自制教具提升物理教学有效性
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从认知心理学的角度来看，人的认识一般是从实物、图形到抽象数字符号的系统认知过程。物理学的本质是实验科学。建构主义学习理论认为，学生的学习过程是主动的建构的过程。有关研究表明，初中生的思维发展仍处于形象思维阶段，这是从具体形象思维向抽象思维过渡的阶段。综上所述，通过观察、实验、探究活动帮助学生建构概念，从而发现规律是有效的教学模式。教学实践也表明，机械地灌输概念是低效、徒劳的。动能、重力势能是中学物理重要的抽象概念。在动能教学中，人教版（2013版）教材设置了“探究物体的动能跟哪些因素有关”的实验，而重力势能的教学，教材通过打桩机打桩的例子，用陈述性的语言给出了重力势能的定义，重力势能的大小与质量、高度的关系。站在教师的角度，笔者认为这个内容过于简单，为了追求效率，对教材照本宣科，学生的体会和理解不深刻，只能死记硬背结论。从落实三维教学目标来看，采用探究式教学是优化的选择。采用探究式教学也有利于不同层次的学生获得相应的发展。重力势能探究式教学的主要步骤为：①通过生活中的实例引导学生猜想重力势能的大小跟哪些因素有关；②引导学生设计实验方案（学习应用控制变量法、转换法）；③进行验；④引导学生分析归纳重力势能的大小与质量、高度的关系。实施探究式教学的关键是做好实验，通过实验探究，学生经历知识的形成过程，对重力势能有了感性认识，会进一步加深对控制变量法、转换法的理解并逐步学会应用。物理学的研究方法是物理教学的重要内容，不应在教师的讲授中学习，也不应在习题训练中学习，最佳途径是在观察、实验探究中体会感悟，这样学生才会得到内化和具体应用。
探究重力势能的大小与哪些因素有关的实验，常用下面两种实验方案。
（1）撞沙法。使同一钢球从不同高度落下，不同质量的钢球从同一高度落下，落到平整的湿沙上，观察比较钢球陷入沙的深度来比较钢球重力势能的大小。该方案操作简便，但学生观察钢球陷入沙的深度不方便，另外两个钢球大小不同会引入额外的影响因素。
（2）击桌法。用4根较长的铁钉和一块小正方体木板做一个小方桌，正放在平整的湿沙上或泡沫块上，使同一重物从不同高度落下，不同质量的物体从同一高度落下，观察比较铁钉陷入湿沙或泡沫块的深度来比较物体重力势能的大小。该方案存在的问题是，物体落在小方桌上易击偏，需要多次重复做。
上述两种方案视觉、听觉效果平淡，实验效果不佳。在教学实践中，笔者自制了探究重力势能的大小与哪些因素有关的教具，实验效果好。介绍如下。
1.1 实验原理
球从高处静止落下，落到蒙在铁环上的平整的纸上，纸被破坏的程度越大，球穿过的纸越多，球对纸做的功越多，具有的能量（重力势能）越大。
1.2 制作及实验所需器材
方座支架，复夹2个，铁环（外径约9.5 cm）4个，木直尺，固体胶，圆规，剪刀，乒乓球2个，AB胶，磨尖的硬铁丝，注射器（带针头），水，沙，纸。
1.3 制作方法
（1）取两个相同的乒乓球，用磨尖的硬铁丝分别扎个小孔，一个用注射器注满水，另一个注满沙子，用AB胶粘结密封小孔。注满水和沙的乒乓球的质量分别约为33 g和51 g。
（2）用圆规在纸上画直径比铁环外径大约1 cm的圆，用剪刀剪下，然后用固体胶把纸周边粘接，覆盖在铁环上。共做4个蒙纸铁环。
（3）组装后的实验装置如图1所示。
1.4 实验步骤及现象
（1）把2个蒙纸铁环平行于底座固定装好，间隔约5 cm。
（2）在底座上竖立放一把木直尺，与底座垂直，让水乒乓球（重心）从距上层蒙纸铁环纸面中心高约15 cm处静止落下，上层纸破，球未穿过。
（3）更换上层蒙纸铁环，让水乒乓球（重心）从距上层纸面中心高约25 cm处静止落下，球穿过上层纸，落在下层纸上，下层纸完好。
（4）更换上层蒙纸铁环，让沙乒乓球（重心）从距上层纸面中心高约25 cm处静止落下，球穿过上下两层纸，落在底座上，发出沉闷的撞击声。
以上数据仅供参考，纸质、纸平整程度、球质量等不同，数据会有差异。
1.5 自制教具优点
制作所需器材易得，制作容易，操作简便，实验时间短，现象明显，在安静的教室里球击穿纸落到底座上发出的响声给学生强烈的刺激，印象深刻。通过实验结合多媒体呈现相关素材，渗透安全环保教育，学生对“禁止高空抛物”有了深刻的认识。
2 自制简易气体对外做功内能减少实验器
内能是物体内部的能，也是中学物理重要的、抽象的概念。内能部分的教学内容抽象，学生的学习兴趣普遍不高。教学中设计若干低起点、发散性的讨论问题（如：有哪些方法能增大铁丝的内能等）可以调动学生的积极性。做好教材上的演示实验是吸引学生注意力，激发学习兴趣，提高教学效果的有效途径。人教版（2013版）9年级物理教材上用空气压缩引火仪做“空气被压缩时内能增大”的实验，教学中这个实验在气温较高的9月进行，只要保证活塞与筒内壁接触密封良好（活塞直径可以调整），将很小一团硝化棉捻成细丝（增大与氧气的接触面积）放入筒底，猛地向下用力压活塞后起火，实验的成功率是很高的。硝化棉燃烧产生的火花会给学生留下深刻难忘的印象，借助这个现象设计有梯度的问题（如：①硝化棉燃烧说明它的温度发生了怎样的变化？②硝化棉的内能发生了怎样的变化？③硝化棉的内能增加是通过什么途径？④筒内空气的温度升高，内能增大是通过什么途径？⑤硝化棉燃烧的原因是什么？）引导学生思考、讨论、表达，培养学生的观察、思维和语言表达能力。同样，教材上“空气推动塞子时，内能减少”的实验，当塞子跳起来时，瓶内出现明显的白雾，会给学生留下深刻难忘的印象，借助这个现象设计有梯度的问题，引导学生思考、讨论、表达，从而实现有效教学。但是实验室配置的气体做功内能减少实验器演示现象不明显。这两个实验都是很重要的，前一个实验中，机械能转化为内能；后一个实验中，内能转化为机械能。这两个实验可为后续教学“汽油机的压缩冲程、做功冲程中的能量转化”以及“能量的转化和守恒”等内容作铺垫，提高教学效率。
人教版教材上“空气推动塞子时，内能减少”的实验中，该实验描述如下：“烧瓶（或可乐瓶）内盛少量水。给瓶内打气，当瓶塞跳出时，观察瓶内的变化。瓶内水上方存在着无色透明、无法看到的水蒸气；当塞子跳起来时，可以看到瓶内出现白雾，说明水蒸气液化成了可以看到的小水滴。在这个过程中，气体膨胀对外做功，温度降低，内能减少。”。教材上的实验装置存在3个不足：①安全性差，当塞子跳起来时，玻璃弯管很可能摔破（换成有机玻璃做的弯管可以避免摔破），烧瓶（或可乐瓶）也可能倾倒；②费时，要保证实验现象明显，塞子要塞紧，用两用气筒打气，充气时间较长；③现象不明显，瓶内盛少量水，即使塞子塞紧，当塞子跳起来时，瓶内出现白雾的现象也不明显。
由于实验室提供的器材和教材上的装置存在不足，笔者自制了简易气体对外做功内能减少实验器，实验效果好。介绍如下。
2.1 制作及实验所需器材
可乐瓶（可大可小）、与瓶口相配的橡皮塞、气针（带气针套管）、打气筒（带气针附件）、打孔器、锤子、AB胶、宽度大于可乐瓶直径的长方体木板、酒精。
2.2 制作方法
用打孔器在橡皮塞中心打一个比气针外径略大的孔，然后穿入气针，用AB胶粘结密封。用AB胶将可乐瓶粘结在长方体木板中部。整个装置如图2所示。
2.3 使用及效果
在可乐瓶内滴入几滴酒精（易挥发），用气针套管连接橡皮塞上的气针和打气筒上的气针附
件，塞紧橡皮塞，用打气筒猛打几下（根据橡皮塞的塞紧程度而定），只听“嘭”的一声，橡皮塞冲出，瓶内出现浓浓的白雾，瓶口也有少量白雾，现象非常明显，见图3。
2.4 实验现象分析
瓶内出现浓浓的白雾，原因是瓶内的酒精气体（含水蒸汽）发生了液化。在气体的压强基本不变时，酒精气体（含水蒸汽）的温度必须足够低才会被液化。因此，在橡皮塞冲出时，气体膨胀对外做功，气体的温度降低，可以推断其内能减少。在这个过程中气体的内能转化为塞子的动能。