自制教具在高中物理教學(xué)中的優(yōu)勢

【摘要】自制教具在高中物理教學(xué)中有著顯著的優(yōu)勢。教師在授課過程中通過自制教具來輔助教學(xué)，可以讓學(xué)生更直觀地理解物理知識，提高實(shí)踐操作能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維和解決問題的能力，等等。介紹在“力的分解”教學(xué)中自制教具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，旨在為高中物理教師提供有益的參考。【關(guān)鍵詞】高中物理；自制教具；“力的分解”；實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)在高中物理教學(xué)中占據(jù)著重要的地位。但是，筆者受到所在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)器材的限制，在日常授課中了解到不少學(xué)生往往難以深入理解物理概念和規(guī)律，更不要說利用物理知識去解決實(shí)際問題了。而自制教具有利于彌補(bǔ)這些不足。“力的分解”一課所涉及的矢量分解及平行四邊形定則等知識非常重要，需要學(xué)生熟練掌握。學(xué)生對本課內(nèi)容的理解和掌握程度將直接關(guān)系到之后的共點(diǎn)力的平衡、牛頓第二定律及曲線運(yùn)動等相關(guān)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)。由于傳統(tǒng)的教學(xué)通常只依靠教師的講解和學(xué)生的聽、寫、記，不利于學(xué)生理解和應(yīng)用本課知識點(diǎn)，因此教師可以借助自制教具，為學(xué)生提供實(shí)踐操作的機(jī)會，讓學(xué)生能直接觀察現(xiàn)象，了解其中的原理。本文將以“力的分解”教學(xué)為例，深入探討自制教具在高中物理教學(xué)中的優(yōu)勢。一、自制教具在“力的分解”教學(xué)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用（一）設(shè)計(jì)理念在“力的分解”教學(xué)中，自制教具的設(shè)計(jì)理念是以直觀性和簡單實(shí)用、安全可靠原則為核心。（二）教具組成由三個長方體木塊及50cm長塑料直尺組成如圖1所示的教具，由2m長木條、細(xì)線、自制掛鉤、定滑輪、放有顏料的水組成如圖2所示的教具，由鉛筆、橡皮筋、細(xì)線、鉤碼組成如圖3所示的教具，由30cm×30cm木板、定滑輪、細(xì)線、彈簧測力計(jì)、鉤碼、A4紙、圖釘組成如圖4所示的教具，由30cm×30cm木板、合頁、4kg鉛球、高彈性海綿組成如圖5所示的教具。（三）教具應(yīng)用思路1.遵循直觀性原則演示力的作用效果自制教具的設(shè)計(jì)要讓學(xué)生能直接觀察到力的分解過程和結(jié)果。由圖1可知，木塊靜止放置在塑料直尺上，當(dāng)力F水平向左時，木塊向左運(yùn)動，塑料直尺沒有向下發(fā)生形變（現(xiàn)象1）。當(dāng)力F豎直向下時，木塊沒有運(yùn)動，塑料直尺向下發(fā)生形變（現(xiàn)象2）。當(dāng)用斜向下的力F推木塊時，木塊向左運(yùn)動，塑料直尺向下發(fā)生形變（現(xiàn)象3）。對于上述3個實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，學(xué)生可以很直觀地看到。這樣能夠讓學(xué)生迅速想到現(xiàn)象3是斜向下的力F產(chǎn)生的結(jié)果，力F的作用效果一是使木塊向左運(yùn)動，作用效果二是使塑料直尺向下發(fā)生形變。在對力F進(jìn)行分解時，學(xué)生由于直接觀察到現(xiàn)象，就會很自然地把力F向左和下兩個方向分解，同時也能理解矢量分解的原理，對“按照力的作用效果進(jìn)行力的分解”有更加直觀的認(rèn)識。2.遵循簡單實(shí)用原則激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和求知欲自制教具應(yīng)盡可能做到簡單、實(shí)用，方便學(xué)生觀察、操作和使用。以自制教具2為例，該教具的三瓶水中，左右兩瓶水質(zhì)量均為m1，中間那瓶水的質(zhì)量為m2（m2＜m1）。筆者在導(dǎo)入時提問：“用質(zhì)量為m2的這瓶水能否同時把左右兩瓶水拉起來？為什么？”大部分學(xué)生回答：“不能拉起來。因?yàn)槎ɑ喼荒芨淖兞Φ姆较?，不能省力，而且m2g＜m1g。”當(dāng)一名學(xué)生把質(zhì)量為m2的這瓶水掛在細(xì)線的中點(diǎn)位置時，左右兩瓶水同時被向上拉起一段距離，之后三瓶水處于平衡狀態(tài)。對此，學(xué)生們覺得很神奇。可見，在上課前應(yīng)用自制教具，能把全班學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲激發(fā)出來，也能提高本課教學(xué)的有效性。3.遵循安全可靠原則保證教學(xué)活動有序開展自制教具的設(shè)計(jì)要考慮到學(xué)生操作教具時的人身安全，避免使用有危險(xiǎn)的材料，也要消除使用過程中存在的安全隱患。以自制教具3為例，筆者總結(jié)出的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：（1）A、B兩端用普通的鉛筆來連接，位于A端的鉛筆不應(yīng)削尖，以免在學(xué)生使用時把學(xué)生的手心扎傷。（2）位于B端的鉛筆上可用手電鉆打一個小孔（教師應(yīng)在課前幫學(xué)生打好孔），讓細(xì)線穿過小孔，用橡皮筋固定好鉛筆。這樣可以避免學(xué)生在使用時因鉤碼不慎脫落而被橡皮筋打到臉部。（3）C點(diǎn)處可以使用若干組統(tǒng)一質(zhì)量的鉤碼，每一組分配兩個鉤碼。這樣可以避免掛在此處的物體掉落，造成安全事故。（4）在學(xué)生使用自制教具之前，教師一定要事先操作幾次，檢測實(shí)驗(yàn)效果。這樣可以增強(qiáng)自制教具使用的安全性［1］。（四）教具應(yīng)用方法1.學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)在應(yīng)用自制教具3的過程中，為了讓每一個學(xué)生都能親身感受到力F的作用效果，筆者在上本節(jié)課的前兩天讓學(xué)生準(zhǔn)備好制作教具的材料。到了分組實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，筆者讓學(xué)生在B端依次掛上一個鉤碼和兩個鉤碼，之后引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)真觀察兩次實(shí)驗(yàn)中橡皮筋的變化情況，并感受位于A端的鉛筆筆尖與手心的接觸。大多數(shù)學(xué)生做完這兩次實(shí)驗(yàn)后都得出了以下結(jié)論：“只掛一個鉤碼時，橡皮筋被拉長，自己從手心感受到鉛筆芯的壓力；掛兩個鉤碼時，橡皮筋被拉得更長，自己從手心感受到的壓力也更大，甚至?xí)形⑽⒌拇掏锤?。”此時，筆者提問：“橡皮筋被拉長并且手心感受到微微的刺痛，是B端的拉力較大還是較小造成的？”在學(xué)生探究得出“這是由于B端的拉力較大造成的”之后，筆者繼續(xù)提問：“要想分析力F的作用效果，要從哪兩個角度去研究？”對此，幾乎所有學(xué)生都能很自然地想到要從橡皮筋的角度和筆桿的角度去研究，根據(jù)平行四邊形定則進(jìn)行標(biāo)注。2.教師演示實(shí)驗(yàn)以自制教具4為例，筆者在演示實(shí)驗(yàn)前，首先，將一張A4紙平鋪在木板上并用圖釘固定好；接著，在A點(diǎn)處掛上三個鉤碼，在B點(diǎn)處掛上四個鉤碼，與A、B點(diǎn)相連的細(xì)線用彈簧測力計(jì)拉?。蝗缓?，在A4紙上用鉛筆標(biāo)出O點(diǎn)的位置、OA的方向、OB的方向及力F的大小、方向；最后，將A4紙取下并用電子白板進(jìn)行投影，用畫圖的方法表示力F1、F2與F之間的關(guān)系［2］。該教具在力F1、F2的方向所對應(yīng)的位置使用的是統(tǒng)一質(zhì)量的鉤碼，使用時需沿著與木板平行的方向拉，這樣能減小誤差，所以該教具的精度較高，有利于增強(qiáng)筆者教學(xué)的有效性。在筆者利用該教具給學(xué)生做演示實(shí)驗(yàn)時，學(xué)生可以很容易得出“力的分解遵循平行四邊形定則”。二、自制教具在“力的分解”教學(xué)中對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的影響通過自制教具的應(yīng)用，學(xué)生能夠更深入地理解“力的分解”的相關(guān)原理，提高學(xué)習(xí)興趣和參與度。然而，有些學(xué)生對有關(guān)“力的分解”的動態(tài)平衡的知識點(diǎn)較難掌握和運(yùn)用。對此，筆者設(shè)計(jì)了自制教具5。MN和NK邊對應(yīng)著兩片木板，N點(diǎn)處靠合頁連接，兩片木板上鋪有一定厚度的高彈性海綿。在將一個4kg的鉛球放在NK邊對應(yīng)的木板上之后，學(xué)生可以看到兩片木板上的海綿發(fā)生了明顯的形變。當(dāng)使MN邊沿逆時針方向繞N點(diǎn)轉(zhuǎn)動時，學(xué)生可以看到NK邊對應(yīng)的木板上的海綿正在慢慢恢復(fù)原狀，MN邊對應(yīng)的木板上的海綿形變的量先變小再變大。之后，筆者指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)平行四邊形定則畫出鉛球重力的示意圖，并分析：在三角形OAB中，OA表示鉛球的重力，在整個實(shí)驗(yàn)過程中其大小不變，故OA的方向和長度不會改變；OB和BA則表示鉛球重力的分力，OB的方向也不會改變。當(dāng)MN邊旋轉(zhuǎn)時，B點(diǎn)在向O點(diǎn)的方向移動，使得OB的長度在逐漸減小，NK邊對應(yīng)的木板上的海綿形變的量也在逐漸減小，而BA先變短后變長。借助該教具，學(xué)生對有關(guān)“力的分解”的動態(tài)平衡的知識點(diǎn)理解起來就不再那么困難了。三、自制教具在高中物理教學(xué)中的具體優(yōu)勢（一）促進(jìn)學(xué)生理解應(yīng)用自制教具能夠?qū)⒊橄蟮奈锢砀拍钷D(zhuǎn)化為生動的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，幫助學(xué)生更好地理解物理知識。在“力的分解”學(xué)習(xí)中，通過自制教具1，學(xué)生可以親眼看到對木塊施加不同方向的力F時，不同方向的力F會給木塊帶來不一樣的作用效果。特別是在將一把較容易發(fā)生形變又不容易斷裂的塑料直尺鋪在木塊的下方時，學(xué)生能夠有更直觀的感受。（二）提高學(xué)生的實(shí)踐操作能力自制教具的設(shè)計(jì)過程需要學(xué)生親自動手參與，這樣能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐操作能力。在向?qū)W生提出課后設(shè)計(jì)自制教具3的要求后，教師可以針對動手能力強(qiáng)的學(xué)生，向他們演示怎樣安全使用手電鉆在鉛筆的一端打孔，接著讓他們在長木板上練習(xí)打孔，熟悉操作步驟后嘗試在鉛筆的一端打孔。而對于穿線、打結(jié)和連接橡皮筋，每個學(xué)生都可以去嘗試。由此積累的實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)對學(xué)生綜合素質(zhì)的提高具有重要的意義。（三）培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和解決問題的能力自制教具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用需要學(xué)生具備一定的創(chuàng)新思維和解決問題的能力。在設(shè)計(jì)自制教具3時，教師可以引導(dǎo)學(xué)生思考如何利用簡單的材料和工具制作出蘊(yùn)含物理概念和規(guī)律且操作時能明顯地感受到力F的作用效果的教具。對于設(shè)計(jì)過程中遇到的如材料的選擇、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、實(shí)驗(yàn)的效果等方面的各種問題，學(xué)生需要隨機(jī)應(yīng)變［3］。（四）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性具有新穎性、趣味性和實(shí)用性等特點(diǎn)的自制教具，能夠吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性。在“力的分解”教學(xué)中，教師通過運(yùn)用自制教具2來進(jìn)行演示和開展實(shí)驗(yàn)，可以讓更多的學(xué)生親身體驗(yàn)到物理知識的魅力和物理學(xué)習(xí)的樂趣。自制教具的應(yīng)用也能夠讓學(xué)生感受到自己的努力和付出得到了回報(bào)，增強(qiáng)學(xué)生的自信心和成就感。（五）實(shí)現(xiàn)師生互動自制教具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用需要師生之間的密切合作和有效互動，這有助于建立和諧的師生關(guān)系。在師生共同設(shè)計(jì)自制教具5的過程中，教師可以給予學(xué)生指導(dǎo)和幫助，學(xué)生可以向教師提出自己的想法和建議，師生可以共同探討和解決問題。教師利用自制教具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可以引導(dǎo)學(xué)生積極參與到教學(xué)