作者

范春赟　劉　衡　王大浩　高永偉*

（寧夏大學物理學院；*通訊作者）

摘要：本研究以中學物理教具設(shè)計與實踐為例，構(gòu)建“理論學習—教具創(chuàng)新—成果轉(zhuǎn)化／科教實踐—教具創(chuàng)新”的教具開發(fā)與社會實踐模式。該模式基于STEAM教育理念和PBL教學法，通過設(shè)置模塊化進階式課程體系、搭建“雙賽雙創(chuàng)雙陣地”創(chuàng)新平臺、推行“競爭—合作—融合—聯(lián)動”協(xié)同機制、實行“論文化＋專利化”雙軌轉(zhuǎn)化機制并打通從教具創(chuàng)新到社會實踐的有效路徑，實現(xiàn)知識與能力雙向進階，為適應(yīng)新時代基礎(chǔ)教育人才培養(yǎng)提供可推廣范式。

關(guān)鍵詞：核心素養(yǎng)　數(shù)智教育　教具創(chuàng)新　課程建設(shè)　科教實踐

引言

《義務(wù)教育物理課程標準（2022年版）》[1]和《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》[2]對動手操作、情境創(chuàng)設(shè)、跨學科實踐及課程資源開發(fā)等方面提出了明確要求。2025年1月，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《教育強國建設(shè)規(guī)劃綱要（2024—2035年）》進一步強調(diào)了教育數(shù)字化、智能化發(fā)展及學生動手實踐能力培養(yǎng)[3]。物理教具作為情境創(chuàng)設(shè)、跨學科實踐及課程資源開發(fā)的核心載體，其價值超越教具本身，創(chuàng)新開發(fā)中學物理教具已經(jīng)成為融合知識、能力培養(yǎng)及創(chuàng)新數(shù)智思維培養(yǎng)的重要渠道。

為應(yīng)對教育數(shù)智化轉(zhuǎn)型需求，提升師范生數(shù)智教育素養(yǎng)與創(chuàng)新能力，通過構(gòu)建本碩實踐課程體系、搭建全鏈條平臺、推動產(chǎn)學研用融合，形成“理論學習—教具創(chuàng)新—成果轉(zhuǎn)化／科教實踐—教具創(chuàng)新”的中學物理實驗教具創(chuàng)新開發(fā)模式。本文將結(jié)合具體教具案例，從課程體系、平臺機制、協(xié)同路徑與成果轉(zhuǎn)化4個方面（見圖1），系統(tǒng)闡述該模式的開發(fā)策略與實踐成效。

圖1　中學物理教具創(chuàng)新開發(fā)模式

中學物理教具創(chuàng)新開發(fā)策略

基于STEAM教育理念構(gòu)建進階式課程體系，夯實創(chuàng)新培養(yǎng)根基

STEAM教育理念是一種跨學科整合的教育模式，其核心在于融合科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、藝術(shù)（Art）和數(shù)學（Mathematics）五大領(lǐng)域，旨在培養(yǎng)學生解決實際問題的綜合能力[4]?；诖死砟顦?gòu)建的教具創(chuàng)新與實踐課程，致力于培養(yǎng)能夠適應(yīng)教育數(shù)智化時代的創(chuàng)新者與問題解決者。項目式教學法（PBL）作為一種以學生為中心的教學模式，通過引導學生動手解決真實問題，實現(xiàn)從規(guī)劃、執(zhí)行到成果展示的全流程探索，有效推動從知識學習向能力培養(yǎng)的轉(zhuǎn)化[5]。

為物理學專業(yè)（師范）與學科教學（物理）碩士專業(yè)分別開設(shè)的“中學物理教具設(shè)計與實踐”“中學物理實驗設(shè)計與教學”課程，均基于STEAM與PBL理念，構(gòu)建了“基礎(chǔ)認知—優(yōu)化設(shè)計—創(chuàng)新開發(fā)”的進階式課程框架。該課程體系的成效直接體現(xiàn)在學生開發(fā)的創(chuàng)新教具上。

案例1. 教具“氫原子光譜演示儀”

該教具源自課程高級階段的綜合設(shè)計任務(wù)，其研發(fā)聚焦“電子躍遷”這一教學難點，系統(tǒng)整合物理原理（科學）、3D建模與打?。夹g(shù)與工程）、單片機編程（技術(shù)／數(shù)學）及結(jié)構(gòu)美學（藝術(shù)），成功將微觀抽象量子概念轉(zhuǎn)化為直觀的彩色光譜，是STEAM教育理念在物理教具開發(fā)中的典型實踐。

研發(fā)團隊在項目立項階段即確立了“立足教學實際、突破認知瓶頸”的設(shè)計導向。通過系統(tǒng)分析現(xiàn)有教具，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)“階梯能級模型”雖能模擬電子能級躍遷，但存在明顯局限，即僅以機械滾動模擬過程，無法體現(xiàn)軌道量子化本質(zhì)，更難以展示躍遷過程中的電磁波輻射現(xiàn)象，導致學生對“電子躍遷釋放能量而原子不坍縮”這一量子特性理解困難。

針對上述教學痛點，團隊以人教版高中《物理》（選擇性必修三）第四章“玻爾氫原子理論”為藍本，進行了系統(tǒng)性創(chuàng)新設(shè)計。從巴爾末公式出發(fā)，設(shè)置4條特定顏色燈帶對應(yīng)巴爾末系譜線；通過單片機編程實現(xiàn)電子躍遷的隨機發(fā)光演示，直觀呈現(xiàn)電磁波輻射的量子化特征；在結(jié)構(gòu)設(shè)計中明確標注不同軌道能級，構(gòu)建了支持探究式教學的功能框架。該教具使抽象的量子規(guī)律轉(zhuǎn)化為可觀測、可推導的視覺現(xiàn)象，有效幫助學生通過光譜分析理解能量量子化概念，為微觀物理知識體系構(gòu)建奠定了堅實的認知基礎(chǔ)。在第九屆“華夏杯”全國物理教學創(chuàng)新大賽科普作品賽道中，該教具榮獲一等獎并被推薦為優(yōu)秀作品進行展示。

搭建“雙賽雙創(chuàng)雙陣地”平臺，為教具創(chuàng)新提供全過程支撐

“華夏杯”全國物理教學創(chuàng)新大賽與“格致杯”物理師范生教學技能展評活動，作為國內(nèi)物理教育領(lǐng)域的重要競賽，有效構(gòu)建了“以賽促學、以賽促創(chuàng)”的實踐機制，而學校層面設(shè)立的“雙創(chuàng)”（大學生與研究生創(chuàng)新項目）平臺，則為教具研發(fā)提供了穩(wěn)定的項目孵化與資金支持。在寧夏大學，“中學物理教具設(shè)計與制作室”作為實體研發(fā)主陣地，配備了3D打印機、激光切割機、臺鉆等數(shù)字化與機械化制造設(shè)備，有力支撐了多類創(chuàng)新教具的實物轉(zhuǎn)化。此外，物理學院設(shè)立了“寧夏物理微科普”微信公眾號運營團隊，以圖文、視頻等多模態(tài)形式，系統(tǒng)展示教具的設(shè)計理念與應(yīng)用場景，形成了創(chuàng)新成果從研發(fā)、制作到區(qū)域推廣的完整閉環(huán)，顯著提升了教具開發(fā)的實效性與輻射力。

案例2. 教具“現(xiàn)代編鐘——聲現(xiàn)象演示儀”

該教具在研發(fā)過程中依托研究生創(chuàng)新項目立項支持，系統(tǒng)融合傳統(tǒng)工藝與現(xiàn)代制造技術(shù)，構(gòu)建了兼具文化內(nèi)涵與科學探究功能的教學載體。在制作工藝方面，團隊運用3D打印技術(shù)一體成型編鐘鐘架主體，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與形態(tài)還原；同時對發(fā)聲腔體模塊采用激光切割工藝精密加工，保障聲學組件的尺寸精度與振動特性。在聲學機制設(shè)計上，教具基于懸臂梁共振理論，選用高彈性模量的碳纖維桿作為核心振動單元，通過調(diào)節(jié)其長度與固定方式實現(xiàn)對不同頻率共振行為的控制。為將不可見的機械振動轉(zhuǎn)化為可觀測現(xiàn)象，團隊引入光放大法，在懸臂梁端部設(shè)置反射裝置，通過光路放大實時演示振動模式與振幅變化。

該教具在結(jié)構(gòu)設(shè)計上仿照古代編鐘形制，將傳統(tǒng)樂器轉(zhuǎn)化為現(xiàn)代聲學實驗平臺，實現(xiàn)了文化傳承與物理教學的有機統(tǒng)一。在教學實踐中，學生既能聆聽不同頻率下的聲音變化，又能通過光路軌跡直觀觀察共振現(xiàn)象，達成“聞聲見形”的雙重感知效果。這一設(shè)計不僅深化了對聲波特性、機械共振等物理概念的理解，更彰顯了在教育新時代背景下先進制造技術(shù)與傳統(tǒng)器樂文化在物理教育中的深度融合與創(chuàng)新應(yīng)用。該教具在第十五屆“格致杯”物理師范生教學技能展評活動教具賽道上榮獲一等獎。

推行“競爭—合作—融合—聯(lián)動”協(xié)同機制，激發(fā)跨學科創(chuàng)新活力

在實施“競爭—合作—融合—聯(lián)動”協(xié)同機制中，通過樹立先導團隊，激發(fā)群體間的良性競爭，同時強調(diào)團隊內(nèi)部的緊密協(xié)作。項目團隊由2～3名不同學科背景的學生構(gòu)成，實現(xiàn)了深度的學科交叉與能力互補：物理學專業(yè)學生負責原理剖析與教學設(shè)計；具備機械、光電等工科背景的成員則運用SolidWorks等工業(yè)設(shè)計軟件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并利用STM32等控制器開發(fā)驅(qū)動電路與交互功能。研究生團隊在教具制作的實踐中為本科生提供理論與技術(shù)指導，幫助本科生團隊在教具的設(shè)計、制作、匯報及科普推廣全過程中協(xié)同共進，有力保障了從創(chuàng)意到實物的高質(zhì)量轉(zhuǎn)化。

案例3. 通信時光機

這是一款面向人教版初中《物理》“信息的傳遞”單元開發(fā)的交互式教學演示教具，旨在系統(tǒng)呈現(xiàn)信息傳遞技術(shù)從物理媒介到電磁通信的歷史演進與原理躍遷。該教具圍繞有線通信與無線通信兩大技術(shù)階段，構(gòu)建了3個可操作性教學模塊：手搖磁石電話模塊，還原貝爾1876年原型結(jié)構(gòu)，學生可通過搖動發(fā)電機產(chǎn)生呼叫電流，理解聲-電轉(zhuǎn)換機制；有線電話模塊，展示完整的有線語音傳輸系統(tǒng)；無線通信模塊，模擬現(xiàn)代移動通信過程，呈現(xiàn)電磁波作為信息載體的技術(shù)優(yōu)勢。通過模塊化實操，學生可直觀構(gòu)建從電磁感應(yīng)到無線通信的物理認知鏈路。

在該教具的研發(fā)過程中，項目團隊依托多學科交叉協(xié)作機制，實現(xiàn)教具從理念到實物的高質(zhì)量轉(zhuǎn)化。物理學專業(yè)成員負責理論架構(gòu)與教學適配性設(shè)計，確保教具的科學性與教學實用性；機械工程背景成員主導教具的結(jié)構(gòu)建模與集成優(yōu)化，在融合貝爾電話原型的基礎(chǔ)上，將有線與無線通信模塊整合于一體，兼顧便攜性與現(xiàn)代美學表達；電子信息工程背景成員則負責電路系統(tǒng)構(gòu)建與程序控制，在手搖與有線模塊中融入基礎(chǔ)電路原理以契合初中認知水平，在無線通信部分則基于STM32平臺開發(fā)底層通信協(xié)議，在實現(xiàn)撥號通信功能的同時，也為學有余力的學生提供拓展編程的實踐接口。該教具榮獲第十六屆“格致杯”物理師范生教學技能展評活動教具賽道一等獎。

此外，為促進團隊間的技術(shù)共享與協(xié)同創(chuàng)新，具備3D建模、激光切割與嵌入式開發(fā)能力的研究生成員，將關(guān)鍵技術(shù)流程錄制成系列微課，通過“學習通”平臺實現(xiàn)跨團隊知識傳遞。同時，本科課程“中學物理教具設(shè)計與實踐”持續(xù)整合歷屆優(yōu)秀作品的開發(fā)資料，形成可迭代、可復用的教學資源庫，為新時代教育背景下物理教具的持續(xù)創(chuàng)新提供了有效支撐與實踐范式。

圖2　通信時光機

實行“論文化＋專利化”雙軌轉(zhuǎn)化機制，打通教具推廣路徑

創(chuàng)新開發(fā)教具的意義在于有效幫助受教育者理解抽象物理原理，只有通過不斷推廣讓其進入物理課堂才能實現(xiàn)教具價值。在教學實踐過程中，寧夏大學研發(fā)團隊不斷摸索，探索出了“論文化＋專利化”雙軌轉(zhuǎn)化機制。

案例4. 集成化電磁學演示實驗教具

該教具通過系統(tǒng)整合電磁感應(yīng)、安培力、互感現(xiàn)象、電動機與發(fā)電機原理及電磁阻尼等5個典型電磁學實驗，構(gòu)建了一個多功能、模塊化的演示平臺[6]。其創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在兩方面：一是實現(xiàn)了實驗功能的集成化，通過巧妙的電路設(shè)計與開關(guān)控制，使教師能夠根據(jù)教學需求靈活選擇演示內(nèi)容，顯著提高了實驗效率與儀器使用率；二是推行了說明材料的立體化，結(jié)合圖文說明與操作視頻，形成直觀易懂的教學指導資源，降低了實驗教學的操作門檻。該教具在設(shè)計上注重教學實用性與原理透明度，所有元件可見可觸，避免“黑箱”操作，有助于學生建立完整的物理圖像。其制作成本低、操作簡便、現(xiàn)象明顯，具備良好的教學適應(yīng)性與推廣價值，充分體現(xiàn)了“以簡馭繁”的教學設(shè)計理念，為中學物理實驗教學的創(chuàng)新提供了可借鑒的實踐范例。

案例5. 磁體磁性與溫度關(guān)系演示儀

該教具展現(xiàn)了基于Arduino UNO開發(fā)板，集成LM-35溫度傳感器與KY-024霍爾傳感器構(gòu)建的一套完整的磁-溫特性測量系統(tǒng)[7]，突破了傳統(tǒng)磁學實驗僅能定性演示的局限，實現(xiàn)了磁感應(yīng)強度的定量測量，并通過實驗數(shù)據(jù)直觀驗證了安培分子電流假說。研究顯示，在25～60℃范圍內(nèi)，螺線管內(nèi)部磁感應(yīng)強度隨溫度升高呈線性下降趨勢。該裝置兼具成本低、操作簡便、可視化程度高等特點，為中學電磁學實驗教學提供了創(chuàng)新的技術(shù)路徑與方法支持。

案例6. 靜電綜合創(chuàng)新教具

該教具針對中學靜電教學中概念抽象、學生理解困難的問題，通過精心設(shè)計的實驗裝置將抽象的電荷相互作用原理轉(zhuǎn)化為直觀可觀察的現(xiàn)象?！办o電跑道”教具通過靜電魔法棒、鋁箔軌道和帶電小球的巧妙組合，生動演示了接觸起電、感應(yīng)起電，以及電荷間相互作用的全過程；“懸浮靜電泡”教具則利用帶電泡泡的懸浮現(xiàn)象，直觀展現(xiàn)了同種電荷相斥的物理原理。兩套教具均采用低成本材料制作，兼具安全性與可操作性[8]。在教學實踐中，這些教具既能作為課堂引入激發(fā)學生興趣，又能作為探究項目促進學生科學思維發(fā)展，有效解決了靜電教學中看不見、摸不著的難點，為建構(gòu)探究型課堂提供了有力支持，體現(xiàn)了“在做中學”的教育理念，對培養(yǎng)學生物理核心素養(yǎng)具有重要價值。

案例4—6所涉及的教具皆通過發(fā)表論文的方式展現(xiàn)了教具開發(fā)成果，而前述“氫原子光譜演示儀”與“現(xiàn)代編鐘——聲現(xiàn)象演示儀”等代表性教具則通過系統(tǒng)申報國家發(fā)明專利、實用新型專利，力求實現(xiàn)從創(chuàng)意研發(fā)到知識產(chǎn)權(quán)保護的重要跨越。此外，寧夏大學的研發(fā)團隊正積極推進與地方教育裝備企業(yè)的產(chǎn)學研合作，就教具的工藝優(yōu)化、成本控制及教學適配性開展深入對接，旨在推動創(chuàng)新教具從原型樣品走向批量生產(chǎn)與市場推廣，從而構(gòu)建起“創(chuàng)新研發(fā)—產(chǎn)權(quán)保護—產(chǎn)品轉(zhuǎn)化—教學應(yīng)用”的完整閉環(huán)，為中學物理實驗教學提供高質(zhì)量、低成本、可推廣的優(yōu)質(zhì)教學資源。

圖3　氫原子光譜演示儀（左）與傳統(tǒng)階梯能級模型（右）

圖4　現(xiàn)代編鐘——聲現(xiàn)象演示儀

以主題科普實踐驅(qū)動物理教具創(chuàng)新，服務(wù)科學教育

為服務(wù)新時代國家科學教育戰(zhàn)略，寧夏大學項目團隊依托自主研發(fā)的創(chuàng)新物理教具，系統(tǒng)性開展中小學科普實踐活動。通過負責人兼任附屬中小學科學副校長，組織本碩學生深入17所中小學及社區(qū)，3年累計開展30余場活動，惠及5?000余名學生，實現(xiàn)教具應(yīng)用與教育場景的深度融合。在教研層面，形成了本碩聯(lián)動的良性機制，研究生通過“理論建?！獙嵺`干預—效果評估”研究框架，開發(fā)模塊化教具，推動原理可視化；本科生參與科普方案策劃、本土化教具設(shè)計與活動主講。二者構(gòu)建的“科教實踐—教具創(chuàng)新”反饋閉環(huán)，既為科普活動提供學術(shù)支撐，又持續(xù)反哺教具的迭代優(yōu)化，實現(xiàn)了教學實踐與科研創(chuàng)新的雙向促進。

總結(jié)

本研究構(gòu)建并實踐了“理論學習—教具創(chuàng)新—成果轉(zhuǎn)化／科教實踐—教具創(chuàng)新”的中學物理實驗教具創(chuàng)新開發(fā)模式。該模式以STEAM與PBL理念重塑課程體系，以“雙賽雙創(chuàng)雙陣地”搭建全鏈條平臺，以“競爭—合作—融合—聯(lián)動”機制激發(fā)團隊效能，并以“論文化＋專利化”雙軌制打通成果轉(zhuǎn)化路徑。通過一系列電磁學、靜電學創(chuàng)新教具的成功開發(fā)與轉(zhuǎn)化表明，該模式有效提升了師范生的創(chuàng)新實踐能力與數(shù)智素養(yǎng)，形成了理論指導實踐、實踐反哺創(chuàng)新的良性循環(huán)。

然而，當前模式在跨學科深度融合、專利成果市場轉(zhuǎn)化率及長效量化評價體系方面仍存提升空間。未來，我們將著力于三方面深化研究，其一，深化人工智能與虛擬現(xiàn)實技術(shù)在智能教具開發(fā)中的應(yīng)用，提升教具的交互性與情境化水平；其二，健全校企合作機制，加速優(yōu)秀教具的產(chǎn)品化與市場化進程；其三，構(gòu)建以核心素養(yǎng)為導向的多維、長效評價體系，科學評估模式的育人成效。通過持續(xù)優(yōu)化，本模式有望為基礎(chǔ)教育階段的實驗教學改革與創(chuàng)新型師范人才培養(yǎng)提供更具價值的范式參考。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部．義務(wù)教育物理課程標準（2022年版）[S]．北京：人民教育出版社，2022．

[2] 中華人民共和國教育部．普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S]．北京：人民教育出版社，2020．

[3] 中共中央，國務(wù)院.教育強國建設(shè)規(guī)劃綱要（2024—2035年）[EB/OL]．（2025-01-19）[2025-06-29]．https://www.gov.cn/zhengce/202501/content_6999913.htm．

[4] 李學書．STEAM跨學科課程：整合理念、模式構(gòu)建及問題反思[J]．全球教育展望，2019，48（10）：59-72．

[5] 董艷，和靜宇．PBL項目式學習在大學教學中的應(yīng)用探究[J]．現(xiàn)代教育技術(shù)，2019，29（9）：53-58．

[6] 項浩原，謝祿橋，陳泓宇，等．創(chuàng)新集成化電磁學演示實驗教具的設(shè)計與制作[J]．物理通報，2022（2）：121-123+127．

[7] 賴毅標，盧佳文，張寧，等．基于Arduino平臺創(chuàng)新實驗教具——探究磁體磁性與溫度關(guān)系[J]．中學理科園地，2023，19（5）：51-53．

[8] 陳泓宇，項浩原，郝睿．自制綜合創(chuàng)新教具突破靜電教學重點[J]．物理通報，2022（1）：105-108．

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