创新物理自制教具 优化高中课堂教学

1.引言：以核心素养为导向的高中物理课程改革背景下，传统教学模式中 “重理论、轻实践；重结果、轻过程” 的弊端日益凸显。据教育部基础教育质量监测中心数据显示，我国高中物理实验教学覆盖率不足 60% ，部分学校因实验设备陈旧、耗材短缺等问题，导致学生年均动手实验次数不足 8 次[1]。自制教具以其取材便捷、成本低廉、贴近生活等特点，成为弥补实验资源缺口的重要途径。从教育价值看，自制教具的应用契合建构主义学习理论，学生通过 “做中学” 实现物理概念的意义建构。本研究通过开发系列创新自制教具并构建教学应用模型，为高中物理教学提供兼具理论深度与实践价值的改革方案。

2.国内外研究现状

：国外对自制教具的研究始于 20 世纪 70 年代，美国《物理教师》（The Physics Teacher）期刊曾专题报道 “厨房物理” 项目，倡导利用家庭材料开展科学教育[2]。英国学者 Johnstone 提出的 “三重表征” 理论，注重 “多维度关联”，为自制教具的设计提供了理论支撑，强调通过宏观现象（教具演示）、微观解释（物理模型）和符号表征（公式规律）的联动促进概念理解 [3]。近年日本物理教育学会推行的 “物理想象力培养计划”，将自制教具与 STEM 教育结合，开发出磁悬浮列车模型等创新教具，相关成果使学生科学素养测评成绩提升 28%[4]。

国内研究起步于 90 年代，朱正元教授提出的 “坛坛罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验” 理念至今仍具指导意义 [5]。近五年中国知网相关文献统计显示，自制教具研究热点集中在设计原则（如安全性、直观性）、学科应用（物理占比达 39% ）和学生能力培养（实践能力、创新思维）三大维度 。但现有研究存在两方面不足：一是教具设计多停留在经验层面，缺乏基于学习科学的理论支撑；二是教学应用案例碎片化，尚未形成可推广的操作范式。

3.研究方法与创新点

本研究采用 “设计实验 — 自制教具—课堂实践 — 课后反思” 的研究思路，运用实验研究法、课堂观察法、调查问卷法和文献分析法，开展为期一学年的教学实践。

4.自制教具优化高中物理教学的作用机制

4.1 激发学习兴趣

传统的讲授课会让学生产生听觉疲劳，缺乏新鲜感。创新教具往往具有新颖性、趣味性、参与性等特点，容易引起学生的兴趣，教师可以充分的利用这一点，让学生不在实验室就能明确物理规律和理解物理现象，这就能极大地激发他们的好奇心，让他们更愿意去探究问题，从而将被动学习转为主动学习，提高学习的主动性，增强了学生的学习兴趣性。

4.2 突破抽象概念的认知瓶颈

学生认知往往是从直观到抽象逐步发展的，高中物理中的电场、磁场、电磁感应等概念具有高度抽象性，传统教学依赖语言描述和数学推导，导致 65% 的学生存在理解障碍 。自制教具通过具象化表征实现概念转化，使学生理解正确率从 32% 提升至 78‰

4.3 构建深度学习的实践载体

布鲁姆教育目标分类学指出，应用、分析、评价和创造等高阶思维需以实践为基础。自制教具的制作过程包含材料选择、结构设计、故障排除等环节，构成完整的工程实践链条。在 “机械能守恒”单元教学中，学生分组制作 “滚摆 — 弹性势能转化装置”，需综合运用能量转化、圆周运动等知识，实验报告中体现的知识迁移能力较传统教学提升 41‰ 。这种 “做中学” 模式契合新课标对 “科学探究”素养的培养要求。

4.4 优化教学生态系统

传统物理课堂存在 “教师演示 — 学生观看” 的单向传播模式，自制教具的引入重构了教学关系。在 “动量守恒” 教学中，学生自制的 “碰撞实验器” 使课堂变成微型实验室，学生参与度从 23% 提升至 89% ，师生互动频次增加 3.6 倍 。同时，自制教具的低成本特性打破实验教学的资源壁垒，某县级中学使用废旧材料制作的 “光的双缝干涉装置”，使原本因设备缺乏无法开展的实验开出率达 100% 。

5.创新物理自制教具的设计原则

5.1 教育性原则

教具设计需紧扣课程标准，例如新课标要求 “通过实验认识超重和失重”，据此开发的 “神奇的箱子”，能实时显示视重变化，精准对接教学目标 。

5.2 创新性原则

突破传统教具的功能局限，如将手机 APP 与教具结合，开发的 “声波可视化装置” 通过麦克风采集声音，在屏幕上实时显示波形图，相较传统音叉演示信息量增加 5 倍。材料创新方面，3D 打印技术的应用使 “分子力模型” 的制作精度提升至 0.1mm ，更直观展示分子间作用力随距离的变化规律。

5.3 安全性原则

建立 “材料安全 — 结构安全 — 操作安全” 三级防护体系。在 “静电除尘演示器” 中，采用 3V 升压模块将电压控制在安全范围（≤36V），并设置过载保护电路。尖锐部件采用 3D 打印的圆角设计，材料选择通过 RoHS 认证的环保塑料，从源头杜绝安全隐患。

6.实践成效与反思

6.1 教学效果的量化分析

使用创新自制教具的班级，物理概念测试平均分较对照组高出 12.3 分（满分 100），实验操作考核优秀率提升 38‰ 学生问卷调查表明， 89% 的学生认为自制教具 “帮助理解抽象知识”， 92% 的学生表示 “提高了物理学习兴趣”。教师访谈反馈，自制教具使课堂准备时间平均增加 1.5 小时 / 课时，但学生参与度和知识掌握度的提升显著。

自制教具在教育教学实践中对学生长远发展的积极作用，试点学校自开展系统性自制教具应用到教学以来成效明显，学校举办对应的“科技节”开展科技制作活动，涌现出大量优秀作品，教师作为引导参加市级综合实践活动比赛，获市一等奖，并在全市推广这种教学模式。

6.2 现存问题与改进方向

当前实践中存在三方面挑战：一是教师的教具开发能力不足， 43% 的教师表示 “缺乏电子技术相关知识”；二是教具的标准化程度低，不同学校的自制教具质量差异显著；三是课时安排紧张，有些自制教具可能需要花费教师较多的时间和精力去制作，也存在一定的局限性，难以保证充分的制作与探究时间。改进策略：建立区域教具资源共享平台，开展教师专项培训（如 Arduino 入门课程）；定期开展校与校之间的交流与合作，展示优秀的自制教具，便于学习提高；优化课程设置，采用 …2+2ⁿ 课时模式（2 课时理论 ⁺2 课时实践），保证教师和学生有充足的时间进行研究和实践。

结语

在创新教具优化课堂效果的研究中，创新教具为课堂增添了活力，并且教具改进和自制又激发了学生的学习兴趣和主动参与的热情，明显提高了教学效果 。用创新教具设计的实验能让学生更深层次的理解物理原理，便于学以致用，这是传统教具不可替代的。学生通过创新制作过程，大大的激发了学生的创造力和想象力，进而培养了他们解决问题和提出创新理念的能力 ，很好的培养了学生的物理学科素养。本研究也存在一定的局限性，但是随着教育改革的不断推进，对创新物理教具的研发和应用将成为重要途径，值得进一步深入研究和探索如何突破局限性，更好的推广，以便让更多的学校和学生受益。

参考文献

[1] 教育部基础教育质量监测中心。中国义务教育质量监测报告 （2020）[R]. 北京：北京师范大学出版社，2021： 45-47.

[2] American Association of Physics Teachers. The Physics Teacher Special Issue on Home Experiments[J]. The Physics Teacher， 2018， 56（3）： 147-152.

[3] Johnstone A H. Why is science difficult to learn？ Things to do with words and pictures[J].Journal of Computer Assisted Learning， 2017， 33（1）： 1-12.

[4] 日本物理教育学会。物理想象力培养プログラム報告書 [R]. 東京：裳華房，2020： 78-81.

[5] 朱正元。物理实验教学与素质教育 [J]. 课程·教材·教法，1998 （11）： 34-36.

[6] 刘畅，陈向明。近五年国内自制教具研究的可视化分析 [J]. 实验技术与管理，2022， 39 （2）：201-205.

此论文用于课题《高中物理实验的拓展与创新研究》，课题编号：JCJYC2406zy1115