自制教具在中学物理液体表面张力教学中的创新应用研究

引言

液体的表面张力是《普通高中物理课程标准（2017 年版 2020 年修订）》选择性必修第三册模块《液体》的内容。课程标准要求为：观察液体的表面张力现象；了解表面张力产生的原因；知道毛细现象；分析生活中的与表面张力相关的实例 [1]。“液体”这一板块，作为热学部分的重要知识点，其微观机制与宏观表现的关联一直是教学难点。

教材借助生活实例引入表面张力，激发学生思考。实际教学时，需展示大量真实情境、演示实验与分组实验，促使学生认识表面张力，形成感性认识，进而感知其存在。学生已掌握分子间作用力的特点，即分子间距较大时，分子间作用力表现为吸引力，可据此从微观角度阐释表面张力产生机理[3]。

正如物理教育家朱正元教授曾提出“坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”的教育理念，强调了利用生活化材料开展实验教学的重要性[4]。随着核心素养教育的推进，培养学生的科学探究能力与创新意识成为教学的重要目标。自制教具以其低成本、高参与度的特点，为实现这一目标提供了有效途径。本研究立足教学实际，通过开发系列自制教具，构建“现象观察- 模型建构- 原理探究- 生活应用”的教学链条，旨在解决表面张力教学中抽象性难题，提升课堂教学实效。因此笔者通过自制教具对教材上的实验进行了改进和优化，做到化静态为动态，变抽象为具体，体现知识的完整性和延续性，提升学生的学科能力和科学素养[5][6]。

一、相关概念的界定与理论基础

（一）自制教具的内涵与特征

1. 自制教具的定义

自制教具是教育工作者或学习者基于教育教学目标，利用身边就地取材，通过手工或者简易的机械加工等方式，自行设计与制作的具有特定教学功能的器具。其核心特征在于“自主性”与“教育性”，即通过自主设计与制作过程，实现知识的具象化呈现。

从教育功能角度看，自制教具不仅是教学的辅助工具，更是连接生活经验与物理知识的桥梁。例如，在液体表面张力教学中，利用硬币、回形针、吸管等常见物品制作的教具，能够让学生直观感受到表面张力的存在，从而拉近物理与生活的距离。

2. 自制教具的核心特征

生活化选材：自制教具的材料多来源于日常生活，如厨房用品、废旧物品等，这一特点使得教具制作成本低廉，且易于在不同学校环境中推广。例如，用饮料吸管制作表面张力演示框架，用洗洁精配制肥皂液等。

简易性制作：制作工艺简单，无需复杂的加工技术，教师与学生均可参与制作过程，有利于培养动手能力。

针对性设计：围绕具体教学目标设计，能够准确解决教学中的难点问题，如表面张力的微观机制演示。

互动性体验：学生通过亲自操作教具，获得直观的实验体验，增强学习参与感。

（二）自制教具的设计原则

1. 科学性原则-- 教具设计的根本前提

自制教具设计必选严格遵循物理科学原理。即教具所呈现的知识和原理必须准确无误，符合科学事实和规律，能够被师生所公认。

例如：在展示水膜的表面张力时，通过滴管在硬币上缓慢滴水形成水膜的实验，必须保证实现现象的一致性，即水膜因表面张力而紧紧附着在硬币上，不会轻易破裂，以此准确呈现表面张力使液体表面具有收缩趋势的特性，演示过程“见图 1”。滴水在硬币，水因表面张力成凸面，这是分子间作用力让液面收缩的现象，助理解微观力。

2. 教育性原则-- 教学目标的实现路径

教具设计应紧密围绕教学目标，符合学生的认知特点，有效辅助教学，帮助学生理解和掌握教学内容。以“挑战液体水膜承受力”实验为例，选择回形针等物品作为实验材料。基于学生“密度大的物体应下沉”的认知基础，回形针受重力竖直向下且其密度大于水的密度，因此会下沉至杯底。但由于水的表面张力，这些小物品会漂浮在水膜上而不沉下去，展示水膜能够承受一定重量。通过实验中回形针漂浮在水膜上的反常识现象，引发学生的认知冲突，演示过程“见图2”。

3. 实用性原则-- 教学实施的可行性保障

自制教具的制作工艺简单，操作方便，易于教师和学生掌握使用方法。且材料容易获取，成本低廉，适合不同学校和教学环境中推广。例如，制作肥皂膜框架时，仅需吸管、棉线等常见材料，通过简单的裁剪和捆绑即可完成。

4. 创新性原则-- 教学改革的动力源泉

自制教具的理念创新体现新的教育教学理念和方法，如探究式学习、项目式学习等，以适应教育教学改革的需求。并在结构、功能、材料等方面有独特的设计和创新，能够给学生带来新鲜感和好奇心。液体表面张力的讲解可能侧重于理论知识，学生被动接受。而通过自制教具，可转变为以学生为中心的探究式学习。

例如，让学生自制一个用吸管围成的规则矩形框架，再用肥皂膜覆盖。学生通过观察肥皂膜在框架上的形状变化，自主探究液体表面张力使液体表面有收缩到最小面积的趋势，演示过程“见图3，4”。

5. 安全性原则-- 教学活动的基本保障

安全性顾名思义就是要安全。使用无毒、无害、无危险的材料制作教具，避免对师生的身体造成伤害。教具的结构稳固，没有尖锐的边角、易脱落的部件等，防止在使用过程中发生意外事故。例如，在制作所有涉及液体的教具时，均使用清水、食品洗洁精等安全材料；在处理吸管等材料时，将切口打磨光滑，防止划伤学生。

（三）液体表面张力的理论基础

1. 液体表面张力的概念与微观机制

液体表面张力是指液体表面层由于分子间距离大于液体内部分子间距离，分子间表现为引力，使得液体表面像绷紧的弹性薄膜，具有收缩趋势的特性。从微观角度看，液体表面层分子受到液体内部分子的引力大于外部气体分子的引力，合力指向液体内部，促使液体表面有收缩到最小面积的趋势。

例如，荷叶上的露珠呈球形，演示过程“见图 5”，就是因为液体表面张力让水分子聚拢，使液体表面积收缩到最小化，在体积一定时，球形表面积最小。液体表面张力系数与液体种类、温度、杂质等因素有关，其大小反映了液体表面张力的强弱。

2. 表面张力的宏观表现与生活应用

表面张力在生活中有着广泛的体现，除露珠的球形形态外，水黾能够在水面上自由行走、昆虫翅膀上的水滴呈球形、肥皂泡的形成等现象，均是表面张力作用的结果。

理解表面张力的宏观表现与微观机制，不仅有助于学生掌握相关物理知识，更能培养其用物理视角观察生活、解释现象的能力，实现“从物理走向社会”的教育目标。

二、高中物理液体表面张力自制教具的开发流程

（一）学情分析

教师深入分析高中物理液体表面张力教学内容与学生学习情况，明确教学难点与学生困惑。学生对液体表面张力产生的微观原因理解困难，对表面张力这一抽象概念缺乏直观体验。教师进行深入剖析后，明确教学难点主要集中在以下几个方面：

微观机制理解困难：学生难以将分子间作用力与表面张力的宏观表现建立联系，对“表面层分子间距离大于内部”这一抽象描述缺乏直观认知。

概念抽象性障碍：表面张力不像重力、弹力等可以通过直观感知力的作用效果，学生对“液体表面像弹性薄膜”的类比理解不深刻。

现象与原理的脱节：学生能够观察到露珠、水黾等表面张力现象，但难以自主分析现象背后的物理原理。

基于以上学情，确定自制教具的开发目标：通过直观演示，帮助学生建立微观模型与宏观现象的联系，将抽象的表面张力概念具象化，提升学生的理解深度与应用能力。

（二）教具开发的整体设计思路

构建“三维一体”的教具开发框架，即：

现象演示维度：设计能够直观呈现表面张力宏观现象的教具，如硬币上滴水形成水膜（一枚一元硬币放在水平桌面上，将胶头滴管口靠近硬币，往硬币中央慢慢滴水，逐渐形成一个水膜）[7]，回形针漂浮实验装置等，演示过程“见图6，7”。

微观模拟维度：开发分子间作用力的模拟教具，如磁性小球表面层分布模型，帮助学生理解表面张力的微观机制。

探究体验维度 ： 设计学生可自主操作的探究性教具，如可变框架的肥皂膜装置“见图8”，引导学生通过实验探究表面张力的性质。

（三）材料选择与制作工艺

1. 生活化材料选择

教师根据液体表面张力在实际生活中的应用，从而选择贴近学生生活化的材料，帮助学生学生从生活走向物理的衔接。液体表面张力所涉及的材料有硬币、回形针、纸杯、滴管、棉线、吸管、棉签、洗洁精溶液。

三、自制教具在液体表面张力教学中的应用实践

3.1 实例一“探究液体表面张力产生原因”教学

1. 实验目标

理解本质：通过微观与宏观实验结合，探究液体表面张力产生的分子层面原因。

提升素养：培养从现象推理本质的逻辑思维能力，强化实验操作与数据分析能力。

科学思维：建立宏观现象与微观现象机制的联系，体会科学探究中“观察- 假设- 验证”的思维方法。

教学过程：教师首先展示荷叶上露珠、水面上漂浮小昆虫水黾等液体表面张力现象视频，引发学生兴趣。然后介绍自制的液体表面层分子分布模拟教具结构与原理，让学生分组操作。学生通过调整磁场力，观察磁性小球分布变化，类比液体表面层分子间相互作用。教师引导学生思考表面张力产生原因，组织小组讨论。且教师解析分子间作用力的产生原因时，说明“分子由原子构成，原子内部存在带正电的原子核与带负电的电子，分子间作用力着正是由这些带点粒子的相互作用所产生”，并以此阐释表面张力属于电磁相互作用的原因[8]。最后，教师总结归纳结合教具演示，深入讲解表面张力微观机制。

3.2 实例二“探究液体表面张力的液面是松弛还是紧绷状态”

1. 实验目标

理解本质：通过微观与宏观实验结合，探究液体表面张力产生的分子层面原因。

提升素养：培养从现象推理本质的逻辑思维能力，强化实验操作与数据分析能力。

科学思维：建立宏观现象与微观机制的联系，体会科学探究中“观察- 假设- 验证”的思维方法。

2. 实验步骤

（1）实验器材

可变吸管框架肥皂膜装置、洗洁精液、吸管、棉签、记录表格。

（2）实验步骤

制作一个正方形习惯框架，在框架内侧对称位置系棉线（线长略大于边长）。将框架浸入洗洁精液后缓慢取出，观察肥皂膜形成及棉线状态（此时棉线松弛）。用棉签戳破框架一侧的肥皂膜，观察棉线运动方向与最终状态（棉线被拉向另一侧并紧绷）演示过程，见“图9，10，11，12”）。

教学过程：教师先演示，把吸管矩形线框浸入肥皂液，拿出后线框形成肥皂膜，此时棉线处于松弛状态。接着，用手指轻轻戳破线框一侧肥皂膜，学生们惊讶地看到棉线迅速被拉向另一侧，紧绷起来。随后学生分组实验，不断重复操作，观察棉线状态变化。实验结束后，教师结合实验现象，详细讲解液体表面张力原理。解释肥皂膜存在时，两侧表面张力平衡，棉线松弛；一侧膜破后，另一侧表面张力作用使棉线紧绷，帮助学生理解表面张力使液体表面有收缩到最小面积的趋势 [9]。

四、结语

研究结果表明，自制教具能显著提升学生对表面张力微观本质的理解。创造情景化的实验教学能为物理概念教学提供大量、具体和形象的素材，且能有效激发学生学习兴趣，提升学习积极性；助力学生理解抽象概念，突破教学难点；培养学生实践与创新能力；优化教学资源，弥补传统教学的不足，降低教学成本 [10]。通过合理设计、制作与应用自制教具，并采用科学应用策略，能显著提升教学效果，促进科学探究能力与创新意识的发展，为高中物理实验教学改革提供实践范例。

参考文献

[1] 教育部 . 普通高中物理课程标准（2017 年版 2020 年修订）[S].北京 ： 人民教育出版社 ， 2020.

[2] 袁燕青 . 高中物理概念教学中科学思维的培养——以“液体的表面张力”教学为例 [J]. 中学物理教学参考 ，2022，51（13）：24-27.

[3] 谭石泉 ， 周炜 . 液体的表面张力实验的改进与创新 [J]. 科技风 ，2024（35）：83-85. DOI：10.19392/j.cnki.1671-7341.202435028.

[4] 孙辉 . 自制教具在中学物理教学中的应用研究 [D]. 哈尔滨师范大学 ：2022.DOI：10.27064/d.cnki.ghasu.2022.000884.

[5] 蔡亮 ， 吕爱华 . 基于自制液体表面张力教具的实验改进与创新[J]. 物理教学 ，2019，41（02）：28-30.

[6] 郭玉英 ， 张玉峰 ， 姚建欣 . 物理学科能力及其表现研究 [J]. 教育学报 ，2016，12（04）：57-63. DOI：10.14082/j.cnki.1673-1298.2016.04.009.

[7] 植慧茵 . 基于核心素养的跨学科实践活动探究——以“液体表面张力特点的研究”设计为例 [J]. 中学物理教学参考 ，2025，54（01）：32-34+67.

[8] 张雪 ， 张静 ， 李雅兰 . 面向物理观念和科学思维整合发展的教学探索—— 以高中“ 液体的表面张力” 为例 [J]. 物理教师 ，2021，42（07）：9-11+15.

[9] 李威 . 基于“ 液体” 教具的实验创新与优化 [J]. 物理教学 ，2024，46（05）：24-26.

[10] 郑映凤 ， 麦建华 ， 杨昌彪 . 情境理论下培养学生物理观念的教学途径探讨——以“液体的表面张力”概念课为例 [J]. 物理教师 ，2023，44（07）：12-16.