“華夏杯”論壇——教育新時代背景下中學物理教具創新開發模式的探索與實踐

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計與實踐為例，構建“理論學習—教具創新—成果轉化／科教實踐—教具創新”的教具開發與社會實踐模式。該模式基于STEAM教育理念和PBL教學法，通過設置模塊化進階式課程體系、搭建“雙賽雙創雙陣地”創新平臺、推行“競爭—合作—融合—聯動”協同機制、實行“論文化＋專利化”雙軌轉化機制并打通從教具創新到社會實踐的有效路徑，實現知識與能力雙向進階，為適應新時代基礎教育人才培養提供可推廣范式。

關鍵詞：核心素養　數智教育　教具創新　課程建設　科教實踐

引言

《義務教育物理課程標準（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、情境創設、跨學科實踐及課程資源開發等方面提出了明確要求。2025年1月，中共中央、國務院印發的《教育強國建設規劃綱要（2024—2035年）》進一步強調了教育數字化、智能化發展及學生動手實踐能力培養[3]。物理教具作為情境創設、跨學科實踐及課程資源開發的核心載體，其價值超越教具本身，創新開發中學物理教具已經成為融合知識、能力培養及創新數智思維培養的重要渠道。

為應對教育數智化轉型需求，提升師范生數智教育素養與創新能力，通過構建本碩實踐課程體系、搭建全鏈條平臺、推動產學研用融合，形成“理論學習—教具創新—成果轉化／科教實踐—教具創新”的中學物理實驗教具創新開發模式。本文將結合具體教具案例，從課程體系、平臺機制、協同路徑與成果轉化4個方面（見圖1），系統闡述該模式的開發策略與實踐成效。

圖1　中學物理教具創新開發模式

中學物理教具創新開發策略

基于STEAM教育理念構建進階式課程體系，夯實創新培養根基

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（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Art）和數學（Mathematics）五大領域，旨在培養學生解決實際問題的綜合能力[4]。基于此理念構建的教具創新與實踐課程，致力于培養能夠適應教育數智化時代的創新者與問題解決者。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，實現從規劃、執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的轉化[5]。

為物理學專業（師范）與學科教學（物理）碩士專業分別開設的“中學物理教具設計與實踐”“中學物理實驗設計與教學”課程，均基于STEAM與PBL理念，構建了“基礎認知—優化設計—創新開發”的進階式課程框架。該課程體系的成效直接體現在學生開發的創新教具上。

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計任務，其研發聚焦“電子躍遷”這一教學難點，系統整合物理原理（科學）、3D建模與打印（技術與工程）、單片機編程（技術／數學）及結構美學（藝術），成功將微觀抽象量子概念轉化為直觀的彩色光譜，是STEAM教育理念在物理教具開發中的典型實踐。

研發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”的設計導向。通過系統分析現有教具，發現傳統“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，無法體現軌道量子化本質，更難以展示躍遷過程中的電磁波輻射現象，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，進行了系統性創新設計。從巴爾末公式出發，設置4條特定顏色燈帶對應巴爾末系譜線；通過單片機編程實現電子躍遷的隨機發光演示，直觀呈現電磁波輻射的量子化特征；在結構設計中明確標注不同軌道能級，構建了支持探究式教學的功能框架。該教具使抽象的量子規律轉化為可觀測、可推導的視覺現象，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建奠定了堅實的認知基礎。在第九屆“華夏杯”全國物理教學創新大賽科普作品賽道中，該教具榮獲一等獎并被推薦為優秀作品進行展示。

搭建“雙賽雙創雙陣地”平臺，為教具創新提供全過程支撐

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

案例2. 教具“現代編鐘——聲現象演示儀”

該教具在研發過程中依托研究生創新項目立項支持，系統融合傳統工藝與現代制造技術，構建了兼具文化內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打印技術一體成型編鐘鐘架主體，確保結構穩定與形態還原；同時對發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，通過調節其長度與固定方式實現對不同頻率共振行為的控制。為將不可見的機械振動轉化為可觀測現象，團隊引入光放大法，在懸臂梁端部設置反射裝置，通過光路放大實時演示振動模式與振幅變化。

該教具在結構設計上仿照古代編鐘形制，將傳統樂器轉化為現代聲學實驗平臺，實現了文化傳承與物理教學的有機統一。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象，達成“聞聲見形”的雙重感知效果。這一設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與傳統器樂文化在物理教育中的深度融合與創新應用。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—聯動”協同機制，激發跨學科創新活力

在實施“競爭—合作—融合—聯動”協同機制中，通過樹立先導團隊，激發群體間的良性競爭，同時強調團隊內部的緊密協作。項目團隊由2～3名不同學科背景的學生構成，實現了深度的學科交叉與能力互補：物理學專業學生負責原理剖析與教學設計；具備機械、光電等工科背景的成員則運用SolidWorks等工業設計軟件進行結構設計，并利用STM32等控制器開發驅動電路與交互功能。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指導，幫助本科生團隊在教具的設計、制作、匯報及科普推廣全過程中協同共進，有力保障了從創意到實物的高質量轉化。

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”單元開發的交互式教學演示教具，旨在系統呈現信息傳遞技術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階段，構建了3個可操作性教學模塊：手搖磁石電話模塊，還原貝爾1876年原型結構，學生可通過搖動發電機產生呼叫電流，理解聲-電轉換機制；有線電話模塊，展示完整的有線語音傳輸系統；無線通信模塊，模擬現代移動通信過程，呈現電磁波作為信息載體的技術優勢。通過模塊化實操，學生可直觀構建從電磁感應到無線通信的物理認知鏈路。

在該教具的研發過程中，項目團隊依托多學科交叉協作機制，實現教具從理念到實物的高質量轉化。物理學專業成員負責理論架構與教學適配性設計，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構建模與集成優化，在融合貝爾電話原型的基礎上，將有線與無線通信模塊整合于一體，兼顧便攜性與現代美學表達；電子信息工程背景成員則負責電路系統構建與程序控制，在手搖與有線模塊中融入基礎電路原理以契合初中認知水平，在無線通信部分則基于STM32平臺開發底層通信協議，在實現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共享與協同創新，具備3D建模、激光切割與嵌入式開發能力的研究生成員，將關鍵技術流程錄制成系列微課，通過“學習通”平臺實現跨團隊知識傳遞。同時，本科課程“中學物理教具設計與實踐”持續整合歷屆優秀作品的開發資料，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創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”雙軌轉化機制，打通教具推廣路徑

創新開發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教具價值。在教學實踐過程中，寧夏大學研發團隊不斷摸索，探索出了“論文化＋專利化”雙軌轉化機制。

案例4. 集成化電磁學演示實驗教具

該教具通過系統整合電磁感應、安培力、互感現象、電動機與發電機原理及電磁阻尼等5個典型電磁學實驗，構建了一個多功能、模塊化的演示平臺[6]。其創新性主要體現在兩方面：一是實現了實驗功能的集成化，通過巧妙的電路設計與開關控制，使教師能夠根據教學需求靈活選擇演示內容，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、現象明顯，具備良好的教學適應性與推廣價值，充分體現了“以簡馭繁”的教學設計理念，為中學物理實驗教學的創新提供了可借鑒的實踐范例。

案例5. 磁體磁性與溫度關系演示儀

該教具展現了基于Arduino UNO開發板，集成LM-35溫度傳感器與KY-024霍爾傳感器構建的一套完整的磁-溫特性測量系統[7]，突破了傳統磁學實驗僅能定性演示的局限，實現了磁感應強度的定量測量，并通過實驗數據直觀驗證了安培分子電流假說。研究顯示，在25～60℃范圍內，螺線管內部磁感應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新的技術路徑與方法支持。

案例6. 靜電綜合創新教具

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，通過精心設計的實驗裝置將抽象的電荷相互作用原理轉化為直觀可觀察的現象。“靜電跑道”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象，直觀展現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學生興趣，又能作為探究項目促進學生科學思維發展，有效解決了靜電教學中看不見、摸不著的難點，為建構探究型課堂提供了有力支持，體現了“在做中學”的教育理念，對培養學生物理核心素養具有重要價值。

案例4—6所涉及的教具皆通過發表論文的方式展現了教具開發成果，而前述“氫原子光譜演示儀”與“現代編鐘——聲現象演示儀”等代表性教具則通過系統申報國家發明專利、實用新型專利，力求實現從創意研發到知識產權保護的重要跨越。此外，寧夏大學的研發團隊正積極推進與地方教育裝備企業的產學研合作，就教具的工藝優化、成本控制及教學適配性開展深入對接，旨在推動創新教具從原型樣品走向批量生產與市場推廣，從而構建起“創新研發—產權保護—產品轉化—教學應用”的完整閉環，為中學物理實驗教學提供高質量、低成本、可推廣的優質教學資源。

圖3　氫原子光譜演示儀（左）與傳統階梯能級模型（右）

圖4　現代編鐘——聲現象演示儀

以主題科普實踐驅動物理教具創新，服務科學教育

為服務新時代國家科學教育戰略，寧夏大學項目團隊依托自主研發的創新物理教具，系統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，3年累計開展30余場活動，惠及5?000余名學生，實現教具應用與教育場景的深度融合。在教研層面，形成了本碩聯動的良性機制，研究生通過“理論建模—實踐干預—效果評估”研究框架，開發模塊化教具，推動原理可視化；本科生參與科普方案策劃、本土化教具設計與活動主講。二者構建的“科教實踐—教具創新”反饋閉環，既為科普活動提供學術支撐，又持續反哺教具的迭代優化，實現了教學實踐與科研創新的雙向促進。

總結

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

然而，當前模式在跨學科深度融合、專利成果市場轉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實技術在智能教具開發中的應用，提升教具的交互性與情境化水平；其二，健全校企合作機制，加速優秀教具的產品化與市場化進程；其三，構建以核心素養為導向的多維、長效評價體系，科學評估模式的育人成效。通過持續優化，本模式有望為基礎教育階段的實驗教學改革與創新型師范人才培養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，國務院.教育強國建設規劃綱要（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用探究[J]．現代教育技術，2019，29（9）：53-58．

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

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

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

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來源 | 《中國科技教育》2025-10

編輯 | 孟想

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