哲学家萧伯纳说:“倘若你有一个苹果,我也有一个苹果,而我们彼此交换这些苹果,那么你和我仍然各有一個苹果。但是,假如你有一种思想,我也有一种思想,而我们彼此交流这些思想,那么,我们每个人将会有两种思想。”在不断地要求学生在学习过程中学会合作的时候,我也在一次次与同事的合作中将想法变为尝试,再将粗糙的作品完善成实用的成果。

一、想法——你的、他的、我的

苏科版物理教材用来认识动、势能及探究动、势能大小与哪些因素有关的主要活动如图1所示。在与同行们的接触和交流中了解到:不少老师的教学实践中,很少会用全用足这些器材来进行新课教学,究其原因,除了没有完全配套的实验器材外,也由于在一节教学内容中使用的器材过多而繁琐,且教材设计的实验中(a)和(d)更适合于课堂教学中教师的演示;(b)活动学生在操作中并不容易成功会浪费较多的课堂活动时间,趣味性也并不强;(c)装置中的软压簧很难寻到合适的,并且被压缩时易弯曲。总而言之,多年的教学实践及同行们的议论,使我们相信:沿用教材设计的活动,容易导致课堂教学过程中学生参与热情和参与率不高。能否用一组器材将动能、势能的探究实验统一起来,减少演示的次数,增加学生的参与度,让每一个学生真正动起手进行自我的探究促成了我们自制教具的想法。

二、研发——创意、改进、完善

经过几天的尝试和筛选,同伴带来了一根被加工过的直径25mm的PVC管(如图2)和两个质量不同的钢球,其意图显而易见:这组器材可代替教材中的斜面和小车,探究影响动能大小的因素,确实是个不错的创意,用什么代替木块呢?我们想到了孩子玩具中的圆柱体积木,可难以收集足够多这样的积木。后来同伴又想到了家用日光灯的继电器,一试,效果很好,而且这东西容易购买,更为可喜的是我们从电工那儿找到了足量废旧却可为我们所用的继电器。

为保证安全,使经过粗加工的PVC管的槽口不会伤害到学生,我们先用锉刀锉,但槽边依然毛糙刺手;后来改用电烙铁烫,烫后的槽口非黑即焦,很不美观。后来我们改用美工刀对槽口进行削、刮,再用细砂纸打磨,确保槽口整齐、光滑。

能否对此套器材加以改进并可用于探究弹性势能和重力势能,又成了接下来我们研究的方向。受教材的影响,我们首先考虑用橡皮筋——它柔软且价钱相当便宜。于是我们在管子较长一端(参见图2)管口适当位置用烧红的大头针纵向刺穿以固定橡皮筋(如图3),安装测试时,才发觉需要把橡皮筋向外拉伸方可弹走小球,但因为大头针的阻挡,橡皮筋不能如愿击中管内的小球!而且由于橡皮筋的质量好坏也影响了活动效果,处理不当的大头针针尖还对我们造成了伤害——划破了手,将来学生要用它来做实验,容易对学生造成伤害!于是我建议改用弹簧——比管径稍细的轻质软簧。用图4的方法通过下压柱体(继电器)使弹簧发生不同的弹性形变观察柱体被弹出的高度探究影响弹性势能大小的因素。

在反复的实验与比较后,我们确定用图5所示的方法探究重力势能的影响因素。将弯管较短一端朝下,把块状海绵粘结在继电器的底端,借以控制继电器与轨道间的摩擦,从弯管上端开口处放入管中恰当位置。先用不同质量的小球从同一位置自由落下撞击管中的柱体,观察比较置于同一位置的柱体被撞击移动的距离;再用质量相同的小球从不同高度自由落下,撞击管中的柱体,观察比较置于同一位置的柱体被撞击移动的距离,判断重力势能大小与物体质量和被举起高度间的关系。

在后来的讨论和实践中,发现还可以用这套装置粗略演示动能与重力势能之间的相互转化。并讨论确定了这套教具的优缺点:一物多用;开槽的轨道既可观察到柱体、小球等的运动情况,还可以控制小球滚动的路径,活动中小球不再四处乱滚;材料价格低廉;制作工艺简单;操作安全;能让每个学生成为探究者,而不只是教师演示时的看客。它的缺点就是不够稳定,后来在参加省自制教具大赛时与专家交流时专家认为几个活动中继电器与轨道间的摩擦不同,不够科学——遗憾的是我们没能有足够的时间与专家探讨“这几个活动中摩擦是否必须相同”这一疑问。

从省里参赛回来,我们针对专家的意见,结合教材上的实验设计对装置在原有基础上进行改进。我们将PVC管换成直径为32mm的,将折弯处改进成用弯头连接的两截(见图6),研究动能和弹性势能的方法不变,将研究重力势能的方法做了变动:用一个直径不大于30mm、高约30mm的硬质塑料筒(有底),向其中注满干燥细沙(或干木屑),用绒布封住上口,用作“模拟打桩”的桩槽兼作探究动能、弹性势能大小活动中的被撞击或弹击的物块。另取一直径约30mm的圆形薄木板,将三根大头针插入木板上恰当位置制成“小桌”(如图7a),再将剖槽的PVC按图7b所示套在图7a的砂槽和小桌外围,然后用不同质量的小球从同一高度或用相同质量的小球从不同高度下落锤击位于砂槽内砂面上的小桌,从小桌下陷的不同深度比较得出影响重力势能大小的因素。这样既保留了教材中“模拟打桩”这一浅易活动的设计,也能有效防止“打桩”过程中“桩锤(钢球)”四处滚落,如果用足够长的细线将钢球固定于图7中管的顶端,还能用作单摆的演示装置,更重要的是它能妥贴地与我们自制的教具成为配套的整体,我们认为有较好的市场推广前景。

目前,我们合作的“动能、势能演示器”包括的主要部件是:轨道两根——两段剖有足够长槽口的直径为32mm的PVC管(参见图6)、有贯穿孔的直径分别为30mm和25mm的钢球、注满干细沙或干木屑的并用绒布封口的硬质塑料圆筒、用三根大头针和圆形薄木板制成的小桌(参见图7a)、软压簧(长约10cm、直径约28mm左右)、细线(可系住钢球制作单摆)。另可用软木或硬质泡沫塑料制作底座,用以固定轨道和安放各部件。

三、果实——挫折、成功、体验

在合作与实践中,选择配件时各出己力,遇到困难时有同伴鼓励,失落时有同伴安慰——减少了挫折的苦恼;研发中巧思不断,操作中偶有妙招,取得成果时击掌欢呼——增加了成功的快感;我们用拿惯了粉笔的手握起了老虎钳、壁纸刀、电烙铁、锉刀、砂纸,我们既做精细的刻度条,巧妙撕下难以抓手的即时贴,我们也做粗糙的PVC手工开槽、打磨工作,体验着累与快乐的自制教具过程。在这个过程中,痛苦有人分担,欢乐有人分享——这是合作带给我的幸福感。

在合作与讨论中,一次次观点和想法的碰撞让思维和创作灵感不断被激发,我们无比兴奋;笨拙的手脚常常不能按想象的意图做好设计的部件,我们也因此沮丧;考虑到教具可能在教学中可实现一物多用,让学生真正动手探究,我们也满怀期待。

在合作与尝试中,同伴凭借此创新教具和精心的教学设计在赛课活动中无可争议地脱颖而出,让我们品尝到成功的喜悦;我们将自制的教具按设计意图和用法与教学设计分别写成的两篇论文先后在《物理通报》和《中学物理》杂志上公开发表;后来此教具还为我们创造了去省里参加展评和交流的学习机会,领教了制作教具的高手们的奇特创意和精美作品,给我们指引了继续努力的方向。

在合作与反思中,我认识到:一个人能力再强,脑袋再聪明,但如果不善于与同伴合作,不能借助集体智慧,他走向成功的路往往会越走越窄。我还认识到:在教学过程中很多同仁都对教材、实验仪器的使用有自我的认识和评价,但却忽视了对这些“自我的认识和评价”做进一步的思考和探究,我们更应该在教学实践中把观点当成办法去实施、当成课题去研究、当成问题去解决,而在这一过程中,无私无间的合作所凝成的团体智慧能是将我们的想法和尝试转变成丰硕的成果。