例析自制演示实验教具的若干设计原则，本文主要内容关键词为：教具论文,演示论文,原则论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在第七届（华师京城杯）全国优秀自制教具评选活动中，笔者设计的《惯性系和非惯性系演示实验装置》荣获全国一等奖，并且因构思巧妙，技术可靠，操作简便，演示现象明显而受到了大会的表彰。本文以我在全国物理教学年会上用此装置上示范课的体会，回顾自己在设计和制作过程中的思考；在介绍该实验装置的同时，以小见大，刍议自制演示实验教具的若干设计原则。
一、惯性系与非惯性系演示实验装置简介
本实验装置为自制，笔者取名为“惯性系与非惯性系系列演示实验装置”，它由以下四个部分组成。
（1）滚动良好的平板车和实验小车（见图1）
用平板车模拟火车平台，车上放置实验小车。平板车平台可用绳子通过匀速转动的绕线转盘拖着做匀速运动；也可通过滑轮组用悬挂着的重物拖着做加速运动。即改变运动情况，平板车既可作为惯性系，也可作为非惯性系。
（2）双向可调速旋转平台（见图2）
该平台可直接做逆时针或顺时针旋转，转速可调，模拟旋转的非惯性系，也可模拟地球的自转。在平台中心处插入并固定一直径约20cm的绕线转盘（图2），可由转盘带动绳子拖着平板车做匀速运动。
（3）无线摄像头
由摄像头及附带的无线电接收和发射装置组成（见图3）。若将其放置在平板车上，则以做匀速运动或加速运动的平板车为参考系观察；若放置在旋转平台上，则以旋转平台为参考系观察。摄像头相当于处于这些参考系上的学生的眼睛，所摄画面直接通过视频输入实时在投影屏幕上播出，也就是学生在这些参考系中所看到的真实画面。
（4）带遥控电磁铁的斜面装置（见图4）
该斜面由电磁铁、小铁球、无线电遥控接收和发送装置、电源等组成。该斜面放置在旋转着的平台上，通过操作遥控器释放小铁球，可在任意时刻观察小铁球的运动情况。
二、从本装置的设计与思考议自制演示实验教具的设计原则
（1）动画模拟不可替代真实实验
在《牛顿定律》一章中，教材没有安排“惯性系和非惯性系”的演示实验。但这些概念极其抽象，为了讲课方便，教师常用形象的动画模拟来演示。当时笔者也曾考虑过使用动画引入情景，但思考再三，还是摒弃了动画方案，因为模拟的情景毕竟是不真实的。
比如，“对地做匀速直线运动的火车是非惯性系”的动画模拟演示显得过于完美：火车匀速运动时，放在火车上的实验小车“静止不动”。实际上实验演示时，火车总是从静止开始做匀速运动的，放在其上的实验小车在摩k力作用下有个先起动然后“静止不动”的过程。这些细节很真实，更易在学生脑海里留下深刻的印象。而动画模拟演示中的火车直接以匀速运动状态出现，没有体现过程，对学生来说有强行灌输之嫌，从教学的科学性来说显然不够严肃。
虽然笔者通过真实实验引入情景后，与学生一起进行物理现象的细致剖析时也使用了动画，但此时是在问题提出且观察到真实现象之后，是在引出惯性力的假设，抽象概括出理想化模型的过程中使用。这时使用动画模拟主要运用了它特有的暂停、慢放等功能。
通过教学实践，笔者亲身感受到真实实验乃是物理学科教学的基础。动画模拟有其显著的优势，如果恰到好处地用于说明某些知识点，将成为教学过程中的有效工具。但全程使用动画模拟显然有悖物理作为实验科学的原则，尤其是在引入情景或证实某种理论时，绕过真实的物理现象而直接使用动画，很大程度上将给学生带来物理情感缺损、科学性混乱、实验能力弱化等后遗症。
（2）使用信息技术工具突破实验教学的瓶颈
如何演示在匀速运动和加速运动的车中观察车内物体的运动情形？显然，无法叫全班50多位学生直接到车上去观察。类似的动态观察问题在很多实验中“卡脖子”，已成为物理实验教学中一个普遍存在的难题。为此，笔者借助信息技术工具解决了这个问题：把无线摄像头安装到平板车上充当学生的眼睛，直接把摄像头拍摄的画面同步传输到屏幕上，从而使学生能够清晰观察到平时无法观察到的真实的物理过程。事实证明，无线摄像头的使用是整个实验装置的关键，不仅有助于学生理解物理规律，更使学生感受到了物理情景的震撼（见图5），学生们普遍反映对摄像头拍摄的画面印象深刻。
无线摄像头也不是什么特别的高新技术，但就是这么个小东西，配合投影仪等多媒体教学系统，就突破了长期困扰实验教学的现象观察难的瓶颈，也证实了“工具是人脑的扩展、手的延伸，是人类文明的阶梯”这句名言。现在很多学校的教室大都有多媒体系统，配置这套系统的花费都不少。但我们是不是认真考虑过怎样在教学过程中发挥这套系统的作用？目前不少学校的信息技术工具使用率确实不高，仅停留在放视频和PPT上，这显然是很大的浪费。
（3）充分挖掘和发挥实验装置的功能与作用
本系列实验装置，“动用”了无线摄像头、无线遥控电磁铁、平板车、可逆可调速电机等，颇费了一番工夫。为了让这番工夫花的值，笔者在设计时充分考虑到以下问题：
①该装置是一次性使用还是多次使用？
②该装置除了本示范课使用之外，还能用在哪些教学领域？
③该装置的各个模块能够分别承担哪些教学任务？
基于上述思考，笔者首先将该装置设计成了各自相对独立的组件，这样可充分根据不同实验的需要自由组合；其次通过选用质量较高的材料、器件，保证了该装置反复应用的可靠性；再次，笔者在设计每一个组件的时候，都设想了该组件的扩展应用。比如，无线摄像头可以用作移动式立体投影仪，来提高其他演示实验的可见度；无线遥控电磁铁可以用于自由落体、平抛运动、机械能守恒等实验，并可用来触发频闪照片拍摄；平板车可以用作研究反冲运动的平台；可逆可调速电机带动的转盘可用来研究圆周运动、离心现象。
示范课后的教学实践证明了笔者的设想：该装置或分或合，广泛应用于笔者当时所在学校的物理教学活动中，且一直保持较高的利用率。老师们普遍反映开发有投入就有回报，并且坚定了进一步开发自制教具的信心。
（4）高可靠性和操作简便性是优秀演示装置的必要条件
课堂教学经验告诉我们，演示实验的机会只有一次。如果演示失败，根据教学进度，很难再找机会补救。因此，用于演示实验的装置必须确保其可靠性和可操作性。笔者在提高本实验装置可靠性上做过很多努力。
在设计转盘上运动物体受惯性力作用的实验时，起初的设想是用牛皮筋推动针筒把水推出去。但经过实验，发现这种方法很不稳定，若叫学生上台做此实验更是难以控制。于是笔者改为铁球从倾角较小的斜面上滚下来，并用无线遥控的继电器控制小铁球的释放，可靠性得以大幅度提高。该实验装置在教学过程中的稳定表现说明，只有成功的演示才能帮助教师顺利完成教学任务。
另外，实验装置的结构要简单，操作要简便。过于复杂的操作除了降低了装置的可靠性，还严重冲击了教学活动本身——毕竟实验教学是要展示物理现象、揭示物理规律，而不是考核操作技巧。在选择本实验装置的无线遥控方式时，笔者考虑到了红外线遥控和无线电遥控两个方案。到底用哪一个？最终还是操作简便的占了上风。因为红外线遥控对接收器与发射器位置的要求较高，静止状态下这不是什么难题，但对于处在旋转盘上的物体就困难得多。而无线电遥控不存在这方面的问题，于是就成了我的最终选择。
经验表明，结构复杂、操作繁琐的实验很容易分散学生的注意力，尤其不宜作为供学生随堂自行操作的实验。所以演示仪器只要效果明显，不失科学性，越简单越好。根据这一原则，本装置保证了稳定性、可靠性和可操作性，无任何拖泥带水之处，学生能够一目了然，介绍装置和用法不花多少时间，同样适合学生做随堂实验。
（5）提高演示现象的可见度是自制教具设计成功的重要指标
教师操作演示实验的职责，就是要使班上每一位学生都能清楚地看到所演示的现象。在通过设计的不断优化使演示实验的可靠性有了保障之后，就要关注演示实验的可见度了。
在本实验设计中，笔者通过以下几个方面增强演示的可见度：首先是实验装置的大型化。如平板小车长约80 cm、转盘的直径约60 cm、斜面的长度约28 cm、小球的直径为2 cm，这些尺度可保证全班同学能看清现象。但由于这类实验是平面式的，学生从侧面观察仍有一定困难，因此笔者引入无线摄像头兼做立体投影仪，通过视频输出投影到屏幕上，从而大幅度地提高了可见度。
（6）演示现象要明显、演示时间要适度
演示现象明显才能让学生惊叹和信服。教师设计实验时所把握的，一方面应是教学目的，另一方面就应该是学生的心理。针对学生的思维定式或疑问点有的放矢地设计实验，往往能事半功倍。
教学经验和调查访谈说明，学生对有些现象比较陌生，甚至抱有怀疑态度。如长江口地貌变迁特征真的是北岸陆地扩大？我国火车头的右轮磨损真的比左轮厉害？北半球的台风总是逆时针旋转的？总之，演示惯性力（地理学中叫做“地转偏向力”），我们只有演示出小球明显右偏的现象才能让学生信服！
为了使实验现象明显，笔者把实验装置中斜面的倾角设计成15°，以增加下滑时间；把转盘的转速调得慢一些，使学生能非常清晰从容地看清球的偏转；而且斜面向任何方向放置都能清晰地看出球所受惯性力的方向。另外，为了在模拟火车做加速运动时能清晰地看出火车上的实验小车相对运动或静止的情况，我利用滑轮组抬高重物，使平板车在长达2 m多的无缝隙长讲台上运动。这样就能非常清晰地观察到实验小车稳定后，弹簧秤被拉长到某一程度而实验小车却相对静止的非惯性系中的现象。
再好的实验也不能拖沓！演示实验应在几分钟内完成，特别是实验现象的等待时间绝对不能太长，否则会分散学生的注意力，影响课堂教学效果与效率。本系列实验共分为五个环节，最后一个环节是学生自行动手的探索性实验，由于操作上做了大量优化设计，在保证实验现象明显的前提下，实验过程干净利索，不拖泥带水，操作等待时间减到了最小。这些努力都使得学生的思维能高度集中到实验现象上来。