物理教具自制毋忘科学性是灵魂

教具自制，是丰富实验室课程资源和全面提高学生科学素养的需要，是培养师生创新精神、增强实践能力的一项重要工作，是实现和加快教师专业成长的重要实践平台和技术途径，是青少年科技创新活动的可选领域，是课程素质教育的一种拓展态、延伸态和掘深态。学生参与教具(学具)自制活动，还能培养其创新精神和实践能力，是走向科学发明、技术发明的宏伟桥梁和平坦铺路石之一。长期以来，作为广大师生智慧与劳作结晶的物理自制教具尤其是优秀自制教具，为教育改革特别是物理实验教学改革做出了贡献。原教育部副部长韦钰指出：“制作教具是一种教研活动，自制教具是一项教育科研成果，应该鼓励和保护。”

演示光的反射折射是中学物理课程光学部分的一个基本实验，对于学生建立反射折射概念、认识光的反射折射规律具有重要意义。关于它的演示仪器，尽管有J2501光具盘、J2528光的反射折射演示器等标准化商品化仪器，另外《教学仪器与实验》等专业刊物及自制教具获奖作品集中也多有此类自制仪器介绍。但客观事实表明这些仪器都存在一些较大的甚至根本性的缺陷，制作成本高，实际使用较为困难，效果也很是不佳。笔者认为，演示光的反射折射，核心困难在于在没有“示光性添加剂”干扰的条件下光路被稳定清晰地显示。有关刊物及获奖作品集上介绍的同种自制仪器，有的根本不能显示光路，纯属臆想之作。笔者拜读《教学仪器与实验》2001年第5期刊登的梁玉祥《半导体激光光路演示仪》、2009年第1期刊登的李鲋瑞《激光线状演示光源》、2001年第6期刊登的李之应《多功能光学演示仪》和《物理教学》2005年第10期刊登的王立斌《光的反射折射实验器材的改进》等文章，认为其中有以下几处值得质疑和商榷。

第一，按《半导体激光光路演示仪》一文所述，激光光路是根本无法显示出来的。而光路演示首先要显示，光路演示又是该文、该仪器之要旨，所以该文、该仪器设计缺乏科学依据和事实支持。我们知道，激光电筒所射有色光束在空气中是根本不能显示其光的径迹即光路的，只有光束经微粒散射后才能被我们肉眼察觉。激光电筒光束如果平行地贴射在涂有白漆的白色光屏上，也能显示出其光路来。前后两者是分别利用散射原理和漫反射原理实现光路显示的。这是物理科学原理的应用，当然也是客观事实证实和支持的。除此以外，没有其他方法能显示激光光束光路。《半导体激光光路演示仪》一文没有提到贴射和散射，按其装置图示及文字说明，也不能作贴射操作，因而根本不能达到显示光路的功效。而光路不能显示，就谈不上演示折射及透镜成像规律了。

第二，《多功能光学演示仪》一文在介绍使用方法时称：“接通电源，调节光源……使单束光沿光盘射向平面镜，并让光束与光盘上的零刻线重合。然后转动光盘，可以观察到反射光线和入射光线……”笔者认为，该文根据演示的目的、要求，所称的单束光必然是指聚集成一细条状的光束或称“束光”，而该文介绍使用的平行光源筒是不能产生这种单束光的，并且即使是单束光，让其沿光盘(铝板制作的)射向平面镜，实际上是不能观察到入射光线，更不能观察到反射光线的。因为即使将“沿”解释为“贴射”，由于没有特定的散射、漫反射及暗室等示光条件，入射光线(准确地讲应称为“入射光束”)及反射光线(应称“反射光束”)是根本不会显示出来的，即是不可能被肉眼观察到的。这既是物理学原理所揭示的，也是客观事实所证明的。同样地按照《多功能光学演示仪》一文所介绍的做法，演示光的折射定律及反射现象都是不可能的。连光束都无法显示。更何谈“从反射光线和折射光线的明暗程度来说明的能量分配”。

另外，《多功能光学演示仪》一文称其多功能光学演示仪能演示光的会聚与发散现象，从而演示透镜的光学性质。又称：“在光屏上放上一只双凸柱面透镜，让五束平行光射向透镜，可看见折射后中间一束光的传播方向没发生改变，其余四束光折向中间的光线，形成光的会聚现象。”《多功能光学演示仪》一文还称演示“过焦光线平行”、凹透镜对平行光的发散作用等。笔者认为，这些说法同样是不能实际做到的，因为这五束平行光束都是根本不能显示出来的。

第三，《半导体激光光路演示仪》一文称：“用砂轮沾水将掰开的两个半圆镜片底面磨平，在磨平的底面上用‘粘得牢’粘上薄铁皮。在演示实验时可将半圆凸透镜吸附在成像板上。”笔者认为，照此做法，即使激光光路能通过贴射在五合板上显示出来，那么光束怎么能通过半圆凸透镜呢?因为别忘记，本身光束是“贴”着五合板入射到半圆凸透镜底部的，而底部是薄铁皮和“粘得牢”胶层，圆柱形激光光束本身是很细的，加之通过贴射又有强度衰减，怎么能透射过呢?《半导体激光光路演示仪》一文说：“将激光器接通电源，调整方向，使光束通过分光镜片组后在成像板上留下三条平行光束。”按此文介绍，成像板是用五合板制作的，正面刷白油漆(或白色塑料板)。这个五合板肉眼看上去是比较平整的。但如果用光学方法测量，例如用平行光平射，那是根本不平整的，就是说，从光学角度看是不平整的。不平整的(即平面度差的)五合板怎么通过贴射来显示出半导体激光器所射激光光束之光路呢?这在理论上、实际上都是行不通的。因而“留下三条平行光束”之说也是客观上不成立的，纯粹是作者的一厢情愿。

第四，《光的反射折射实验器材的改进》一文称：“用两用气筒充入香烟烟雾……”笔者认为，该文所述“香烟烟雾”，在科学上叫做“示光性添加剂”，虽在一定程度上显示了光路，但产生了无法解决的科学逻辑矛盾：加了诸如蚊香烟、甘油、牛奶等示光性添加剂后，传光介质就相应地变成了“烟和空气的混合气体”、“甘油水”、“牛奶稀释液(水溶液)”了。怎么能说看到的是“光在空气、水中的传播”呢?

第五，在拙作《<光的反射折射演示器>新型自制及使用》(获南通市教育局论文评比一等奖)中，不用“示光性添加剂”，概念上将演示器中光束分成二劈(瓣)，“一劈”由“示光质”(不同于“示光性添加剂”)显示光路，“另一劈”则真实地从空气、水中传播。“另一劈”通过“一劈”间接地显示出来，它具有逻辑上的严密性，避免了“示光性添加剂”存在的科学逻辑矛盾。

综上所述，笔者认为，教具自制绝对不能凭空想象，而应依据相关科学原理进行实际研制，并经过实际检验。实践是检验真理的唯一标准。

科学研究人员如果缺乏一种“打破砂锅问到底”的探索精神(科学精神的精髓)和深究能力，就出不了研究成果，更永远也孕育不出诺贝尔奖来。毋庸置疑，包含科学精神在内的科学素养是理科教师必备的基本素养。

任何时候我们都应牢记，科学性是物理教具制作(实验仪器自制)的灵魂，科学性原则是实验教学的最高原则。

物理教师在其学科教学活动的全过程中，应当严谨治学，全面而深入地贯彻素质教育要求，强化科学精神，力求物理真谛，力戒虚浮讹谬，着力提高教学的“功率因数”，不辱科学教育之使命。高职称教师尤其是物理名师更应树立表率，垂范于人，为国民物理素养之切实提高与物理专门人才之前期性启蒙性培养，作出与自己专业身份相称的“有用功”，创造出真实有效而非虚拟化甚至虚假化、泡沫化的骄人业绩。

谨以此共勉。