用自制教具促进学生的科学探究

曾宝俊

伟大的物理学家麦克斯韦说过：“实验的教育价值往往与仪器的复杂性成反比，学生用自制的仪器，虽然经常出毛病，但它却会比用仔细调节好的仪器学到更多的东西。用仔细调节好的仪器，学生易于依赖，不敢拆成零件。”科学课程要求教师带领学生开展各种活动，需要为学生准备大量的活动器材和实物材料，自制教具、学具。自制教具就是教师和学生共同参与，利用身边的废旧材料，利用简单易行的方法，自己动手研制教具、学具、标本模型等。学校应为教师自制教具和学具提供物力和财力保障，支持教师搞好教学工作。日本学者大隅纪和在《教具的活用技术》一书中有一段关于设计自制教具的原则的论述：1．做大一些。2．使用信手可得的材料。3．结构简单。4．能进行鲜明的演示。5．教育目标恰当。6．做好一点。那么，在实践中如何开发、利用和创新自制教具呢？

教具开发要因地制宜

【案例1】用日常废弃物自制教具

1．杠杆尺：用废木条做杠杆尺、支架，用酒瓶盖做砝码。

2．电磁铁：用铁钉、废旧漆包线、电池制作电磁铁。

3．用硬纸片、水银镜片等制作潜望镜，在《平面镜成像》一课中使用。

4．用乒乓球做地球仪。

5．用废铁片做叶轮模型。

6．用塑料瓶、橡皮泥等制作不倒翁。

7.用易拉罐、细线、火柴梗等做土电话。

8．用铁丝、线轴做滑轮等。

科学实验中有些材料虽然实验室没有，但所需材料容易收集，教具制作又比较简单，我们可适当利用现有的资源自制。身边常见的易拉罐、小磁铁、小铁钉、小木块、细铁丝、雪碧瓶、塑料杯、注射器、橡皮管、玻璃片等，都可以用来做一些简易而实用的仪器。

【案例2】自制水火箭

用废旧的塑料可乐瓶，向瓶中灌一定量的水，用软塞堵紧瓶口，软塞中间打一个充气孔，装上气门芯、胶管和螺帽，用气筒向瓶内充气，充气到一定的压力，可乐瓶内的水受力膨胀，推出软塞，“火箭”腾飞。

【案例3】体验撬棍原理演示器

本教具将撬棍原理以数字化形式呈现给学生，分析杠杆因支点与力点距离的变化而省力、费力、不省力也不费力的规律。

制作材料：木板支架1个、滑轮1个，弹簧秤1个、pvc凹槽1根，木棍1根、细线1根、小木块1个、重物一组。

制作方法：在木板上安装凹槽和定滑轮，用小木块做一滑动支点安装在凹槽上，竖直支架安装弹簧秤，用定滑轮连接重物和撬棍（如装置图）。

使用方法：移动支点，在撬棍上用力，撬起重物，弹簧秤显示用力大小，通过数据对比，理解撬棍原理。

【案例4】简易天平

材料：酒瓶、胶塞或木塞、废刀片、筷子、大瓶盖、易拉罐皮、铁丝、沙。

制作方法：在空酒瓶内装半瓶沙子，瓶口塞上嵌有刀片的胶塞作为支撑横梁的刀口。将木条（竹筷）中间刻一个60度“V”形口，镶上薄铁片，放在刀口上做横梁，横梁两边各缠上几圈可灵活移动的铁丝，以便调节零点。取两个大瓶盖作吊盘，分别用细线系挂在横梁两端，定好位置，固定。

用细铁丝弯成指针，固定在刀口两侧等距离的横梁上；用易拉罐皮做成刻度盘，固定在指针下端的瓶体上；用铁丝弯成一个支架固定在瓶口部，作为支撑横梁的装置。组装好就成了一个吊盘天平。

【案例5】水果电池

如图所示，找一根5厘米长的铜片，再从废干电池上剪下一条2毫米宽的锌皮，刮净，把铜片和锌皮插入苹果里。取两根导线，把它们的一端分别接在水果电池的两极上，另一端接在电压表的正负接线柱上，同学们惊奇地发现电压表的指针偏转了，说明水果电池铜片与锌片之间有电压存在。

【案例6】化石石膏模拟盘

材料：lOOx60x30cm的铁盘、晒干的鱼或鸽子骨架、石膏粉、水。

制作方法：

1．取适量石膏粉加水搅拌均匀成泥状。将动物骨架裹上一层薄薄的石膏至石膏完全凝固。

2．将剩余石膏泥倒置在铁盘内，将已裹了一层石膏的动物骨架随机放置在铁盘内石膏泥的各个位置。

3．大约3小时后，盘中原本粘稠状的石膏完全凝固，并将“化石”牢牢地掩埋其中。

使用说明：在活动时，给每个小组提供这样一些材料：两把小榔头、两把小刷子、两把小铲子、两把镊子、每人一副一次性手套、两把放大镜、用来清理化石的盘子和用来复原化石的盘子，以及记录纸。

常听到许多科学老师发感慨：现在的科学课实验多，而且大多需要学生分组实验，有些学校实验器具配备不齐全，有些教具不适用现在的教学内容。在有些教学条件较差的偏远学校，甚至连常规的实验都缺少。的确如此，然而，从上面的案例不难看出，虽然现有的教具不能满足上课需要，但我们可以就地取材，寻找身边简单易取物品和器具，开动脑筋，自己动手，自制教具，因地制宜地解决实验所需教具，保证学生开展科学探究活动。

教具利用尽可能一举多得

【案例1】气球的使用

使用一：引导学生认识空气时，让学生用力对着气球吹气，可以看到气球的体积逐渐变大，这时，教师可以在旁边对这一现象进行阐述，同学们通过气球鼓起来的现象可以认识到空气无处不在，并且具备一定的体积，能够占据很大的空间。

使用二：反冲小车

1．认识实验器材：车轮、车轴、气嘴支架、组合底座、皮筋、小气球。

2．组装好小车。

3．把小气球套在气球支架上用皮筋扎紧。

4．把做好的气球支架插在车子底座上的孔内固定好（吹大气球捏紧后插入也可）。此时要注意，固定的时候不能把吹嘴套的喷口方向歪斜，以免影响实验效果。

5．选择一块平滑的桌面（地面也可），摆正小车，然后松开手放气，小车在气球的气体冲击作用下，会飞快地向前跑起来。此时，车子行驶的方向与气球喷气的方向相反。实验证明了车子向前行驶的力，是由于气球喷出来的气体与空气之间发生了冲击，形成了反冲的力量。

【案例2】《水的浮力》教学器具

A案例：老师在课前准备好4个分别装有砂子、清水、盐水、空气的乒乓球。在课堂上将4个球同时放人盛有水的水槽中，结果学生看到有的球沉入水底，有的浮在水面，有的悬浮在水的上半部分，有的悬浮在水的下半部分。这种教具的巧妙设计，使学生在疑惑中自然地进入到问题的思考中。

B案例：饮料瓶1个、藿香正气液瓶2个。

当饮料瓶装满水时，把两个藿香正气液瓶装不同量的水（半瓶左右），倒立放置在饮料瓶里，把饮料瓶盖子盖紧，此时两个小瓶均浮于饮料瓶顶部，用手捏饮料瓶，饮料瓶里的水进入藿香正气液瓶里，导致其重力增大，小瓶先后下沉（小瓶里装水多的先下沉），当手松开时，小瓶先后上浮（小瓶里装水少的先上浮）。

传统的浮力实验相对有点复杂，而这个浮力实验简易，并且通过装有不同量水的两个小瓶的对比，更容易观察影响小瓶下沉与上升的因素，从而得出实验结论。当装有少量水的小瓶装入更多水时，其重力大于其所受的浮力，所以下沉；松手时，小瓶里水流出，其重力小于浮力，所以上升。这个教具设计简单、易行、美观，操作起来方便、可行，把抽象的物理概念直观化，能够调动学生的学习兴趣，促使学生在动手中学到新知识。

【案例3】：恒星周年视差模拟实验装置改进

1．教材中的设计存在的不足

(1)操作难度大。教材选择在操场中开展这个实验，虽然模拟的效果比较好．但是在实际教学中操作难度比较大，因为在操场上学生的纪律很难调控，并且教师演示或者学生示范所观察到的结果也都无法呈现给全班学生。

(2)模拟效果差。教材让学生在圆圈上背对着红色原点转动一周，表示“地球”围绕着“太阳”公转一周。我们在教学过程中发现，这样的模拟情境不够形象，以至于学生无法理解“要背对太阳转动”的意义所在，导致他们在实验过程中经常出现随意转动的现象，从而使这个模拟实验难以再现现实的情境，失去了模拟的意义。

为了弥补以上几点不足，笔者从自身的教学实践出发，改进并自制了“恒星周年视差模拟实验装置”。

2．改进与自制模拟实验器材

(1)“恒星周年视差模拟实验装置”主要组成部分(图1、2、3、4、5)。

(2)为了解决教材设计中存在的两个不足，本装置主要从以下几个方面进行改进和自制：

①该装置运用了最新科技产品无线电脑摄像头（见图5），并把它置于地球仪之中（见图4）。有了这套演示设备，教师就可以在更大的范围内开展演示实验，而不用担心学生看不见的问题，因为所有的现象都能通过它呈现在教室的大屏幕上，让每个孩子都能身临其境。这样不仅可以降低教师的演示难度，而且学生做示范实验时也能把摄像头拿在手上，并把自己看到的现象实时地展现给其他同学，使得示范的结果更好地面向全体学生。

②该装置将摄像头放在地球仪中，通过地球仪的转动来模拟地球公转，能让孩子们实时地看到“地球上的人”看到的现象，这样的模拟效果更加形象逼真。不仅如此，该装置通过“地球公转轨道图”(见图3)上一半黑一半亮的地球，非常形象地提醒学生只有背对太阳才能看到太阳以外的两颗恒星，并且通过箭头和椭圆形轨道，引导学生要沿着椭圆形的轨道移动，这样设计有助于加强分组实验的规范性，提高模拟实验的可靠性。

【案例4】人体消化器官模拟器

材料：漏斗、透明塑料管、挂水用的比较厚的塑料袋、乒乓球、长简袜、馒头渣或豆渣。

制作方法：将人体的消化器官分为两个部分，口腔、食道、胃作为一个部分；小肠、大肠作为另外一部分。

1．首先，用一漏斗来模拟口腔，用透明塑料管来模拟食道。漏斗颈部能紧塞在透明塑料管内。

2．将画好的胃的外形图蒙在挂水用的比较厚的透明大塑料袋上，裁剪成两片胃的外形。

3．将裁好的两片“胃”边缘部分沿烛火加热至粘黏起来，这样就做成了一个外形与胃相似、透明、可以模拟蠕动的“胃”。

4．将长筒袜剪成两半，这样的口径大小比较合适，再缝合模拟小肠、大肠。用乒乓球模拟食团在肠道中的前进。

【案例5】“钢索桥模拟实验”改进

1．“钢索桥模拟实验装置”的主要组成部分(见图1、2、3、4、5)。

2．为了解决教材设计中存在的两个不足，本装置主要从以下几个方面进行改进和自制：

①该装置利用拉力测量器（见图5）来测量“主钢缆”受到的拉力大小，因为它可以将测量的结果留住（见图1）。这种测量方法既规范又准确，有利于学生准确地记录实验的结果。

②该装置的主体结构（桥塔和桥面）与现实的钢索桥结构比较接近，并且它是通过将“主钢缆”绕到不同高度的定滑轮上来改变桥塔高度，但不改变桥面的高度，这样设计不但可以让它在做对比实验时能保持钢索桥原有的结构特点，而且能严格地控制好对比实验中各个因素，保证实验的有效性。

教具创新在于突破局限

【案例1】“拉力与弹簧拉伸长度之间的关系”实验改进

将弹簧拉伸的长度图表倒贴在实验的底板上，学生实验时，用铅笔可以直接点出弹簧拉伸后在坐标图上的位置。实验完成后将图表上的各点连接，可以一目了然地看出拉力与弹簧拉伸长度之间的关系。

这是从现有实验器材的缺陷中寻找改进教具的方法，达到了简化操作步骤、缩短实验时间、改善实验效果的目的。

【案例2】“搭房子”的器材改进

学生们开始使用报纸卷成纸棍搭建房子，在搭建到一定高度后，由于承受力差，搭建的房屋还未完工就倒塌了。教师引导学生想办法，自己找材料去研究。学生想到用木制尺子搭建，但是拼接时没有办法固定，于是孩子们向老师求助。老师将学校废弃的小黑板，裁成大小一样的八边形，将它们和两种长短不同尺寸的木尺子钻好孔，并购置了一些大小适宜的螺母螺帽，供孩子们开展搭房子活动。这一教具的制作方便拆装，可以多次重复。

【案例3】风的形成演示器改进

仪器装置图

本教具相当于透明炉灶，材料易得，构造简单，制作方便，便于操作。蜡烛点燃时，烟从进气孔被吸进，罩口上方的风轮转动（图1）；蜡烛熄灭时，烟不进入钟罩，风轮不转动（图2）。借助此教具演示空气流动，直观、形象，使学生一目了然，能够深刻理解“蜡烛燃烧产生的热量使空气流动成风”。

1．制作材料及方法

在钟罩下端的壁上钻一个直径约1厘米小孔（用玻璃店的玻璃钻头钻孔）。

从铝质易拉罐或稍厚的纸上剪下直径2.5厘米的圆片，剪成风轮，圆心插一根针，针孔穿一条长20—30厘米的细线，切两小粒橡皮穿在针上，夹住风轮。

2．使用方法及效果

①将玻璃板平放在桌面上。

②点燃蜡烛放在玻璃板上。

③揭去钟罩的帽盖，把钟罩罩在蜡烛上。

④点燃线香靠近进气孔，烟被吸进钟罩。

⑤手提风轮上的细线，把风轮靠近罩口上方，风轮转动。

⑥熄灭蜡烛，将点燃的线香靠近进气孔，烟不进入钟罩，风轮不再转动。

【案例4】空气传声实验改进

材料：胶塞、烧瓶、夹子、胶管、两用气筒、小铃铛、线绳、玻璃管。

制作方法：将胶塞打一个小于玻璃管径的小孔，把带胶管的玻璃管插入胶塞，用线绳一端系上小铃铛，另一端固定在胶塞上，盖紧瓶口。

使用说明：用手摇动烧瓶，瓶内小铃铛会发出清晰的声音。用两用气筒将瓶内的空气抽出，用夹子夹紧胶管，再摇动瓶子听不到声音。

【案例5】“力能使物体发生形变”实验改进

实验中对固体施力时，学生很难察觉，可能导致学生对知识点的质疑。

●在烧瓶中灌满红墨水的溶液。

●将带单孔橡皮塞的毛细玻璃管塞人烧瓶口，可以看到毛细玻璃管中有一段红色的水柱。

●用双手在烧瓶两侧施加压力，毛细管中的液面明显上升。

通过这一实验，使学生直观地观察到坚固的固体表面受力时发生了形变，加深了学生的感性认识。

【案例6】小孔成像实验仪器改进

传统的实验是用蜡烛作为光源进行演示的，但存在明显的缺点：

第一，亮度不高，白天做实验效果不明显；

第二，学生观察不方便，教师操作不方便；

第三，因蜡烛的火苗成椭圆形，图像到位不明显。

大家知道，小孔成像是因为光具有直线传播的特点。为了操作演示和分析方便，我们用了十几个红色发光二极管串、并联后，组合成一个“A”形的图案。因为：第一，“A”的倒立图像明显；第二，光点便于分析。在演示过程中，我们用一根白色棉线代替光线，将线头一端按在一个发光点上，另一端穿过小孔，拉直线绳落在成像屏上，并用笔在端点上描点。用同样的方法对所有的发光二极管进行拉线描点，在屏上先描绘出一个倒立的“A”，使学生在理论上认识小孔成像的原理，然后再经过通电演示来验证理论与实践的统一。这一实验不仅使学生懂得了小孔能成像，而且明白了为什么能成像，为什么倒立，使学生真正理解了小孔成像的原理，并且渗透了像素的概念：光点越多，图像越清晰。

如果说“小孔成像仪”是学习理论的基础，那么“小孔成像房”便给了学生亲自体验和应用的机会。小孔成像仪对于发光的物体能成像，那么自然光线下的物体能成像吗？这一问题不仅学生有疑惑，有的教师可能也不敢相信，理由是物体本身不发光。为了走出这一误区，有教师利用学校的闲置彩钢房，封闭了窗户，打开一个小孔，做成了一间“小孔成像房”，让所有学生参与实验活动。当学生在房内成像屏上清晰地看到房外同学们的活动情况时，他们对“小孔”的神奇惊叹不已。整个活动轰动了全校，师生们争先恐后地参与体验活动。通过这一实验，师生们明白了自然光下的物体虽不发光，但它反射光，也相当于发光体，因此，也能成像。通过这些实验活动，在老师的指点下，学生都成功地模仿制作出了“小孔照相机模型”和“小孔成像装置”，极大地调动和培养了学生学科学、用科学的积极性。

【案例7】《空气有重量吗》实验改进

《空气有重量吗》一课中有两个实验用来验证空气有重量：用简易小天平来测量空气是否有重量（如图1）和用天平称量打足气的皮球中空气的重量(如图2)。

在实际操作中，这两个实验都有不同的难度，效果不理想。用简易小天平来称空气是否有重量，其实质是测量气球内压缩空气的重量。因为气球的压缩性有限，里面产生的压缩空气也很有限。简易天平的灵敏度不高，这些压缩空气的重量不足以使简易天平产生明显的变化，并且整个实验不可控因素很多，使观察到的结果误差较大。换用天平测量，天平的灵敏度提高了，皮球中产生的压缩空气也多了，按说效果应该很明显了。然而在实际操作中，我们会发现充足气的皮球由于体积比较大，放在托盘中会和中间的分度盘卡住，操作更加不方便。

可以利用杠杆原理，设计制作一个“空气有重量演示器”。制作一个不等臂天平（图3），长臂是短臂的很多倍。我们知道，当把充足气的气球挂在长臂一端，这样气球内压缩空气的重量可以被成倍放大。而且气球采用下挂式，可以避免用天平测量皮球内空气重量时，皮球卡在托盘上产生的问题。在实际使用时，只要往气球里稍微吹点气，杠杆就能明显倾斜，同时也能看到天平指针发生了偏转（图4）。实验中多次吹入空气会发现指针偏转角度不同，从而得知角度不同是由于气球里压缩空气的重量不同造成的。

这样，学生就能直观地看到空气有重量，从而很好地建立这一科学概念。

在设计自制教具时，应该注意到，有些器材不适合自制，有些材料不宜用来自制教具。如：

1．测量仪器：由于教师没有合适的设备，无法保证仪器的精密度，一般不要自制。

2．计量用度量衡仪器：度、量、衡器需要符合计量标准，一般学校没有制作条件。

3．显微镜：小学没有专用工具，不能自己制造和维修光学显微镜。

4．为了保证安全，不宜直接使用带有微量放射线的荧光材料，水银、火药、含铅量多的粘土、农药、没有进行磨边处理的玻璃片等也不宜使用。

5．不要让学生直接处理会引起过敏的植物、有毒的鱼类，不要捕杀珍奇的鸟类作标本。

6．为自制教具而搜集的日常生活用品应该是清洁的。不要使用发霉、变质的东西。

7．厚度不均匀的玻璃瓶、塑料容器不宜设计成加热容器。

8．自制教具的电压都应控制在安全电压范围之内。

浙江省宁波市北仑区滨海国际合作学校( 315830)

（责任编辑刘绍江）