张晴 冯杰 邱松长

摘 要： 根据教具“一物多用”的多功能演示思想，在手摇发电机教具基础上进行一定创新，自制由磁铁线圈式和马达式发电机构成的手摇发电机实验装置，并对其在物理教学中的多种功能进行一定说明，自制教具可在中学物理教学中推广使用。

关键词： 课堂教学 创新 多功能 自制手摇发电机

实验教学是中学物理教学的基础，新课标下的物理教学实践表明中学物理课堂教学的教具演示可以激发学生的物理学习兴趣，活跃物理课堂氛围，对物理新课教学起到一定的完善作用[1]。教具多功能演示是物理教学研究的重点内容，可以演示物理学知识、突破教学难点[2]。同时，自制教具的多功能演示无疑使教师和学生的创造能力得以激发，创新意识得以增强[3]。并且自制教具实现多功能演示，更在某种程度上渗透了中华传统美德“勤俭节约”的思想[4]。本文对手摇发电机教具进行一定拓展，自制手摇发电机实验装置，实现自制教具“一物多用”的创新。

1.现状与问题

调查表明，目前市面上大小不一的手摇发电机DIY教具数量很多，通过手摇使其小灯泡发光，以此照明和进行课堂实验演示，学生可以直观感受到机械能转换成电能的神奇，从而激发学生学习电与磁的兴趣。

这些教具是否可以在手摇发电机的基础上稍稍做一些变动，实现其他多功能演示呢？若手摇发电机教具承载着多种演示功能，而学生又能在教具演示过程中同时学到物理学知识，那么自制教具就能发挥更大功用。因此手摇发电机的多功能演示研究是物理教学中一个有意义且有价值的课题。

2.自制手摇发电机

2.1装置简介

本自制装置主要由两个发电机构成，分别为磁铁线圈式手摇发电机和马达式手摇发电机。磁铁线圈式手摇发电机的发电主要部件是线圈、磁铁、金属杆、转盘等，而马达式手摇发电机的发电主要部件是马达、齿轮、电钻等，这两个手摇发电机均能实现发电演示功能。

2.2自制手摇发电机的六大演示功能

（1）演示发电原理，体会电磁乐趣。

人教版高中物理3-2第四章第二节《探究电磁感应的产生条件》中，实验表明：只要穿过闭合电路的磁通量发生变化，闭合电路中就有感应电流。教师讲授新课前给学生演示手摇发电机。如图1所示，摇动马达式手摇发电机的手柄，其负载小灯泡就会发光，以此让学生对该节课学习有一定期待，进一步让学生通过观察手摇发电机的演示体会电与磁之间的乐趣[5]。

图1 马达式手摇发电机的发电演示

（2）鉴别导体和绝缘体[6]。

中学物理电学知识的学习中，导体和绝缘体是学习了简单电路基础上的又一重要知识点，物理教学中常常需要将物理概念或规律与生活生产实际相联系，以此提高学生理论联系实际的能力，因此教学中讲解完导体和绝缘体的概念之后，学生可自行通过实验鉴别生活中的常见物体，如橡皮、铅笔芯、铁勺、硬币、皮筋、书本、塑料、金属杆等是导体还是绝缘体，如此学生可以加深对导体和绝缘体的印象。

将导体和绝缘体鉴别实验与自制手摇发电机装置相联系，则可将手摇发电机作为电源使用，在实验中起到电源供电作用。实验中将自制手摇发电机、待检测物体和小灯泡用导线串联连接，通过观察小灯泡的发光状态鉴别导体和绝缘体，从而实现发电、鉴别导体和绝缘体功能的一体化，大大活跃物理教学课堂气氛。

（3）说明二极管的单向导通性。

自制手摇发电机的另一功能是说明二极管的单向导通性，利用电路中连接二极管实现顺、逆时针转动手柄小灯泡发光状态不同，从而在课堂教学中起到激发学生物理学习兴趣的作用，以此加深和巩固对二极管单向导通性的认识。

具体教学过程设计如下所示：

教师讲解完课堂新知后给学生演示发电过程，小灯泡发光；接着教师悄悄逆时针转动手柄，手摇发电机装置中的小灯泡不发光。此时教师抛出疑问，是不是手摇发电机坏了？教师再次顺时针转动手摇发电机的手柄，小灯泡再次发光，学生脑海中产生疑问，为什么刚才小灯泡没有发光；紧接着教师提示学生从手摇发电机自身电路元件寻找答案，学生通过观察电路后发现外接电路中有一个二极管，从而对两次发电演示截然不同的实验结果恍然大悟。此教学环节通过这种提出问题到学生自主探究解决问题的形式，用课堂活动落实物理知识，增加物理课堂学习乐趣，同时对新课所学二极管单向导通性的知识起到更好的巩固作用。

（4）判断电流的方向。

自制手摇发电机还可以用来说明电流方向，该功能是由二极管单向导通性演示实验启发得到的，由于二极管具有单向导通性，因此我们可判断电流方向，同时根据电流方向判断手摇发电机两个接线柱两端电势的高低。

（5）类比马达内部的结构。

图2 磁铁线圈式手摇发电机

磁铁线圈式手摇发电机和马达式手摇发电机都可以用来演示上述四大功能，既然如此，那么自制手摇发电机装置为何有两个发电机，是否可以二者取其一？答案是否定的。本装置的与众不同之处恰恰就是两个手摇发电机的设计。如图1所示是马达式手摇发电机，该手摇发电机的重要部件是马达，而如图2所示的手摇发电机为磁铁线圈式手摇发电机，主要部件为线圈和磁铁及定轴等[7]，根据两个手摇发电机相同的作用效果可将两手摇发电机装置中的重要部件进行类比，从而让学生清楚认识马达内部的结构。

（6）联想串并联电流、电压关系的应用。

本自制手摇发电机装置中的磁铁线圈式发电机还有另一个功能，即串并联电流、电压之间关系的应用。如图3所示，实验发现，手摇发电机演示发电时其负载两LED灯管发光的亮暗程度并不相同，该实验现象可启发学生思考。经学生自主探究可发现电路中发光较暗的LED灯管与二极管串联后，再与发光较亮的LED灯管并联在发电机两端。若记发光较暗的LED灯管两端、二极管两端、发光较亮的LED灯管两端的电压分别为U■、U■和U，则这三者之间的电压存在以下关系：

U=U■+U■

因此两LED灯管发光的亮暗程度是不一样的，本自制发电机结合串并联电流、电压关系知识的应用，在一定程度上起到对串并联电流电压关系知识的巩固和提升作用。

3.结语

本自制手摇发电机装置的多功能应用不仅可以充实课堂学习，而且可以对新课知识的理解和掌握起到一定的促进作用，在一定程度上大大提高电学内容的教学效率和学生理论联系实际的应用能力，使学生掌握得又好又快，同时培养学生的自主创新意识，对教师自身专业素养也有一定提升。本自制手摇发电机装置的多功能演示可供物理教师拓展，使其具有更多课堂演示功能；同时，该自制手摇发电机装置存在一定不足，若对其外表做一定改进，使其外表更美观，则课堂教学效果将更理想；并且自制教具的多功能演示思想，可在中学物理教学中推广。

参考文献：

[1]张伟.论物理自制教具对落实新课程标准的教学价值[J].内蒙古师范大学学报，2003，32（4）：350-353.

[2]冉洪喜.浅如何发挥初中物理教具的作用[J].魅力中国，2014（2）：130-131.

[3]肖纯友.浅析小教具在物理课堂上的大作用[J].中学生导报，2014（1）：121.

[4]张道清，刘晓莹.新课标下初中物理自制教具的探讨[J].物理教学探讨，2009，27（4）：31-33.

[5]朱成.手摇发电机[J].教学仪器与实验，2010，26（7）：47.

[6]田维胜.自制手摇发电机[J].小学教学设计，2006（12）：40.

[7]蔡晓东.自制手摇发电机[J].实验与制作，2003，51.

该教具在全国第七届“优利德杯”大学生与研究生自制教具与设计实验展评中荣获一等奖