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自制教具
浅谈对中学物理自制教具的认识
1引言
诺贝尔物理学奖得主爱因斯坦曾说:
“理论之所以能够成立,其原因在于它同无数的个别观察联系着,而这正是理论真理性的体现”。
爱因斯坦还高度赞赏由伽利略等人创立的通过进行实验研究并结合物理实验方法和逻辑推理、数学方法来对物理现象深入研究的科学方法,这被他称之为真正的物理学方法。
【1】可见,单就物理学这门科学而言,实验是基础。
研究、学习物理的基本方法就是现象观察和实验分析,这两者是人类获取关于客观世界的感性资料、认识自然以及探索物理学的规律的基本手段,同时它们也是检验理论正确与否的唯一标准。
而在物理这门科学的教育上,我国2011年由教育部颁布的《义务教育物理课程标准(2011版)》和2003年颁布的《普通高中物理课程标准(实验)》都指出物理课程宗旨在于提高全体学生的科学素养,中学物理教学的目的是使学生比较系统地掌握学习现代科学技术和从事社会主义建设需要的物理基础知识,了解这些知识的在实际生活中的运用,培养学生的观察能力,实验能力,思维能力,以及分析和解决实际问题的能力。
因此,无论是物理这门学科自身的特点,还是实验教学在中学物理教学中所发挥的重要作用,都决定了中学阶段的物理教学必须以实验教学为基础,。
所以,实验教学是初中物理教学的一个重要环节,而实验器材或者说是实验教具的恰当选用则是实验教学能否顺利、有效开展的关键。
但一方面由于部分学校实际教学条件存在困难,另一方面由于厂家生产教具在教学效果上的局限性,实验教学在教具上存在着很大的不足。
因此,发动学生和教师一起自制实验教具对实验教学有着深刻意义。
伴随近年来基础教育课程改革和素质教育的有效推行和不断深入,自制教具在物理教学中发挥的重要作用以及所处的的地位日益突出,它不仅有利于物理教学质量的提高,而且能进一步激发学生的勇于创造,还能培养学生的实践能力。
故自制教具不只是教学条件不足的偏远乡村学校才需要,办学条件好的重点中学也应鼓励教师积极地参与到自制教具中,能在课堂中使用自主研制的教具,大力推广自制教具,重视自制教具的作用是物理教学的一条重要指导思想。
2自制教具的研究背景
2.1自制教具的现状
以全面推进素质教育为核心的基础教育课程改革的教育模式是以实施创新教育和实践教育为主。
在中学阶段的物理教学中,实验是基础,它不仅有利于的培养学生观察分析能力,而且有利于学生形成科学探究精神以及激发他们的学习兴趣和热情。
但在当下的教育发展中,由于诸多原因,如资源短缺、应试教育盛行、忽视实验教学等,造成实验教学没有在实际教学中得到较好地开展,而学生则因此表现为探究与创新的意识不强。
虽然随着人们对教育的不断重视,学校的教学设施逐步得到了改善,多数学校已经配备了电教设备。
但在实际教学中,厂商统一生产的实验器材并不能十分令人满意地与教师对实验教具的需求相契合;另一方面,在物理的实验课上,教师往往会制定相同的教学大纲,配备相同的实验教材,在教学中为了能高效完成既定的教学计划,教师则会事先亲自把实验的目的、内容、详细步骤等周密地计划好,让学生只要按章办事就好,实验变得机械而无趣,因而这样的实验不但缺乏探索性和创新性,而且学生的实验技能并不能得到有效地锻炼;而对于相对偏远农村学校而言,实验器材缺乏,若自制教具再得不到普及,就会制约物理课堂的实验教学。
自制教具虽然有助于缓解教学设施短缺,并对锻炼学生的观察能力、动手能力、思维能力,以及形成良好的科学探究习惯和创新精神发挥着重要作用,但很多教师并没有动手做过教具,在动手制作方面往往会有诸多困难,有些教师则在教学中根本不用教具等。
2.2自制教具存在的问题
现阶段,在中学物理利用自制教具进行实验教学还存在的问题,主要有以下几方面:
2.2.1对自制教具认识不到位
在国内,学校迫于生存压力,往往会片面追求升学率,过于重视应试教育,使得教师们只一味的传授知识,而不重视学生技能的培养,教师也没有时间去钻研课教材,更不要说有时间去研究自制教具了。
实施自制教具的出发点多是想以此解决教具短缺问题,很少有人想到利用自制教具达到课本、实验仪器所不能达到的教学效果,这是教育缺乏创新性的表现。
实际上,在使用自制教具时,能让学生清楚地看到教具的内部构造,了解其工作的原理,当使用生活中常见物品做实验时,更能让学生认识到物理就在身边,降低学生学习物理的畏难心理,知道物理是源于生活,又高于生活的,拉近学生与物理间的距离,从而从根本上激发学生对物理、对科学学习的热情。
相较于国内,国外很多发达国家对自制教具的重要作用有着深刻认识,政府财政的投入也很大,很重视学生通过自制教具培养动手能力。
2.2.2部分教师重参评不重应用
自制教具贵在能在实际教学过程中得以使用,教学部门或组织开展的自制教具评选活动,其出发点是要大力发展、推广自制教具,说到底根本目的是为了课堂教学工作和能为教育服务。
但现今在教师中普遍存在着“重参赛轻使用”的问题。
为评职称,在比赛前慌忙赶制些教具,研究教具的热情突然高涨,但赛后却将它们“束之高阁”,并未在教学中使用,参赛的整个过程都只是围绕“拿奖”二字而进行的。
2.2.3教师自制教具能力有待提高
实际上,除了认识不足,态度功利外,教师队伍总体上在自制教具的能力上不足,具体而言,主要表现为教具的设计能力、取用材料能力和动手制作能力有欠缺,对材料的基本加工技术掌握不足,如对小金属的加工技术;对玻璃制品的加工技术;焊接技术等等。
2.2.4学生参与度不够
此外,自制教具并不单单只是让教师自主制作,更重要的是要通过教师的引导发动学生参与到自制教具中,因此自制教具除了可作为开发学生课外活动的教具,也可作为学生学习的学具。
这不仅能让学生亲身经历知识的应用过程,更能激发学生学习新知的内在需要,使他们以更为积极主动的姿态投入到科学学习中去,并且教师能在该过程中培养他们的创新精神和动手能力,开拓他们的思维。
但实际上,即使教师能组织学生开展自制教具活动,也只能是在课外时间进行,这就造成学生缺乏必要的引导,且基本上是放任自流,只是布置过就完事,学生参与其中的程度明显不足。
3自制教具的特点和意义
在实践教学中,由于自制教具表现出的不可替代的优势,如教具的材料廉价且来源于日擦很难过生活能有效缓解实验教学中的器材短缺问题,从而能满足经济较落后地区对于实验教学的需要。
此外,选用生活中的废弃物品来做实验,不仅能极大地激发学生学习物理的兴趣,更对培养学生的动手实践能力有重要意义。
因此,人们对研究自制教具越来越感兴趣,也越来越重视它。
3.1经济性
自制教具提倡尽可能地做到少花钱,甚至于不花钱,只要能达到演示效果就可以,换句话说就是“坛坛罐罐当仪器,拼拼凑凑做实验”。
因此可以采用物品利用,也可以物件代用。
由于自制教具取材于学生身边,容易获取,可以是日常生活用品、废弃物品,也可以是工业边角料、陈旧器材等等。
但其制作过程需要发挥师生的聪明才智,故虽然其成本低廉,但凝结在其背后的智慧量却可观,蕴涵着巨大的使用价值、教学价值。
因此,国际上通常称之为“无价”(Non—cost)或“廉价”(Low—cost)教具。
【2】现在市场上的供教学使用的教学工具很多,生产比较方便。
但有过仪器采购经历的教师都知道,厂家生产等的实验器材一般都比较贵,而做工稍微讲究点的价格就更高了。
但自制的教具由于取材简单易得,通常来自于身边,就能有效规避成本太高的问题。
因此自制教具成本低、经济有效的特点,不仅有利于科学实验在欠发达国家的普及,而且是解决偏远山区和贫困农村教学仪器短缺的有效措施。
图1图2
3.2机动灵活,简单明了
在适应实际教学需要方面,自制的教具和厂商制做的仪器相比较往往体现出更强的灵活性。
厂制教学仪器固然比较规范、比较精致美观,但因生产成本在较长时间内具有稳定性,新的厂制教学仪器的生产过程相对较复杂,经历的环节相对较多,周期相对较长,往往赶不上实际教学需要,具有滞后性。
但师生在自制教具的过程中则可依据教学内容和实际教学的需要,及时改进或创造出更符合教学需要的器材,因而自制教具能很好地消除制作与需求的时间差。
另外,从制作的角度来看,自制教具的制作过程相对灵活,可以是一气呵成,也可以放慢速度,一边做,一边改;从使用角度看,自制教具可以是在课堂上一边讲一边做,也可以是利用课后时间来完成。
可见,自制教具的这种无论在制作还是使用上的灵活性是厂制教学仪器所不及的。
此外,自制教具的一大重要特点就是“就地取材、因陋就简”。
它在制作的工艺上一般比较简单,结构也不复杂;在制作条件上,一般也比较容易满足;对制作的场所没有特别的规定,家里、学校都可以。
在生活以及教学中,自制教具通常是以“手工作坊”式的形式呈现在人们面前的。
一般是能找到哪样的材料就用哪样,有什么工具就用什么工具,边做边改。
自制教具的简易性还体现在容易做也容易修上,造型不求精雕细琢,美观大方即可。
能切实实现实验教学的目的、坚固耐用、安全稳定就行。
图3
3.3启发学生,利于教学
教师在制作教具时多会对学生的认知规律以及能否突出显现物理本质规律予以充分考虑。
自制的教具常表现出结构简单,学生易理解的特点。
因此自制教具既能使学生知其然,还能使学生知其所以然。
自制教具虽然结构简单,但往往蕴含着许多物理学思想,不仅能够启发学生思维,而且能向学生展现重要的物理原理,使学生在实验教学中能迅速抓住事物的本质,有利于培养学生的创造能力。
教学中使用自制的教具需注意要适用课堂教学内容,制定明确的教学目的,这样才能有效发挥它在传递现代科技发展信息,传授知识,使教学更贴近生活,展现科学真实性的作用,从而使学生更能切身感受到科技与社会间的联系,理解科技就蕴含在日常生活中。
自制教具与教学论文相比,自制教具更注重在实际教学中的使用,具有“做以致用(教学)”的鲜明特点,故被称为“活的教材”。
所以,自制教具显示其无限生命力的根源在于服务和服从于教学。
图4图5
3.4有利于开发学生的智力和良好的非智力因素
自制教具不仅教师可以做,也可以是教师引导学生自己动手做的。
具体说来,教师可在构思、取材、创新等方面展开引导,启迪学生的思维,这样不仅能培养学生的思维能力、创新能力和动手能力,对培养学生的创新精神也具有积极意义。
学生在自制教具过程中对仪器的工作原理会更加了解,有利于对物理知识的内化吸收与应用于生产生活实际。
并且当学生看到用寻常可见的生活物品与材料来做实验,却包含着深刻的物理知识,这会极大地拉近学生与物理学科的距离,使物理不再高不可攀,难以逾越,使学生热爱物理的情感和学习物理的热情得到高涨。
4开发自制教具的教学功能
其实,对于物理实验教学的重要性,大多数一线教师都已认识到了,但在实际教学中常会发生时间和精力用了不少,但最终实施的效果却一般的情况。
学生虽在做实验,但兴趣却越来越淡,实验的能力并未得到显著提高,对理论学习也无多大帮助。
【3】因此,开发自制教具在教学中的功能除了要教具本身要设计的好,更要研究如何在课堂中恰当、有效地使用,以使得它在教学中的功用得到最大地发挥。
以下将从教学的角度深入探讨如何开发自制教具的教学功能。
4.1挖掘兴趣因素,激发学习动机
应把培养学习兴趣、激发学习动机作为自制教具的一项重要指导思想和基本原则。
根据心理学上的研究显示,学生产生自主学习的动机的原因在于好奇心和求知欲。
物理实验教学涉及了直觉兴趣、操作兴趣和探索兴趣,学生在教师使用自制教具或自己制作教具的过程中不自觉地产生了无意注意和兴趣,它们又使学生的好奇心和求知欲在不经意间得到激发。
因此,应用自制教具可以很好地提高学生参与到实验中的兴趣,并有效地激发其在学习上的主动性。
教师在制作和使用教具的过程中应注意从新、奇、趣、险、疑等方面激发学生的兴趣。
4.2培养观察能力,提高感知效率
由观察来获取信息是实验的一个重要特点,观察是实验教学过程学生必经的感性认知阶段,是人类认识世界的主要实践活动之一。
而科学创新活动的源泉之一就是观察能力,观察在很大程度上影响着学生对于科学学科上的学习。
因此,在开发自制教具教学功能时应将培养学生观察能力,提高观察的有效性置于重要方面。
根据信息论观点:
观察是感官神经将外界的信息传送至大脑皮层,再经处理的过程,它涉及感知和加工信息两个阶段。
从心理学角度看,观察则是一种目的性兼计划性的知觉,它与积极思维相联系。
【3】因此,在开发自制教具的教学功能时应考虑到学生现有的认知特点,增强有用信息强度,降低无关现象的信息干扰,使认知对象与背景间对比鲜明。
力求学生在认知过程中运用多种感知器官,进行有准备的积极观察,增学生信息贮存的目的性、有序性,继而提高认知的有效性。
图6图7
4.3突出本质因素,建立科学图景
在物理教学中,建立物理概念、探索物理规律,将理论应用于解决实际困难的首要问题就是要突出物理现象和过程的本质,从而建立起科学的思维模式。
实验在给学生展示现象时往往不可避免干扰因素的影响,要使学生能更好的建立科学概念、认识客观规律,可以利用自制的简单、明了的实验装置减少干扰、突出本质,帮助学生准确、高效地形成概念、认识规律。
中学生在学习物理的过程中,普遍感到困难,虽然造成这一结果的因素很多,但究其根本都是学生缺乏逻辑引导,没有建立起基本的物理思维模式,对科学探究方法知之甚少。
所以,要发挥自制教具在学生认知过程中的主体作用,需要在分析学生的认知特点以及思维活动特点的基础上,展开设计与改进教具的实验。
学生产生思维障碍的原因一般是缺少感性认识,这就造成学生在解决应用性较强的问题时不能找到合适的物理模型。
若能通过自制教具使学生在头脑中建立起相关模型,变抽象为具体,解题时出现的思维障碍就能随之得以消除。
另外,产生思维障碍的一项重要原因就是由前概念以及思维定势习惯带来的消极影响。
解决学生思维障碍问题的最好方法就是在教学过程中利用自制教具来激发他们的认知冲突。
【4】
4.4联系生活实际,介绍科技发展
《物理课程标准》明确指出应发挥实验在在在物理实际教学的重要作用,使物理这门学科与生产、生活实际的联系得以加强,这就要求一方面在实际教学中要适当插入物理知识在生产、生活中应用的例子,另一方面则是要让学生更多地参与到课外实践活动中去。
【5】因此,教师除了可以利用自制的教具进行课堂演示实验,以增强演示效果,从而提高教学效果,还可以引导学生亲身参与到自制教具中,并在此过程中获得知识、能力的多方面提高。
教师在设置学生自制教具的课题以及引导学生自制教具时可以取材于生活,渗透相关学科知识,加强学科间联系,并联系社会热点,普及现代科技知识,这对于学生理解物理学和物理方法对社会的现实意义以及扩到学生知识面,了解现代科学技术的某些原理及其应用,加强理论联系实际有重要作用。
4.5引导探究学习,培养创新能力
目前我国物理教学的薄弱环节就在于如何能有效增强学生的创新意识和提高探究能力,而培养学生的创造力恰是世界诸国教育改革的重要目标。
所以,教师把培养学生创新精神与提高学生的动手探究能力作为一项重要的教学目标有利于真正意义上地提高学生的内在素质。
而自制教具的特点正是有助于开发学生智力,激发学生潜能,为增强学生创新意识、提高探究能力提供有利的条件与氛围。
在引导学生设计与制作教具时,教师可以通过向学生介绍相关的科学知识与经验,启发学生积极思考,形成创意与构思,再指导孩子们动手实践,展开创造性探究活动。
要想自制教具脱离简单模仿,就要求学生具备一定的创新能力,能够自主完成制作与创造过程。
由于自制教具的选材多是生活中的常见物品,或是已经废弃的物品,在操作上简单易行,因此,学生利用它们自制教具的过程中更能体验创新带来的乐趣,从而获得更强的学习动机,更愿意动手实践,自主探究。
同样高中教师也可在物理教学中,巧用自制教具活动来培养学生的科学意识与创造能力。
例如在在组装实验仪器与教具过程中,可以开展引导学生进行自主设计的探究性活动,来打开学生思维,营造更为自主的学习环境,使学生建立起科学的探究精神与态度,树立坚强不畏艰难的意志。
【6】
5应用自制教具的实践示例
由前文对自制教具的特点及意义、开发教学功能的阐述,选取如下自制教具的实例。
5.1自制教具实践示例:
会翻跟头的胶囊
【实验原理】
由于钢珠是圆形的,因此它可在胶囊内自由滚动,又由于钢珠要比胶囊重得多,当将钢珠放在胶囊中,并将它们竖直放置时,钢珠在胶囊底部,重心几乎全集中在钢珠上,若将其放在斜面上,由于重力的作用,钢珠会向下滚动,此时胶囊就会倾倒,当钢珠从胶囊的一端滚动到其另一端时,胶囊的重心发生了改变,胶囊的另一端随之竖立起来,整个过程看起来像是胶囊在沿斜面翻跟头,而实际上钢珠一直在胶囊内沿斜面连续不断的滚动。
因此,胶囊在斜面上能做类似翻跟头的运动是运用了重心转移原理。
【材料】底端是半球形的透明笔帽两个、小钢珠、玻璃管、透明胶带
【制作过程】
将小钢珠放入其中一个笔帽中,用透明胶带将另一个笔帽固定在放入钢珠的笔帽上端,做好后看起来就像一个稍大的胶囊。
再将玻璃管倾斜一定角度,将做好的“胶囊”竖直放入其中,就可观察到胶囊在沿斜面翻跟头。
【教学应用】
在实际教学中,可在讲完重力的相关知识点后,补充演示这个实验,作为课外信息的拓展,通过提问的方式,启发学生思考,锻炼学生的观察能力,并激发他们学习物理的兴趣,此外还可以适当介绍重心转移原理在生活中的其它应用。
【评价】
学生由于思维定式一般会认为在斜面上的物体会沿斜面滑下,当看到胶囊实际上是翻跟头式的从斜面上下来时,会感到十分新奇,此时适当的引导能极大地调动学习兴趣。
图8
5.2自制教具实践示例:
闻声起舞的芭蕾舞演员
【实验原理】
由于声音是由物体振动产生的,当将用彩色塑料薄纸制成的芭蕾舞演员放在舞台上时,她会闻声而动,声音停止,演员也就停止运动。
但她并不是上下跳动,而是会随着音乐旋转起来。
芭蕾舞演员旋转的原因在于其裙子下边的四周贴了一圈刷毛,并且毛的排列是向同一方向倾斜的。
因此,当舞台振动时,这些刷毛会发生形变,而由于力的作用是相互的,就会受到舞台使其旋转的力矩,从而演员就会旋转起来。
【材料】扩音器一台、话筒一副、羽毛球一只、彩色塑料纸2张、彩色塑料绳一根、废旧板刷一把、硬纸2张、签字笔一支、双面胶若干。
【制作过程】
以羽毛球作为舞蹈演员的主体,将彩色塑料绳撕成细丝装饰在羽毛球上充当演员头发,用签字笔画出其眼睛、鼻子、嘴巴,再利用彩色塑料纸制成舞蹈演员的衣服。
接下来,从废旧板刷上剪下部分较完好的刷毛,用双面胶粘在裙子的下边四周。
需注意的是一定要使刷毛向一个方向倾斜,并将它们固定牢固。
这样舞蹈演员部分就完成了。
演员完成后,需要做的就是对舞台加以包装。
将硬纸板做成与扩音器大小相当的无底纸盒罩在扩音器的音箱上,需要注意的是在制作纸盒时,在其四周的一侧留有只当的缺口,以方便话筒线的放置。
最后,将舞蹈演员放在纸制的舞台上,打开扩音器,对着话筒播放音乐。
【教学应用】
教师可在讲完相互作用力后,演示该实验。
实验前可先让学生猜一猜若将舞蹈小人放在音箱上,她将样运动。
学生由于学习声现象的影响,一般会猜由于声音是由振动产生的,小人会上下跳动,此时再打开扩音器,请上一位同学对着话筒唱首歌,让其他同学注意观察。
学生会惊奇的发现小人是转动的。
此时,教师抓住时机展开讲解。
【评价】
能有效突破学生的思维定式,激发学生的好奇心与求知欲。
图9
6结论
自制教具所带来的奇异现象和制作成功的自豪感,能无形中使学生的学习兴趣高涨,引起他们浓烈的好奇心,更积极地投入到自主探究。
如果学生能在过程中有所前进,有所收获,有所创新,就会使物理学习更具趣味性,能激励学生不断挖掘,不断探索,从而喜欢上物理,对科学学习充满热情。
自制教具是一项科学、朴实、勤奋的探索性实验教学活动,具有一定的教育价值和教学功能。
它的意义不仅超越了实验器材的使用范畴,也远超出经济的范畴;在教育、教学手段现代化的形势下,自制教具不仅体现了时代的特色,更在不断的创新的过程中显示出重要作用。
自制教具在教师教学工作中所占的比重将会越来越大。
总而言之,根据中学物理实验教学的现状,自制教具既有利于培养师生的创造能力和学生的思维能力,也有利于解决当前部分学校实验器材短缺的问题,更有利于提高物理教学的效果。
因此,在实际教学中,研究与制作教具,不仅促使教师养成良好的教具设计与制作的习惯,从而对实际教学产生巨大的现实意义,更会是一名优秀物理教师所必备的条件。
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