自制教具系列化——以食盐水为核心的教具及实验开发

自制教具系列化——以食盐水为核心的教具及实验开发*

吴小兵王秀玲

(江苏省灌南县初级中学江苏 连云港222500)

江苏省教育科学“十二五”规划课题“弹性物理实验中学生个性化发展的实践研究”和连云港市中小学教学研究第九期课题“初中物理实验个性化教学实践研究”阶段成果之一，编号：D/2011/02/073

摘 要：自制教具在物理教学过程中具有重要的作用，但自制教具也存在着一些困难．通过以食盐水为例，阐述以某一核心资源进行自制教具系列化和实验开发的一些参考路径．

关键词：自制教具系列化食盐水

作者简介：吴小兵(1978-)，男，中教高级，主要从事中学物理教学及研究.江苏省连云港市学科带头人．

收稿日期：(2015-06-02)

物理是一门以实验为基础的学科．物理实验既是物理教学的重要方法，也是物理教学的重要内容．自制教具曾因取材方便、制作简单、造价低廉且有利于培养学生的动手能力与创新精神等特点而备受吴有训、朱正元等老一辈物理教育家的推崇与提倡，在物质匮乏的年代也深受教师喜欢，但是随着社会发展，自制教具也出现了一些新的情况．首先，随着我国经济的持续发展，政府对教育的不断加大投入，为各学校配套了大量的实验器材，教师缺乏自制教具的热情．其次，随着专业化教具厂商不断涌现，竞争加剧，一线教师好的创意发表后短时间内很快产品化，并且迅速推向市场．网购的普及更是开阔了教师的眼界，一切触手可及．在网络提供丰富而快捷的产品背景下，教师觉得没有必要再去自制教具．再次，教师在自制教具过程中，指导思想出现偏差，为了自制教具而制作教具，自制教具出现高端化倾向，制作成本远高于购买类似产品的价格，背离了朱正元先生提倡的“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”的主张．最后，师生在自制教具过程中往往局限于某一个实验难点，解决某一个问题，缺乏更宽广的视野．基于以上现状，笔者提出“自制教具系列化”的观点，在低成本的原则下，以食盐水为例谈一谈自制教具及实验开发．

1基于概念规律建立——冰熔化实验教具的开发

物理概念和规律的教学，历来是初中物理教学的重点和难点．熔化和凝固的现象虽然在生活中常见，但是要通过实验探究活动了解熔化和凝固的规律却是很难，比如一般的教材都安排了冰熔化实验[1]．因为冰熔化实验在特定的教学时间相对应季节，在45 min内很难取得成功，分组实验更是被大多数教师认为不具有可操作性．笔者通过较长时间的实践探索，寻得了一些简易的方案[2]．

图1　用学生尺测量小试管的长度

图2　削去顶端的矿泉水瓶

1.1熔化和凝固概念引入及建立

通过“奇妙的小实验——无冰箱、无电源现场快速制冰棍”吸引学生注意力，激发学生兴趣，并建立熔化和凝固的概念．具体操作：取出小试管，用胶头滴管向小试管内加入适量的水，将削好的薄木片放入小试管内，再将小试管底部插入半凝固状态的冷冻食盐水中．约1 min后，用手指捏住木片，可将小试管提起，因为小试管内的水已经凝固，木片被冰封于其中，冰棍制作完成．接着用面巾纸将小试管外壁擦干，并用手握住小试管底部加热一段时间后，将管口向下倾斜，可以看到有水从管口滴下．这一趣味实验大大激发了学生的兴趣．根据所观察到的现象，建立凝固与熔化概念，自然流畅．

1.2冰熔化规律探究

冰熔化规律的探究，目前虽然也有一些教具和方案，但是或多或少存在着一些缺憾．如有的实验操作时间较长，不适合在课堂进行演示或分组；有的虽然能够看到温度保持在0℃一段时间，但是看不到低于0℃吸热升温的现象；有的能看到完整的温度变化，但是由于装置密封，看不到冰或水物态变化．笔者设计了如下方案：取一个如前文所述规格的小试管，在其底部约3 cm处贴上标志线，内部放少量从清洁球上拆除的金属丝，加强导热性，如图3．

图3　用于探究冰溶化规律的小试管

向小试管内加水至标志线处．再找一个小的橡皮塞，中间带孔，温度计从塞子中间小孔穿过，玻璃泡插入小试管内的水中，下不靠底，侧不碰壁，上不露出水面，金属丝均匀分布在玻璃泡周围效果最好．塞子塞紧，起固定温度计的作用．将小试管竖直插入絮状冷冻的食盐水中．可以观察到水的温度迅速下降，降至0℃时并保持一段时间，随后继续下降，当降至-5℃时将小试管取出，用面巾纸将小试管外围擦干，同时观察并记录水的温度随时间变化和小试管内冰水状态及多少的变化．降温及凝固过程只观察不记录，重在体验，升温和熔化过程观察、记录并描点作图像．

如图4是根据实验数据利用几何画板画出的图像．学生分组探究时，一人计时，一人读数，一人描点，整个时间在18 min左右，时间完全在允许的范围内．

图4

通过这一套教具的开发，使得凝固和熔化现象趣味引入，概念建立自然；学生通过分组探究，不但探究了冰的熔化特点，还观察了水的凝固过程；通过比较，加深凝固和熔化规律的理解，通过自制教具，突出了教学的重点，也克服了实验的难点．整套教具，成本低廉，制作简单，使用方便．由于本实验方案的典型性，“熔化和凝固”课堂教学视频在江苏省中小学教研室“名师课堂”点播，反响很好．

2基于综合实践活动——手提冰箱教具及实验的开发

综合实践活动因为具有综合性、开放性、灵活性等特点，在各物理教材中越来越多的出现．通过综合实践活动的实施，不但可以使学生认识物理学科知识与生活、社会的联系，培养学生学以致用的能力，而且可以增强学生参与社会和解决社会问题的意识．基于食盐水的低温及其较好的制冷效果，笔者以苏科版八年级物理“用电冰箱研究物态变化现象”课题为起点，以冻食盐水为核心，制作手提冰箱，进一步拓宽综合实践活动内容．现将手提冰箱制作过程简单介绍如下[3]：

(1)活动所需工具及材料．小刀、透明胶带、家用电冰箱、3号、6号泡沫盒各一个、5瓶饱和食盐水．

(2)简易型手提冰箱的制作．

1)在生活中找到泡沫盒，如装运水果、实验器材的泡沫盒，根据存储的物品用美工刀对其内部空间拓展；

2)在泡沫盒的封口处，上下均单独用透明胶带缠绕；

3)配置饱和食盐水放入冰箱的冷冻室进行冷冻，使其完全凝固为固体，时间不少于24 h；

4)使用时，将冷冻后的饱和食盐水放入箱内，作为制冷剂；将食品一并放入箱内，再用透明胶带沿泡沫盒口密封，密封后即可携带外出．

(3)组合升级型手提冰箱的制作．

1)利用两个或两个以上的泡沫箱进行不同的组合，实现冷冻与冷藏的个性化需求，此案例中的泡沫盒是3和6号两个泡沫盒组合；

2)配置饱和食盐水放入冰箱的冷冻室进行冷冻，使其完全凝固为固体；

3)使用时，将冷冻后的饱和食盐水放入6号箱内，作为制冷剂；将食品一并放入6号箱，如图5，密封，做为冷冻室． 6号箱内除了放入4瓶200毫升营养快线制冷剂外，还可放入10个小布丁，一个奶杯；根据个人的喜好，物品可以调整；

图5　用泡沫箱制成手提冰箱的冷冻室

4)将6号泡沫盒放入3号泡沫盒内的右侧，如图6所示，左侧放置3瓶易拉罐啤酒，每个容积350毫升、一瓶330毫升的制冷剂、一瓶330毫升的冷藏水，6号盒密封后放在3号盒内，做为冷冻区，而3号盒内剩余区域则为冷藏区，在图6中，6号盒子的侧面还可以放上5根旺旺碎碎冰．

图6　将手提冰箱的冷冻室放入大号泡沫箱

(4)教具使用效果．

密封前，冷冻食盐水及碎碎冰等-22℃，水及啤酒温度为3℃；密封后放在33℃的空调间内，经过8 h后，打开泡沫盒，冷藏室温度2℃，冷冻室温度为-8℃，冷冻区饱和食盐水仍然为固体．

这一教具的出现，不但解决了前文冰熔化实验中冷冻食盐水的保存问题，而且这教具还可以广泛适用于车用、家用、郊游、医用(疫苗运输等)、运输(海鲜产品等)、运动等领域．通过此活动，极大的激发了学生“学物理、用物理”的热情，培养了学生的动手能力．

3基于物理学史——再现世界上最早的电动机

物理课程标准明确指出，“物理学不仅含有探索大自然的知识成果，而且含有探索者的科学思想、科学方法、科学态度和科学精神等”[4]．探索者们所用的实验仪器直接体现出当时的物理学和社会发展水平．他们使用的实验器材正是体现探索者的科学思想和科学方法的重要载体．目前的自制教具一般侧重教学中遇到的困难，针对性较强，而基于物理学史的教具开发则几乎是一片空白．笔者仍然以食盐水为例，再现世界上最早的电动机[5]．

1821年英国科学家法拉第首先证明可以把电力转变为旋转运动，导电液体为水银．本教具巧用食盐水代替水银，利用生活及实验室中的一些简单用品，使得世界上最早的电动机模型得以再现，现象直观明了．

(1)制作材料．1.25 L透明大饮料瓶一个，330 ml小塑料瓶1个，细漆包线，牛奶吸管，圆形磁铁，电池4节，导线3根，开关1个，食盐，铝皮．

(2)制作方法．

1)如图7，将大饮料瓶侧壁靠近底部约5 cm处开一个10 cm×10 cm的孔；

图7　用简易器材制成的电动机

2)将瓶盖中心挖一小孔，使牛奶吸管能够紧凑穿过；

3)将一根细铜丝从牛奶吸管中穿入瓶中，露出吸管，并弯成一个小钩；

4)将另一根铜丝的上端也弯折成一个小钩，并悬挂在吸管中露出来的小钩上，下端则略低于塑料瓶侧壁开口下端；

5)将强磁体放入大饮料瓶内底部正下方，并将浓食盐水缓缓倒入饮料瓶中；

6)将铝片弯折，挂在雪碧瓶开口处下沿，铝片下端浸入浓盐水中；

7)铝片和瓶盖上方露出来的铜丝作为电动机的两个接线柱，接入电路即可．

(3)使用方法．

1)将磁铁放入雪碧瓶底的下中央，并将小的圆形磁体朝上；

2)将已配置好的浓食盐水从侧面开口处沿雪碧瓶内壁缓缓倒入其中，把细漆包线从开口处伸入，并与上方的挂钩挂好．

3)从雪碧瓶口调整瓶内下端细漆包线浸入食盐水中的深度，约为2 cm，并大体位于瓶内的正中央．

4)将6 V电池接入，一端接到铝皮，一端接入瓶口线头．接通电路，可见下端的细漆包线在食盐水中绕着圆形磁体转动．

(4)此方案不但可以再现世界上最早的电动机，而且还可以探究通电导体在磁场中受力方向与哪些因素有关．

通过自制教具，再现一段历史．从教具及其相应实验中去体会探索者的科学思想、科学方法、科学态度和科学精神，这不正是新课程标准提倡而现实教学过程中常常缺少的维度吗？

综上所述，以上所举3个案例，以食盐水为核心器材(资源)，分别从概念规律建立、综合实践活动开发、物理学史再现等3个典型角度进行了自制教具系列化的呈现．其实，自制教具系列化，不但可以根据某一核心器材(资源)进行系列化，而且还可以从知识层面对某一章节、板块进行系列化，根据学生的个性特点进行系列化或者根据物理学史进行系列化等等．另外，不同视角的自制教具系列化彼此之间不是独立的，而是彼此交叉渗透的．自制教具系列化是为了更好地服务于“学”与“教”．总之，自制教具系列化具有丰富的内涵和外延，有待于我们去进一步研究讨论．

参 考 文 献

1苏科版物理8年级(上册).南京：江苏科学技术出版社，2014.39～41

2吴小兵，王秀玲，张耀生.巧用食盐水改进冰熔化实验．物理通报，2011(3)：48

3王秀玲，吴小兵.巧用食盐水自制手提冰箱．实验教学与仪器，2012(6)：46

4物理课程标准(2011版).北京：北京师范大学出版社，2012

5左卷健男.趣味物理实验(下册).北京：中国民族摄影艺术出版社，2005.163