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用自制教具促進學生的科學探究 曾寶俊 偉大的物理學家麥克斯韋說過：“實驗的教育價值往往與儀器的復雜性成反比，學生用自制的儀器，雖然經(jīng)常出毛病，但它卻會比用仔細調(diào)節(jié)好的儀器學到更多的東西。用仔細調(diào)節(jié)好的儀器，學生易于依賴，不敢拆成零件?！笨茖W課程要求教師帶領(lǐng)學生開展各種活動，需要為學生準備大量的活動器材和實物材料，自制教具、學具。自制教具就是教師和學生共同參與，利用身邊的廢舊材料，利用簡單易行的方法，自己動手研制教具、學具、標本模型等。學校應(yīng)為教師自制教具和學具提供物力和財力保障，支持教師搞好教學工作。日本學者大隅紀和在教具的活用技術(shù)一書中有一段關(guān)于設(shè)計自制教具的原則的論述：1做大一些。2使用信手可得的材料。3結(jié)構(gòu)簡單。4能進行鮮明的演示。5教育目標恰當。6做好一點。那么，在實踐中如何開發(fā)、利用和創(chuàng)新自制教具呢？ 教具開發(fā)要因地制宜 【案例1】用日常廢棄物自制教具 1杠桿尺：用廢木條做杠桿尺、支架，用酒瓶蓋做砝碼。 2電磁鐵：用鐵釘、廢舊漆包線、電池制作電磁鐵。 3用硬紙片、水銀鏡片等制作潛望鏡，在平面鏡成像一課中使用。 4用乒乓球做地球儀。 5用廢鐵片做葉輪模型。 6用塑料瓶、橡皮泥等制作不倒翁。 7.用易拉罐、細線、火柴梗等做土電話。 8用鐵絲、線軸做滑輪等。 科學實驗中有些材料雖然實驗室沒有，但所需材料容易收集，教具制作又比較簡單，我們可適當利用現(xiàn)有的資源自制。身邊常見的易拉罐、小磁鐵、小鐵釘、小木塊、細鐵絲、雪碧瓶、塑料杯、注射器、橡皮管、玻璃片等，都可以用來做一些簡易而實用的儀器。 【案例2】自制水火箭 用廢舊的塑料可樂瓶，向瓶中灌一定量的水，用軟塞堵緊瓶口，軟塞中間打一個充氣孔，裝上氣門芯、膠管和螺帽，用氣筒向瓶內(nèi)充氣，充氣到一定的壓力，可樂瓶內(nèi)的水受力膨脹，推出軟塞，“火箭”騰飛。 【案例3】體驗撬棍原理演示器 本教具將撬棍原理以數(shù)字化形式呈現(xiàn)給學生，分析杠桿因支點與力點距離的變化而省力、費力、不省力也不費力的規(guī)律。 制作材料：木板支架1個、滑輪1個，彈簧秤1個、pvc凹槽1根，木棍1根、細線1根、小木塊1個、重物一組。 制作方法：在木板上安裝凹槽和定滑輪，用小木塊做一滑動支點安裝在凹槽上，豎直支架安裝彈簧秤，用定滑輪連接重物和撬棍（如裝置圖）。 使用方法：移動支點，在撬棍上用力，撬起重物，彈簧秤顯示用力大小，通過數(shù)據(jù)對比，理解撬棍原理。 【案例4】簡易天平 材料：酒瓶、膠塞或木塞、廢刀片、筷子、大瓶蓋、易拉罐皮、鐵絲、沙。 制作方法：在空酒瓶內(nèi)裝半瓶沙子，瓶口塞上嵌有刀片的膠塞作為支撐橫梁的刀口。將木條（竹筷）中間刻一個60度“V”形口，鑲上薄鐵片，放在刀口上做橫梁，橫梁兩邊各纏上幾圈可靈活移動的鐵絲，以便調(diào)節(jié)零點。取兩個大瓶蓋作吊盤，分別用細線系掛在橫梁兩端，定好位置，固定。 用細鐵絲彎成指針，固定在刀口兩側(cè)等距離的橫梁上；用易拉罐皮做成刻度盤，固定在指針下端的瓶體上；用鐵絲彎成一個支架固定在瓶口部，作為支撐橫梁的裝置。組裝好就成了一個吊盤天平。 【案例5】水果電池 如圖所示，找一根5厘米長的銅片，再從廢干電池上剪下一條2毫米寬的鋅皮，刮凈，把銅片和鋅皮插入蘋果里。取兩根導線，把它們的一端分別接在水果電池的兩極上，另一端接在電壓表的正負接線柱上，同學們驚奇地發(fā)現(xiàn)電壓表的指針偏轉(zhuǎn)了，說明水果電池銅片與鋅片之間有電壓存在。 【案例6】化石石膏模擬盤 材料：lOOx60x30cm的鐵盤、曬干的魚或鴿子骨架、石膏粉、水。 制作方法： 1取適量石膏粉加水攪拌均勻成泥狀。將動物骨架裹上一層薄薄的石膏至石膏完全凝固。 2將剩余石膏泥倒置在鐵盤內(nèi)，將已裹了一層石膏的動物骨架隨機放置在鐵盤內(nèi)石膏泥的各個位置。 3大約3小時后，盤中原本粘稠狀的石膏完全凝固，并將“化石”牢牢地掩埋其中。 使用說明：在活動時，給每個小組提供這樣一些材料：兩把小榔頭、兩把小刷子、兩把小鏟子、兩把鑷子、每人一副一次性手套、兩把放大鏡、用來清理化石的盤子和用來復原化石的盤子，以及記錄紙。 常聽到許多科學老師發(fā)感慨：現(xiàn)在的科學課實驗多，而且大多需要學生分組實驗，有些學校實驗器具配備不齊全，有些教具不適用現(xiàn)在的教學內(nèi)容。在有些教學條件較差的偏遠學校，甚至連常規(guī)的實驗都缺少。的確如此，然而，從上面的案例不難看出，雖然現(xiàn)有的教具不能滿足上課需要，但我們可以就地取材，尋找身邊簡單易取物品和器具，開動腦筋，自己動手，自制教具，因地制宜地解決實驗所需教具，保證學生開展科學探究活動。 教具利用盡可能一舉多得 【案例1】氣球的使用 使用一：引導學生認識空氣時，讓學生用力對著氣球吹氣，可以看到氣球的體積逐漸變大，這時，教師可以在旁邊對這一現(xiàn)象進行闡述，同學們通過氣球鼓起來的現(xiàn)象可以認識到空氣無處不在，并且具備一定的體積，能夠占據(jù)很大的空間。 使用二：反沖小車 1認識實驗器材：車輪、車軸、氣嘴支架、組合底座、皮筋、小氣球。 2組裝好小車。 3把小氣球套在氣球支架上用皮筋扎緊。 4把做好的氣球支架插在車子底座上的孔內(nèi)固定好（吹大氣球捏緊后插入也可）。此時要注意，固定的時候不能把吹嘴套的噴口方向歪斜，以免影響實驗效果。 5選擇一塊平滑的桌面（地面也可），擺正小車，然后松開手放氣，小車在氣球的氣體沖擊作用下，會飛快地向前跑起來。此時，車子行駛的方向與氣球噴氣的方向相反。實驗證明了車子向前行駛的力，是由于氣球噴出來的氣體與空氣之間發(fā)生了沖擊，形成了反沖的力量。 【案例2】水的浮力教學器具 A案例：老師在課前準備好4個分別裝有砂子、清水、鹽水、空氣的乒乓球。在課堂上將4個球同時放人盛有水的水槽中，結(jié)果學生看到有的球沉入水底，有的浮在水面，有的懸浮在水的上半部分，有的懸浮在水的下半部分。這種教具的巧妙設(shè)計，使學生在疑惑中自然地進入到問題的思考中。 B案例：飲料瓶1個、藿香正氣液瓶2個。 當飲料瓶裝滿水時，把兩個藿香正氣液瓶裝不同量的水（半瓶左右），倒立放置在飲料瓶里，把飲料瓶蓋子蓋緊，此時兩個小瓶均浮于飲料瓶頂部，用手捏飲料瓶，飲料瓶里的水進入藿香正氣液瓶里，導致其重力增大，小瓶先后下沉（小瓶里裝水多的先下沉），當手松開時，小瓶先后上?。ㄐ∑坷镅b水少的先上?。?。 傳統(tǒng)的浮力實驗相對有點復雜，而這個浮力實驗簡易，并且通過裝有不同量水的兩個小瓶的對比，更容易觀察影響小瓶下沉與上升的因素，從而得出實驗結(jié)論。當裝有少量水的小瓶裝入更多水時，其重力大于其所受的浮力，所以下沉；松手時，小瓶里水流出，其重力小于浮力，所以上升。這個教具設(shè)計簡單、易行、美觀，操作起來方便、可行，把抽象的物理概念直觀化，能夠調(diào)動學生的學習興趣，促使學生在動手中學到新知識。 【案例3】：恒星周年視差模擬實驗裝置改進 1教材中的設(shè)計存在的不足 (1)操作難度大。教材選擇在操場中開展這個實驗，雖然模擬的效果比較好但是在實際教學中操作難度比較大，因為在操場上學生的紀律很難調(diào)控，并且教師演示或者學生示范所觀察到的結(jié)果也都無法呈現(xiàn)給全班學生。 (2)模擬效果差。教材讓學生在圓圈上背對著紅色原點轉(zhuǎn)動一周，表示“地球”圍繞著“太陽”公轉(zhuǎn)一周。我們在教學過程中發(fā)現(xiàn)，這樣的模擬情境不夠形象，以至于學生無法理解“要背對太陽轉(zhuǎn)動”的意義所在，導致他們在實驗過程中經(jīng)常出現(xiàn)隨意轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象，從而使這個模擬實驗難以再現(xiàn)現(xiàn)實的情境，失去了模擬的意義。 為了彌補以上幾點不足，筆者從自身的教學實踐出發(fā)，改進并自制了“恒星周年視差模擬實驗裝置”。 2改進與自制模擬實驗器材 (1)“恒星周年視差模擬實驗裝置”主要組成部分(圖1、2、3、4、5)。 (2)為了解決教材設(shè)計中存在的兩個不足，本裝置主要從以下幾個方面進行改進和自制： 該裝置運用了最新科技產(chǎn)品無線電腦攝像頭（見圖5），并把它置于地球儀之中（見圖4）。有了這套演示設(shè)備，教師就可以在更大的范圍內(nèi)開展演示實驗，而不用擔心學生看不見的問題，因為所有的現(xiàn)象都能通過它呈現(xiàn)在教室的大屏幕上，讓每個孩子都能身臨其境。這樣不僅可以降低教師的演示難度，而且學生做示范實驗時也能把攝像頭拿在手上，并把自己看到的現(xiàn)象實時地展現(xiàn)給其他同學，使得示范的結(jié)果更好地面向全體學生。 該裝置將攝像頭放在地球儀中，通過地球儀的轉(zhuǎn)動來模擬地球公轉(zhuǎn)，能讓孩子們實時地看到“地球上的人”看到的現(xiàn)象，這樣的模擬效果更加形象逼真。不僅如此，該裝置通過“地球公轉(zhuǎn)軌道圖”(見圖3)上一半黑一半亮的地球，非常形象地提醒學生只有背對太陽才能看到太陽以外的兩顆恒星，并且通過箭頭和橢圓形軌道，引導學生要沿著橢圓形的軌道移動，這樣設(shè)計有助于加強分組實驗的規(guī)范性，提高模擬實驗的可靠性。 【案例4】人體消化器官模擬器 材料：漏斗、透明塑料管、掛水用的比較厚的塑料袋、乒乓球、長簡襪、饅頭渣或豆渣。 制作方法：將人體的消化器官分為兩個部分，口腔、食道、胃作為一個部分；小腸、大腸作為另外一部分。 1首先，用一漏斗來模擬口腔，用透明塑料管來模擬食道。漏斗頸部能緊塞在透明塑料管內(nèi)。 2將畫好的胃的外形圖蒙在掛水用的比較厚的透明大塑料袋上，裁剪成兩片胃的外形。 3將裁好的兩片“胃”邊緣部分沿燭火加熱至粘黏起來，這樣就做成了一個外形與胃相似、透明、可以模擬蠕動的“胃”。 4將長筒襪剪成兩半，這樣的口徑大小比較合適，再縫合模擬小腸、大腸。用乒乓球模擬食團在腸道中的前進。 【案例5】“鋼索橋模擬實驗”改進 1“鋼索橋模擬實驗裝置”的主要組成部分(見圖1、2、3、4、5)。 2為了解決教材設(shè)計中存在的兩個不足，本裝置主要從以下幾個方面進行改進和自制： 該裝置利用拉力測量器（見圖5）來測量“主鋼纜”受到的拉力大小，因為它可以將測量的結(jié)果留住（見圖1）。這種測量方法既規(guī)范又準確，有利于學生準確地記錄實驗的結(jié)果。 該裝置的主體結(jié)構(gòu)（橋塔和橋面）與現(xiàn)實的鋼索橋結(jié)構(gòu)比較接近，并且它是通過將“主鋼纜”繞到不同高度的定滑輪上來改變橋塔高度，但不改變橋面的高度，這樣設(shè)計不但可以讓它在做對比實驗時能保持鋼索橋原有的結(jié)構(gòu)特點，而且能嚴格地控制好對比實驗中各個因素，保證實驗的有效性。 教具創(chuàng)新在于突破局限 【案例1】“拉力與彈簧拉伸長度之間的關(guān)系”實驗改進 將彈簧拉伸的長度圖表倒貼在實驗的底板上，學生實驗時，用鉛筆可以直接點出彈簧拉伸后在坐標圖上的位置。實驗完成后將圖表上的各點連接，可以一目了然地看出拉力與彈簧拉伸長度之間的關(guān)系。 這是從現(xiàn)有實驗器材的缺陷中尋找改進教具的方法，達到了簡化操作步驟、縮短實驗時間、改善實驗效果的目的。 【案例2】“搭房子”的器材改進 學生們開始使用報紙卷成紙棍搭建房子，在搭建到一定高度后，由于承受力差，搭建的房屋還未完工就倒塌了。教師引導學生想辦法，自己找材料去研究。學生想到用木制尺子搭建，但是拼接時沒有辦法固定，于是孩子們向老師求助。老師將學校廢棄的小黑板，裁成大小一樣的八邊形，將它們和兩種長短不同尺寸的木尺子鉆好孔，并購置了一些大小適宜的螺母螺帽，供孩子們開展搭房子活動。這一教具的制作方便拆裝，可以多次重復。 【案例3】風的形成演示器改進 儀器裝置圖 本教具相當于透明爐灶，材料易得，構(gòu)造簡單，制作方便，便于操作。蠟燭點燃時，煙從進氣孔被吸進，罩口上方的風輪轉(zhuǎn)動（圖1）；蠟燭熄滅時，煙不進入鐘罩，風輪不轉(zhuǎn)動（圖2）。借助此教具演示空氣流動，直觀、形象，使學生一目了然，能夠深刻理解“蠟燭燃燒產(chǎn)生的熱量使空氣流動成風”。 1制作材料及方法 在鐘罩下端的壁上鉆一個直徑約1厘米小孔（用玻璃店的玻璃鉆頭鉆孔）。 從鋁質(zhì)易拉罐或稍厚的紙上剪下直徑2.5厘米的圓片，剪成風輪，圓心插一根針，針孔穿一條長2030厘米的細線，切兩小粒橡皮穿在針上，夾住風輪。 2使用方法及效果 將玻璃板平放在桌面上。 點燃蠟燭放在玻璃板上。 揭去鐘罩的帽蓋，把鐘罩罩在蠟燭上。 點燃線香靠近進氣孔，煙被吸進鐘罩。 手提風輪上的細線，把風輪靠近罩口上方，風輪轉(zhuǎn)動。 熄滅蠟燭，將點燃的線香靠近進氣孔，煙不進入鐘罩，風輪不再轉(zhuǎn)動。 【案例4】空氣傳聲實驗改進 材料：膠塞、燒瓶、夾子、膠管、兩用氣筒、小鈴鐺、線繩、玻璃管。 制作方法：將膠塞打一個小于玻璃管徑的小孔，把帶膠管的玻璃管插入膠塞，用線繩一端系上小鈴鐺，另一端固定在膠塞上，蓋緊瓶口。 使用說明：用手搖動燒瓶，瓶內(nèi)小鈴鐺會發(fā)出清晰的聲音。用兩用氣筒將瓶內(nèi)的空氣抽出，用夾子夾緊膠管，再搖動瓶子聽不到聲音。 【案例5】“力能使物體發(fā)生形變”實驗改進 實驗中對固體施力時，學生很難察覺，可能導致學生對知識點的質(zhì)疑。 在燒瓶中灌滿紅墨水的溶液。 將帶單孔橡皮塞的毛細玻璃管塞人燒瓶口，可以看到毛細玻璃管中有一段紅色的水柱。 用雙手在燒瓶兩側(cè)施加壓力，毛細管中的液面明顯上升。 通過這一實驗，使學生直觀地觀察到堅固的固體表面受力時發(fā)生了形變，加深了學生的感性認識。 【案例6】小孔成像實驗儀器改進 傳統(tǒng)的實驗是用蠟燭作為光源進行演示的，但存在明顯的缺點： 第一，亮度不高，白天做實驗效果不明顯； 第二，學生觀察不方便，教師操作不方便； 第三，因蠟燭的火苗成橢圓形，圖像到位不明顯。 大家知道，小孔成像是因為光具有直線傳播的特點。為了操作演示和分析方便，我們用了十幾個紅色發(fā)光二極管串、并聯(lián)后，組合成一個“A”形的圖案。因為：第一，“A”的倒立圖像明顯；第二，光點便于分析。在演示過程中，我們用一根白色棉線代替光線，將線頭一端按在一個發(fā)光點上，另一端穿過小孔，拉直線繩落在成像屏上，并用筆在端點上描點。用同樣的方法對所有的發(fā)光二極管進行拉線描點，在屏上先描繪出一個倒立的“A”，使學生在理論上認識小孔成像的原理，然后再經(jīng)過通電演示來驗證理論與實踐的統(tǒng)一。這一實驗不僅使學生懂得了小孔能成像，而且明白了為什么能成像，為什么倒立，使學生真正理解了小孔成像的原理，并且滲透了像素的概念：光點越多，圖像越清晰。 如果說“小孔成像儀”是學習理論的基礎(chǔ)，那么“小孔成像房”便給了學生親自體驗和應(yīng)用的機會。小孔成像儀對于發(fā)光的物體能成像，那么自然光線下的物體能成像嗎？這一問題不僅學生有疑惑，有的教師可能也不敢相信，理由是物體本身不發(fā)光。為了走出這一誤區(qū)，有教師利用學校的閑置彩鋼房，封閉了窗戶，打開一個小孔，做成了一間“小孔成像房”，讓所有學生參與實驗活動。當學生在房內(nèi)成像屏上清晰地看到房外同學們的活動情況時，他們對“小孔”的神奇驚嘆不已。整個活動轟動了全校，師生們爭先恐后地參與體驗活動。通過這一實驗，師生們明白了自然光下的物體雖不發(fā)光，但它反射光，也相當于發(fā)光體，因此，也能成像。通過這些實驗活動，在老師的指點下，學生都成功地模仿制作出了“小孔照相機模型”和“小孔成像裝置”，極大地調(diào)動和培養(yǎng)了學生學科學、用科學的積極性。 【案例7】空氣有重量嗎實驗改進 空氣有重量嗎一課中有兩個實驗用來驗證空氣有重量：用簡易小天平來測量空氣是否有重量（如圖1）和用天平稱量打足氣的皮球中空氣的重量(如圖2)。 在實際操作中，這兩個實驗都有不同的難度，效果不理想。用簡易小天平來稱空氣是否有重量，其實質(zhì)是測量氣球內(nèi)壓縮空氣的重量。因為氣球的壓縮性有限，里面產(chǎn)生的壓縮空氣也很有限。簡易天平的靈敏度不高，這些壓縮空氣的重量不足以使簡易天平產(chǎn)生明顯的變化，并且整個實驗不可控因素很多，使觀察到的結(jié)果誤差較大。換用天平測量，天平的靈敏度提高了，皮球中產(chǎn)生的壓縮空氣也多了，按說效果應(yīng)該很