孙晓兵 石尧
摘 要：实验是物理的灵魂，是体现物理魅力和激发学生学习兴趣的重要源泉，亦是科学探究的重要途径.笔者结合多年的物理实验仪器研发经验，总结出一些物理实验仪器的发明方法，希冀对中学物理实验教学有所裨益.
关键词：发明方法;物理实验;实验仪器
中图分类号：G633.7 文献标识码：B 文章编号：1008-4134（2021）04-0036-02
作者简介：孙晓兵（1977-），女，辽宁建平人，本科，中学高级教师，研究方向：中学物理实验设计;
石尧（1987-），男，北京人，硕士，研究方向：中学物理教学论、中学教师教学研究文化.
实验是物理的灵魂，是体现物理魅力和激发学生学习兴趣的重要源泉，亦是科学探究的重要途径，对培养学生的物理学科核心素养有着重要的意义.可以说，实验的成功与否直接关系到教学质量的优劣，然而就当前物理实验教学而言，标配实验器材可视性差、探究性不足、可操作性不强等症结广泛存在，致使物理实验的价值大打折扣.在此，我们结合多年来物理实验仪器的研发经验，总结归纳出一些物理实验仪器的发明方法，希冀可以“抛砖引玉”，为广大一线中学物理教师提供研发物理实验仪器的新思路.
1 增补发明法
增补发明法主要是立足于现有实验仪器中存在的不足与缺憾，通过增添新部件的方式实现实验仪器的完善与创新.譬如，在地磁场教学中，学生总是混淆地磁场南北极和地理南北极的指向.其中一大症结即是，国家标配的实验器材中没有相应的地磁场演示仪.针对这一缺憾，笔者以地球仪为基础，在地球仪内部的中央位置放置一块条形磁铁，在地球仪外部增添几枚小磁针，运用“增补发明法”，使“地球仪”变成了“磁场演示仪”（如图1、图2所示）.这样，学生通过观察地球仪上的小磁针，便能看到“小磁针N极总是指向地理北极”这一现象.接下来，我们将其中的条形磁铁取出，让学生观察条形磁铁插入时的南北极走向（如图1所示）（注：条形磁铁插入演示仪时，其N、S极方向是保持不变的），即条形磁铁的N极在地球仪的南极附近，S极在地球仪的北极附近，由此便可以辅助学生完成对地磁南北极和地理南北极的方向辨析.这里，由于普通地球仪不方便内置条形磁铁，我们可采用3D打印的方式，设计出属于我们自己的地磁场演示仪.值得注意的是，在3D打印设计时须保证地球仪的直径与条形磁铁长度大致相等，并在球体底部的中央位置开设出相应的条形磁铁插口.
2 同类组合法
所谓同类组合法，意在将两个或两个以上相同及相似的事物进行简单叠加，在保持各事物原有功能不变的基础上，通過数量的增加来对原有功能进行扩充.
以探究“阻力对物体运动的影响”为例，当前使用的“斜面小车演示仪”大都采用多次实验的方式，即让小车每次从同一斜面的同一高度由静止下滑，观察小车在不同表面运动的距离，从而判断阻力对小车运动的影响.由于整个实验器材有且只有一套滑轨，故而每次实验时都需要改变接触面的材料，并且记录小车每次实验的最终停止位置.可见，这种实验方式需重复操作.冗繁的实验次数无形中降低了实验的效果.对此，我们采用“同类组合法”，设法将三套实验器材组合为一套器材，即用铝合金板折成三组一模一样的斜面，并用上下叠加的形式将三个斜面组合在一起（如图3所示），并在斜面相同高度处安装启动装置.这样，当三个相同的小车从三条轨道的同一高度处自由滑下，经过贴有不同材料的水平面后，我们就可借助观察轨道上贴有的刻度尺，定量比较小车的运动距离了.
3 异类组合法
异类组合法是指将两种或两种以上不同种类的物品进行组合，从而获得新技术、新产品的方法.例如：第二次世界大战中最有影响力的发明之一，自行火炮就是坦克底盘与火炮的组合.受此启发，我们把“异类组合法”的思路应用到“滑动变阻器”的改进上（如图4所示）.传统滑动变阻器的线圈“不会说话”，即滑片移动时，滑动变阻器接入电路的电阻值到底如何变化，学生是无法直观感受的.对此，我们把滑动变阻器的框架和小电珠组合在一起，借助“电流引亮小电珠”这一特性，使学生可以直观地看到滑动变阻器接入电路的部分.具体而言，滑片移动时，学生通过观察被点亮小电珠个数的增加或减少，便可直接判断出接入电路中的电阻丝的长短变化.这种改进，将滑动变阻器线圈与小电珠相结合，既大大增强了实验的可视性，也便于学生直接观察滑动变阻器的构造，了解滑动变阻器的使用原理.此外，在初学滑动变阻器时，有些学生会直接将滑动变阻器的两个上接线柱（或两个下接线柱）与外电路相连，导致变阻器丧失“改变阻值”的作用，而这一实验仪器正好能破解这一错误操作，即接入两个上接线柱时，所有小电珠均不发光，接入两个下接线柱时，所有小电珠均发光，实验现象一目了然.
4 移植发明法
该发明法需要人们悉心洞察工作生活中某个物品各部件的功能，并选出与待发明物品有关的部分，将其迁移到相关发明物品上.探究“焦耳定律”的实验是初中物理的重点实验之一，最初的实验是用发热电阻给比热容相对较小的煤油进行加热，后续实验装置又换成了给一定质量的空气进行加热，借助空气受热体积膨胀的知识，通过气体体积发生的变化来反映发热电阻产生热量的多少.但这些实验装置都是迂回间接的，无法让学生直接感知电热与电阻、电流之间的关系.那么我们能否直接测量出发热电阻的温度呢？这里，电饭锅、电冰箱的电子温度显示器给予了我们启发，即依靠温度传感器与数字显示器两个关键部件便可以以数字的形式直观显示出用电器内部的温度.于是，把带有传感器的电子温度计移植到“焦耳定律”的实验装置中，在每个发热电阻上都粘上相应的温度计传感器（如图5所示），并采用多个发热电阻组合的形式（图中仅以探究电热与电阻的关系为例），为学生展现出直观的温度数据.以此降低了学生的认知负荷，为实验结论的得出起到重要的支撑作用.
方法是认识主体为从理论和实践两个维度把握认识客体而使用的思维手段，是确保研究活动得以顺利完成的基本程序.可以说，任何目的的达成都少不了方法的参与，在这个意义上，发明方法可谓物理实验仪器研发的门径.因此，一线中学物理教师一方面要悉心留意物理实验仪器中存在的疏虞，另一方面则须合理运用相应的发明方法，双管齐下，方可研发出更为优质的实验仪器，使物理实验的教学迸发出理性的光辉，焕发出生命的活力.
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（收稿日期：2020-11-12）
