自制教具在初中物理教學中的應用

摘 要：初中物理是一門以實驗為基礎的自然科學課程，其中的電學部分在初中物理教學中既是重點又是難點。江蘇鳳凰科學技術出版社初中物理教材涉及電學的內容較多，既有八年級下冊第六章第五節包含了物體的導電性（絕緣性）相關內容的《物質的物理屬性》，又有九年級《電路初探》《歐姆定律》以及《電功和電熱》三章內容。通過演示自制教具“電學綜合演示儀”，能提高學生對物理知識的興趣，激發物理學習熱情，同時也能提高教師將自制教具應用于日常教學中的能力。

關鍵詞：導電性；初中物理；自制教具；電學實驗

作者簡介：葛詩昂（1992—），男，江蘇省昆山市周市中學。

2022年版《義務教育物理課程標準》（以下簡稱“2022年版物理新課標”）中課程實施的教學建議指出，教師應靈活運用多種教學方式，注重“做中學”“用中學”。教師要通過活動幫助學生學習和運用知識，提升學生的操作技能與探究能力［1］。物理實驗和跨學科實踐是落實物理課程育人要求的重要載體，教師要確保物理課程實踐活動教學質量，重視發揮課程實踐活動的綜合育人作用。

2022年版物理新課標的課程內容部分將電學與磁學的部分內容合并為“電磁能”作為一個二級主題，列于一級主題“能量”內，內容要求有：1.從能量角度認識電源和用電器的作用。2.知道電壓、電流和電阻。探究電流與電壓、電阻的關系，理解歐姆定律。3.會使用電流表和電壓表。4.會看、會畫簡單的電路圖。會連接簡單的串聯電路和并聯電路。5.結合實例，了解電功和電功率。知道用電器的額定功率和實際功率。6.通過實驗，了解焦耳定律。能用焦耳定律說明生產生活中的有關現象。7.了解家庭電路的組成。有安全用電和節約用電的意識［2］。在學習《物質的物理屬性》中的導電性后，學生容易對導電性與絕緣性有固化的理解，不知道導電體與絕緣體在一定條件下可以相互轉化。這不僅對學生之后的電學部分學習有影響，更不利于學生樹立安全用電意識。筆者希望通過對自制教具“電學綜合演示儀”的演示，讓學生了解到導電性與絕緣性可以相互轉化，樹立安全用電意識。對于江蘇鳳凰科學技術出版社物理教材中的《電路初探》《歐姆定律》以及《電功和電熱》三章內容，本“電學綜合演示儀”也可以進行一些演示實驗。

一、自制教具“電學綜合演示儀”的結構

筆者自制教具“電學綜合演示儀”電路圖如圖1所示，實驗器材比較簡單，都是生活中或者初中物理、化學實驗中比較常見的器材，體現了從生活走向物理的課程理念。學生在學習相關內容時，教師可以現場進行組裝并演示，學生課下也可以在家長的協助下動手制作該實驗儀器，不僅能增進學生對知識的理解，還能促進學生動手能力和探究能力的發展。

本實驗儀器的主要部分是一塊長600㎜，寬400㎜，厚度約為15㎜的長方體木板，底部裝有兩根長150㎜，寬50㎜，厚10㎜的木條作為支架?！半妼W綜合演示儀”不僅可以用于八年級下冊第六章第五節《物質的物理屬性》的教學，為學生講解導電性與絕緣性的相互轉化，還可以用于九年級上冊第十三章《電路初探》的教學，為學生演示通路、短路和斷路，以及講解九年級下冊第十五章第三節《電熱器? 電流的熱效應》的相關內容。

二、自制教具“電學綜合演示儀”使用方法

（一）物質的物理屬性——導電性（絕緣性）

使用“電學綜合演示儀”進行演示實驗前，開關S1和S2一定要處于斷開狀態，按照電路圖完成儀器組裝。需要注意的是第一次實驗前在L1和L2處均放置完好的燈泡，用來檢驗電路連接是否正確。組裝完成后接通電源，先閉合開關S1，兩個燈泡均正常發光，再閉合開關S2，燈泡L2由于短路而熄滅。以上現象說明電路連接正確，各部分用電器工作正常。

完成上述實驗操作后斷開開關S1，L1處燈泡不需要更換，將L2處的燈泡取下，換上提前制作好的實驗用特殊燈泡（后文講解具體的制作方法），閉合開關S1，觀察到L1處燈泡不能正常發光。斷開開關S1，調整好酒精燈高度后閉合開關S1，點燃酒精燈，并用外焰對L2處的燈泡芯柱進行加熱，在將無色透明的芯柱燒至紅熱狀態時，發現L1處燈泡發光且亮度逐漸增強；熄滅并移走酒精燈，L2處的芯柱繼續保持紅熱狀態，燈泡L1繼續發光。閉合開關S2，將L2處燈泡短路，發現L1處燈泡亮度增加，說明玻璃即使導電，電阻也不可以忽略不計，不能將其看作電阻可以忽略不計的導線。斷開開關S2，原本顏色慢慢變暗的L2處芯柱又恢復至紅熱狀態，L1處燈泡亮度變暗。斷開所有開關，實驗完畢。

（二）電路初探——通路、短路和斷路

通路：在L1和L2處安裝上正常的燈泡，閉合開關S1，斷開開關S2，兩個燈泡均正常發光。斷路：將通路實驗中的開關S1斷開，兩盞燈均不亮。短路：在L1和L2處安裝上正常的燈泡，閉合開關S1，兩個燈泡均正常發光，再閉合開關S2，燈泡L2發生短路。還可以觀察到開關S2閉合前后，燈泡L1亮度明顯增大，有助于學生認識家庭電路發生短路的危險性。需要注意的是，相對于直流電路，由于交流電路的電壓為220 V，電壓較高，在演示短路現象時，不能將導線不經過用電器直接與電源相連，以免發生危險。

（三）導體電阻與溫度有關

大量實驗表明，電阻的大小與導體的長度、橫截面積及種類有關，即R=，這說明電阻是導

體本身的一種性質。通過學習，學生可以知道，導體電阻還與溫度有關。

在L1和L2處放置燈泡，閉合開關S1，斷開開關S2，敲碎L2處燈泡外殼，一段時間后觀察L1處燈泡亮度，再對L2處燈絲吹氣，使其降溫，再觀察L1處燈泡亮度。發現L2處燈絲溫度降低時L1處燈泡更亮，說明導體溫度越高電阻越大。

（四）電流的熱效應

在導電性（絕緣性）的演示實驗中提到，熄滅并移走酒精燈，L2處的芯柱繼續保持紅熱狀態。這個演示實驗是在八年級的教學中做的，學生雖然看到了上述的實驗現象，但教師未進行詳細解釋。而教師在講解教材九年級下冊《電熱器? 電流的熱效應》這一節內容時，可以給學生講解L2處的芯柱繼續保持紅熱狀態的原因（電流的熱效應），有利于學生加深對于這部分內容的理解。

初中物理教材上的內容以簡單直流電路為主，自制教具“電學綜合演示儀”作為教材內容的重要補充，符合2022年版物理新課標所提出的素材可源于日常生活的建議，同時可以培養學生的動手能力、探究能力，提升學生的核心素養。

三、自制教具“電學綜合演示儀”在初中物理教學中應用的優點

安全用電在日常生活中是一個常見的話題。初中生有著較強的好奇心和動手能力，安全意識相對成年人較淡薄，易發生用電事故。通過“電學綜合演示儀”的演示，可以讓學生清楚地觀察到本來絕緣的物體在一定條件下是可以導電的，原本電路的斷路變成了通路。課堂上的觀察獲得的直接經驗有利于加強學生對于學校安全用電教育的理解。

相對于教材中的常見教具以及生活中常見的物理現象，自制教具更能吸引學生的課堂注意力，提升其聽課效率，并能激發學生課后自己制作、自己探索的興趣。這也符合2022年版物理新課標中注重科學探究，倡導教學方式多樣化的課程理念。

初中教材中關于電學部分的內容以直流電路為主，涉及交流電路的內容只有《電能表與電功》《家庭電路與安全用電》這兩節，其他內容主要在高中進行學習。教師通過自制教具，讓初中的物理教學更貼近日常生活，有利于初中生了解家庭電路的組成，樹立安全用電和節約用電的意識，做到從生活走向物理，讓物理反饋生活。

“電學綜合演示儀”選用的都是生活中常見的、學生容易找到的器材進行制作，制作成本較低?！半妼W綜合演示儀”的制作可以培養學生的動手能力、探究能力，提升學生的核心素養。實驗用特殊燈泡可以用家里壞掉的燈泡進行制作，在拆解燈泡時學生也可以弄清楚燈泡發光的原理以及壞燈泡不能正常發光的原因，符合2022年版物理新課標中的教學面向全體學生，培養學生核心素養的課程理念。

四、“電學綜合演示儀”制作難點

（一）實驗用特殊燈泡的制作

燈泡能正常發光是因為一側的導絲有電流流出，經過中間的燈絲（通常為鎢絲）再流入另一側的導絲，和電路其他部分形成了閉合回路。在制作實驗用特殊燈泡時，需要將白熾燈外面的玻璃燈罩敲碎，去除中間的燈絲（鎢絲）和鉬絲支架，并對芯柱進行加熱，至紅熱狀態時將兩側的導絲附著在芯柱上，再進行冷卻。需要注意的是，兩側的導絲附著在芯柱上時不能直接相互接觸，要做到兩側燈絲間相互絕緣，這是成功制作演示儀的關鍵。

（二）加熱源的選取

能將芯柱燒至紅熱狀態是演示實驗成功的關鍵。筆者查閱相關資料發現，玻璃的導電溫度在600攝氏度左右。筆者最先測試的加熱源為蠟燭，雖然蠟燭的外焰溫度能達到目標溫度，但在實際操作時，發現蠟燭作為加熱源成功率很低，原因有兩點：一是蠟燭在燃燒過程中高度會發生變化，無法一直利用外焰加熱；二是蠟燭在燃燒時會有黑煙冒出，無色透明芯柱變黑，影響實驗效果。因此，蠟燭不能作為加熱源。筆者測試酒精噴燈作為加熱源時，其外焰溫度最高可以達到1000攝氏度，芯柱由無色透明狀態變成紅熱狀態所需要的時間極短，燈泡L1逐漸變亮的過程幾乎觀察不到，而且長時間用酒精噴燈對芯柱加熱甚至會讓芯柱熔化，影響實驗正常進行。因此，筆者最終選擇酒精燈作為物質的物理屬性——導電性（絕緣性）演示實驗的加熱源。

五、“電學綜合演示儀”不足之處與改進

“電學綜合演示儀”采用的是220 V交流電進行演示實驗，學生在課后獨立制作時會有一定的危險性，因此需要教師或其他專業技術人員進行指導。學生自制“電學綜合演示儀”時，可以使用36 V的學生電源進行實驗。學生電源滿足本實驗的交流電要求，也符合不高于36 V的人體安全電壓要求。為了讓學生深刻體會安全用電的重要性，可以在電路中加上熔絲（保險絲），當電路的電流超過一定限度，熔絲的溫度達到熔點時，它便會熔斷，自動切斷電路，從而保證電路安全［3］。

教師可以進行再設計，在燈泡L1處并聯一個燈泡和控制開關，并接入電流電壓表，能進行交流電路串并聯特點研究，從側面驗證歐姆定律不僅適用于直流電路，也同樣適用于交流電路。

“電學綜合演示儀”質量較大，不便于攜帶，教師可將其做成折疊式、可拆解式實驗儀器，方便攜帶。

六、其他說明

1.燈泡的功率越大，加熱所需要的時間越長。根據課堂時長，選擇功率為40 W左右的燈泡較為合適。2.將燈泡外殼敲碎后，需對剩余部分仔細處理，以免實驗過程中發生割傷事故。3.酒精燈需選擇濃度較高的酒精，無水酒精或95%濃度的酒精比較合適。在選用酒精時，應盡量選用未開封的，以免因為開封時間過長導致酒精揮發，濃度降低，影響實驗效果。4.在進行演示實驗時，教師需要時刻提醒學生注意用電安全，培養學生嚴謹認真的求學態度。

結語

2022年版的《義務教育課程方案》的修訂原則中指出，要堅持創新導向，強化課程綜合性和實踐性，推動育人方式變革，著力發展學生學科核心素養。凸顯學生主體地位，關心學生個性化、多樣化的學習和發展需求［4］。

教師要讓學生從熟悉的生活現象中去探究并認識物理，讓豐富多彩的物理世界成為學生生活的一部分，擴大學生的知識視野，激發學生的學習興趣，并將學生引向一個更大的天地中去學習物理［5］。教師自制教具和演示實驗可以激發并保持學生的學習興趣，培養學生的探索精神，符合2022年版物理新課標中倡導教學方式多樣化，靈活選用教學方式的要求。

［參考文獻］

中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準：2022年版［M］.北京：北京師范大學出版社，2022.

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中華人民共和國教育部.義務教育課程方案：2022年版［M］.北京：北京師范大學出版社，2022.

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