手不湿的情况下拿到硬币?要求不能将水倒掉,也不能借助木棍、磁铁、手套等工具。”学生的好奇心一下被激发起来,接着教师在学生们都想不出办法的情况下,拿出一个大的空烧杯,将一团纸燃烧后塞入烧杯,然后迅速倒扣到盘子中。此时,奇怪的现象发生了,只见盘子中的水一会就进入了烧杯,刚才还沉在水底的硬币已经完全暴露在大家面前,很容易就可以按要求取出硬币了。用魔术的方式来引课,趣味性强,使学生在感官上受到很大的冲击力,有利于调动学生主动参与到学习活动中来。在现实生活中,学生身边可以用来做实验的物品比比皆是。可以利用的资源十分丰富,我们缺少的不是资源,而是发现资源的慧眼和设计实验的智慧。上述实验材料都来源于学生的生活,经济实用,易取、易得,用来设计物理实验,现象明显,形象生动,趣味性浓,简便易做,不仅可以使学生对物理现象获得具体生动的感性认识,加深对概念和规律的理解,而且还具有情感教育的重要价值,使学生深刻的感受到物理知识就存在于生活之中,它非常亲切、有趣、有用,并使学生养成主动利用身边的物品进行科学探究的意识和习惯,培养学生乐于探究生活中的物理道理的愿望和态度。

　　3 .低成本实验的教育特点

　　在理科教育改革中, 有一种令人深思的趋向, 这就是无论是在发展中国家还是在工业发达国家, 都主动运用低成本的器材, 如日常生活的用品、玩具、废料、边角料来制作小制作, 即开发低成本小制作、小实验, 这似乎与现代科技现代化的发展不相称, 这种求朴返真, 是由自制教具等小实验的教育特点所决定的。

　　低成本实验具有如下特点:

　　3.1、价廉。由于它随手取材, 教师和学生自己制作, 成本价廉, 有利于普及, 特别对边远山区和贫困农村, 自制低成本教具是解决资金短缺的得力措施。

　　3.2、亲切。由于取材于学生身边熟悉的东西而且制作又比较简单, 因此有利于消除学生实践研究的神秘感, 激发学生参与活动和学习的兴趣, 这是激发学生学习动机的钥匙, 这正是许多学生喜欢自制教具的直接原因。

　　3.3、简单明了, 易于揭示事物的本质特征。由于这些教具主要是教师或学生在教师的指导下完成的, 教师对教学的需要体会深切, 力图使设计符合学生的认识规律。因此应用它的教学效果一般都比较好。

　　3.4、含创造教育因素。由于教具自己制作, 往往在构思,

　　在取材或在局部结构方面可以有自己的特点和某些改进, 或者在制作过程中遇到这样那样的问题, 需要自己解决, 会给学生以创造的启示, 有效地开发学生的智力和发展良好的、非智力因素。同时学生在做的过程中得到了动手的锻炼, 而当成功时将具有极大的成就感, 这不仅激发了学生的兴趣, 在学习动机方面也将起到极大的作用。低成本实验具有现代教育思想的本质特征, 体现了精神的现代化(当然也不排除采用现代化的物质和技术), 具有强大的生命力, 能够得以广泛的开展。

　　通过上面的例子, 我们还可以认为: 低成本实验教具, 是低成本而智慧不低, 成本低而价值不低。使用身边随手可得的物品进行探究活动和各种物理实验, 可以拉近物理学与生活的距离, 让学生深切地感受到科学的真实性, 感受到科学和社会、科学和日常生活的关系。另一方面, 要大力开发和利用日常生活用品作为教学用具, 由于这些物品本来的用途并不是进行物理实验, 所以这种做法本身就是一种创新。当然利用日常生活用品做实验, 对教师的业务素质要求较高。不仅自己要动手参与设计和制作, 还需要指导和帮助学生进行小制作、小发明。不仅需要专业知识, 还需要一定的动手能力。所以加强教师知识培训和专业素质培训也是非常重要的。

　　4.自制教具开发低成本实验

　　4.1.自制教具能有效培养学生学习的主动性。麦克斯韦说过“实验的教育价值与仪器的复杂性成反比，学生自制的仪器，虽然经常出毛病，但它却会比用仔细调节好的仪器能学到更多的东西”。在中学实验室里教学仪器数量有限，使用一般都强调要按步骤操作，如果非正常损坏，则要赔偿，甚至罚款。因此，学生普遍存在害怕心理，使用时小心谨慎，不敢越雷池一步。学生处于被动实验状态，学习的积极性和主动性受到了压制。而自制教具取材容易，制作简单，损坏了可以再制作，这是商品仪器无法比拟的，它能有效地提高了学生的学习积极性和主动性。另外，学生通过自制的教具，能加深对教材内容的深入理解。如在“音调”的学习中，学生通过课后的小制作，小实验，就可以知道古代的编钟为什么能产生美妙的音乐。

4.2.自制教具能充分培养师生的创新精神和能力。自制教具从设想开始到动手设计、制作、试用，最后定型，都要经过深入思考和反复论证。发现问题，解决问题到创造地设计出新教具，师生的能力和思维都得到极大的发展，从中可体验到创造的无穷乐趣。

　　4.3.利用学生喜欢实验的特征，激发兴趣，促使“我爱学”。“浓厚的兴趣能弥补智能的不足，持久的兴趣会导致发明创造”。教师要利用学生对实验的热爱，组织好实验教学。根据教材要求和特点，精心组织教材要求的每一个演示实验，同时还要想方设法自制教具，增设一些对学生具有吸引力的演示实验，努力使物理课节节有物。

　　如我在讲大气压强时，取两个粗细差别不大的试管套起来，并在它们的间隙中倒进些水，当把两套着的试管忽而倒过来朝下时，学生会想到细试管要掉到地上，可是，细试管却徐徐上升，意外的结果有力地诱发了他们的学习兴趣。

　　再如我在做液体沸点和气压关系的实验时作了如下改进，实验装置如图1所示，演示过程如下:①在两只烧瓶里装上适量的水，让温度计的玻璃泡完全浸没在水中，然后给左烧瓶加热，由于空气受热膨胀，左瓶中一部分空气通过导管流到右瓶里，使左瓶的气压减小，而右瓶气压增大，加热一段时间后，用夹子夹紧橡皮管。②用酒精灯同时给左右烧瓶加热，直到水沸腾，读下左右温度计示数大约为94℃和105℃。③停止给右烧瓶加热，松开橡皮管上的夹子，使右瓶里一部分气体流到左瓶里，此时，右烧瓶的水又会沸腾，而左烧瓶的水却停止沸腾。这充分说明了液体的沸点随气压的增大而升高，随气压的减小而降低。该实验直观性、对比性强，器材简单易得，效果特别好。

　　俗话说:“要想知道葡萄是不是酸的，可以亲口尝一尝”，要想把物理现象认真观察好，最好的办法是自己动手实践一下，初中物理课本序言中说得好:“我们一定要懂得，只有通过细心观察物理现象和动手实验，才能真正掌握物理知识。”在教学实践中我们看到，学生对动手实验的参与意识是很强的，而普通中学又没有条件将实验室全日开放，所以在观察思考的基础上，放手让学生利用废旧材料做实验从中领悟一些物理知识，不失为一种好方法，如用普通铁皮和电线做一台小电动机模型，用健力宝罐做“针孔照像机”小玩具等等。当他们成功时会兴趣大增，学生对学习物理有了兴趣，他就会获得成功，只要老师会选择，巧安排趣味实验，就一定会点燃“我爱学”物理的火花，从而激发学习物理的兴趣。

　　低成本物理实验不仅是实验器材的简单替代, 更是实验装置的简化, 实验现象的明了。低成本物理实验成本虽低, 运用的智慧不低, 具有的内涵不低, 教育价值不低, 因此农村中学应该大力加强低成本物理实验的开发。