作者
范春赟 刘 衡 王大浩 高永伟*
（宁夏大学物理学院；*通讯作者）
摘要：本研究以中学物理教具设计与实践为例，构建“理论学习—教具创新—成果转化／科教实践—教具创新”的教具开发与社会实践模式。该模式基于STEAM教育理念和PBL教学法，通过设置模块化进阶式课程体系、搭建“双赛双创双阵地”创新平台、推行“竞争—合作—融合—联动”协同机制、实行“论文化＋专利化”双轨转化机制并打通从教具创新到社会实践的有效路径，实现知识与能力双向进阶，为适应新时代基础教育人才培养提供可推广范式。
关键词：核心素养 数智教育 教具创新 课程建设 科教实践
引言
《义务教育物理课程标准（2022年版）》[1]和《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》[2]对动手操作、情境创设、跨学科实践及课程资源开发等方面提出了明确要求。2025年1月，中共中央、国务院印发的《教育强国建设规划纲要（2024—2035年）》进一步强调了教育数字化、智能化发展及学生动手实践能力培养[3]。物理教具作为情境创设、跨学科实践及课程资源开发的核心载体，其价值超越教具本身，创新开发中学物理教具已经成为融合知识、能力培养及创新数智思维培养的重要渠道。
为应对教育数智化转型需求，提升师范生数智教育素养与创新能力，通过构建本硕实践课程体系、搭建全链条平台、推动产学研用融合，形成“理论学习—教具创新—成果转化／科教实践—教具创新”的中学物理实验教具创新开发模式。本文将结合具体教具案例，从课程体系、平台机制、协同路径与成果转化4个方面（见图1），系统阐述该模式的开发策略与实践成效。
图1 中学物理教具创新开发模式
中学物理教具创新开发策略
基于STEAM教育理念构建进阶式课程体系，夯实创新培养根基
STEAM教育理念是一种跨学科整合的教育模式，其核心在于融合科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Art）和数学（Mathematics）五大领域，旨在培养学生解决实际问题的综合能力[4]。基于此理念构建的教具创新与实践课程，致力于培养能够适应教育数智化时代的创新者与问题解决者。项目式教学法（PBL）作为一种以学生为中心的教学模式，通过引导学生动手解决真实问题，实现从规划、执行到成果展示的全流程探索，有效推动从知识学习向能力培养的转化[5]。
为物理学专业（师范）与学科教学（物理）硕士专业分别开设的“中学物理教具设计与实践”“中学物理实验设计与教学”课程，均基于STEAM与PBL理念，构建了“基础认知—优化设计—创新开发”的进阶式课程框架。该课程体系的成效直接体现在学生开发的创新教具上。
案例1. 教具“氢原子光谱演示仪”
该教具源自课程高级阶段的综合设计任务，其研发聚焦“电子跃迁”这一教学难点，系统整合物理原理（科学）、3D建模与打印（技术与工程）、单片机编程（技术／数学）及结构美学（艺术），成功将微观抽象量子概念转化为直观的彩色光谱，是STEAM教育理念在物理教具开发中的典型实践。
研发团队在项目立项阶段即确立了“立足教学实际、突破认知瓶颈”的设计导向。通过系统分析现有教具，发现传统“阶梯能级模型”虽能模拟电子能级跃迁，但存在明显局限，即仅以机械滚动模拟过程，无法体现轨道量子化本质，更难以展示跃迁过程中的电磁波辐射现象，导致学生对“电子跃迁释放能量而原子不坍缩”这一量子特性理解困难。
针对上述教学痛点，团队以人教版高中《物理》（选择性必修三）第四章“玻尔氢原子理论”为蓝本，进行了系统性创新设计。从巴尔末公式出发，设置4条特定颜色灯带对应巴尔末系谱线；通过单片机编程实现电子跃迁的随机发光演示，直观呈现电磁波辐射的量子化特征；在结构设计中明确标注不同轨道能级，构建了支持探究式教学的功能框架。该教具使抽象的量子规律转化为可观测、可推导的视觉现象，有效帮助学生通过光谱分析理解能量量子化概念，为微观物理知识体系构建奠定了坚实的认知基础。在第九届“华夏杯”全国物理教学创新大赛科普作品赛道中，该教具荣获一等奖并被推荐为优秀作品进行展示。
搭建“双赛双创双阵地”平台，为教具创新提供全过程支撑
“华夏杯”全国物理教学创新大赛与“格致杯”物理师范生教学技能展评活动，作为国内物理教育领域的重要竞赛，有效构建了“以赛促学、以赛促创”的实践机制，而学校层面设立的“双创”（大学生与研究生创新项目）平台，则为教具研发提供了稳定的项目孵化与资金支持。在宁夏大学，“中学物理教具设计与制作室”作为实体研发主阵地，配备了3D打印机、激光切割机、台钻等数字化与机械化制造设备，有力支撑了多类创新教具的实物转化。此外，物理学院设立了“宁夏物理微科普”微信公众号运营团队，以图文、视频等多模态形式，系统展示教具的设计理念与应用场景，形成了创新成果从研发、制作到区域推广的完整闭环，显著提升了教具开发的实效性与辐射力。
案例2. 教具“现代编钟——声现象演示仪”
该教具在研发过程中依托研究生创新项目立项支持，系统融合传统工艺与现代制造技术，构建了兼具文化内涵与科学探究功能的教学载体。在制作工艺方面，团队运用3D打印技术一体成型编钟钟架主体，确保结构稳定与形态还原；同时对发声腔体模块采用激光切割工艺精密加工，保障声学组件的尺寸精度与振动特性。在声学机制设计上，教具基于悬臂梁共振理论，选用高弹性模量的碳纤维杆作为核心振动单元，通过调节其长度与固定方式实现对不同频率共振行为的控制。为将不可见的机械振动转化为可观测现象，团队引入光放大法，在悬臂梁端部设置反射装置，通过光路放大实时演示振动模式与振幅变化。
该教具在结构设计上仿照古代编钟形制，将传统乐器转化为现代声学实验平台，实现了文化传承与物理教学的有机统一。在教学实践中，学生既能聆听不同频率下的声音变化，又能通过光路轨迹直观观察共振现象，达成“闻声见形”的双重感知效果。这一设计不仅深化了对声波特性、机械共振等物理概念的理解，更彰显了在教育新时代背景下先进制造技术与传统器乐文化在物理教育中的深度融合与创新应用。该教具在第十五届“格致杯”物理师范生教学技能展评活动教具赛道上荣获一等奖。
推行“竞争—合作—融合—联动”协同机制，激发跨学科创新活力
在实施“竞争—合作—融合—联动”协同机制中，通过树立先导团队，激发群体间的良性竞争，同时强调团队内部的紧密协作。项目团队由2～3名不同学科背景的学生构成，实现了深度的学科交叉与能力互补：物理学专业学生负责原理剖析与教学设计；具备机械、光电等工科背景的成员则运用SolidWorks等工业设计软件进行结构设计，并利用STM32等控制器开发驱动电路与交互功能。研究生团队在教具制作的实践中为本科生提供理论与技术指导，帮助本科生团队在教具的设计、制作、汇报及科普推广全过程中协同共进，有力保障了从创意到实物的高质量转化。
案例3. 通信时光机
这是一款面向人教版初中《物理》“信息的传递”单元开发的交互式教学演示教具，旨在系统呈现信息传递技术从物理媒介到电磁通信的历史演进与原理跃迁。该教具围绕有线通信与无线通信两大技术阶段，构建了3个可操作性教学模块：手摇磁石电话模块，还原贝尔1876年原型结构，学生可通过摇动发电机产生呼叫电流，理解声-电转换机制；有线电话模块，展示完整的有线语音传输系统；无线通信模块，模拟现代移动通信过程，呈现电磁波作为信息载体的技术优势。通过模块化实操，学生可直观构建从电磁感应到无线通信的物理认知链路。
在该教具的研发过程中，项目团队依托多学科交叉协作机制，实现教具从理念到实物的高质量转化。物理学专业成员负责理论架构与教学适配性设计，确保教具的科学性与教学实用性；机械工程背景成员主导教具的结构建模与集成优化，在融合贝尔电话原型的基础上，将有线与无线通信模块整合于一体，兼顾便携性与现代美学表达；电子信息工程背景成员则负责电路系统构建与程序控制，在手摇与有线模块中融入基础电路原理以契合初中认知水平，在无线通信部分则基于STM32平台开发底层通信协议，在实现拨号通信功能的同时，也为学有余力的学生提供拓展编程的实践接口。该教具荣获第十六届“格致杯”物理师范生教学技能展评活动教具赛道一等奖。
此外，为促进团队间的技术共享与协同创新，具备3D建模、激光切割与嵌入式开发能力的研究生成员，将关键技术流程录制成系列微课，通过“学习通”平台实现跨团队知识传递。同时，本科课程“中学物理教具设计与实践”持续整合历届优秀作品的开发资料，形成可迭代、可复用的教学资源库，为新时代教育背景下物理教具的持续创新提供了有效支撑与实践范式。
图2 通信时光机
实行“论文化＋专利化”双轨转化机制，打通教具推广路径
创新开发教具的意义在于有效帮助受教育者理解抽象物理原理，只有通过不断推广让其进入物理课堂才能实现教具价值。在教学实践过程中，宁夏大学研发团队不断摸索，探索出了“论文化＋专利化”双轨转化机制。
案例4. 集成化电磁学演示实验教具
该教具通过系统整合电磁感应、安培力、互感现象、电动机与发电机原理及电磁阻尼等5个典型电磁学实验，构建了一个多功能、模块化的演示平台[6]。其创新性主要体现在两方面：一是实现了实验功能的集成化，通过巧妙的电路设计与开关控制，使教师能够根据教学需求灵活选择演示内容，显著提高了实验效率与仪器使用率；二是推行了说明材料的立体化，结合图文说明与操作视频，形成直观易懂的教学指导资源，降低了实验教学的操作门槛。该教具在设计上注重教学实用性与原理透明度，所有元件可见可触，避免“黑箱”操作，有助于学生建立完整的物理图像。其制作成本低、操作简便、现象明显，具备良好的教学适应性与推广价值，充分体现了“以简驭繁”的教学设计理念，为中学物理实验教学的创新提供了可借鉴的实践范例。
案例5. 磁体磁性与温度关系演示仪
该教具展现了基于Arduino UNO开发板，集成LM-35温度传感器与KY-024霍尔传感器构建的一套完整的磁-温特性测量系统[7]，突破了传统磁学实验仅能定性演示的局限，实现了磁感应强度的定量测量，并通过实验数据直观验证了安培分子电流假说。研究显示，在25～60℃范围内，螺线管内部磁感应强度随温度升高呈线性下降趋势。该装置兼具成本低、操作简便、可视化程度高等特点，为中学电磁学实验教学提供了创新的技术路径与方法支持。
案例6. 静电综合创新教具
该教具针对中学静电教学中概念抽象、学生理解困难的问题，通过精心设计的实验装置将抽象的电荷相互作用原理转化为直观可观察的现象。“静电跑道”教具通过静电魔法棒、铝箔轨道和带电小球的巧妙组合，生动演示了接触起电、感应起电，以及电荷间相互作用的全过程；“悬浮静电泡”教具则利用带电泡泡的悬浮现象，直观展现了同种电荷相斥的物理原理。两套教具均采用低成本材料制作，兼具安全性与可操作性[8]。在教学实践中，这些教具既能作为课堂引入激发学生兴趣，又能作为探究项目促进学生科学思维发展，有效解决了静电教学中看不见、摸不着的难点，为建构探究型课堂提供了有力支持，体现了“在做中学”的教育理念，对培养学生物理核心素养具有重要价值。
案例4—6所涉及的教具皆通过发表论文的方式展现了教具开发成果，而前述“氢原子光谱演示仪”与“现代编钟——声现象演示仪”等代表性教具则通过系统申报国家发明专利、实用新型专利，力求实现从创意研发到知识产权保护的重要跨越。此外，宁夏大学的研发团队正积极推进与地方教育装备企业的产学研合作，就教具的工艺优化、成本控制及教学适配性开展深入对接，旨在推动创新教具从原型样品走向批量生产与市场推广，从而构建起“创新研发—产权保护—产品转化—教学应用”的完整闭环，为中学物理实验教学提供高质量、低成本、可推广的优质教学资源。
图3 氢原子光谱演示仪（左）与传统阶梯能级模型（右）
图4 现代编钟——声现象演示仪
以主题科普实践驱动物理教具创新，服务科学教育
为服务新时代国家科学教育战略，宁夏大学项目团队依托自主研发的创新物理教具，系统性开展中小学科普实践活动。通过负责人兼任附属中小学科学副校长，组织本硕学生深入17所中小学及社区，3年累计开展30余场活动，惠及5 000余名学生，实现教具应用与教育场景的深度融合。在教研层面，形成了本硕联动的良性机制，研究生通过“理论建模—实践干预—效果评估”研究框架，开发模块化教具，推动原理可视化；本科生参与科普方案策划、本土化教具设计与活动主讲。二者构建的“科教实践—教具创新”反馈闭环，既为科普活动提供学术支撑，又持续反哺教具的迭代优化，实现了教学实践与科研创新的双向促进。
总结
本研究构建并实践了“理论学习—教具创新—成果转化／科教实践—教具创新”的中学物理实验教具创新开发模式。该模式以STEAM与PBL理念重塑课程体系，以“双赛双创双阵地”搭建全链条平台，以“竞争—合作—融合—联动”机制激发团队效能，并以“论文化＋专利化”双轨制打通成果转化路径。通过一系列电磁学、静电学创新教具的成功开发与转化表明，该模式有效提升了师范生的创新实践能力与数智素养，形成了理论指导实践、实践反哺创新的良性循环。
然而，当前模式在跨学科深度融合、专利成果市场转化率及长效量化评价体系方面仍存提升空间。未来，我们将着力于三方面深化研究，其一，深化人工智能与虚拟现实技术在智能教具开发中的应用，提升教具的交互性与情境化水平；其二，健全校企合作机制，加速优秀教具的产品化与市场化进程；其三，构建以核心素养为导向的多维、长效评价体系，科学评估模式的育人成效。通过持续优化，本模式有望为基础教育阶段的实验教学改革与创新型师范人才培养提供更具价值的范式参考。
参考文献
[1] 中华人民共和国教育部．义务教育物理课程标准（2022年版）[S]．北京：人民教育出版社，2022．
[2] 中华人民共和国教育部．普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）[S]．北京：人民教育出版社，2020．
[3] 中共中央，国务院.教育强国建设规划纲要（2024—2035年）[EB/OL]．（2025-01-19）[2025-06-29]．https://www.gov.cn/zhengce/202501/content_6999913.htm．
[4] 李学书．STEAM跨学科课程：整合理念、模式构建及问题反思[J]．全球教育展望，2019，48（10）：59-72．
[5] 董艳，和静宇．PBL项目式学习在大学教学中的应用探究[J]．现代教育技术，2019，29（9）：53-58．
[6] 项浩原，谢禄桥，陈泓宇，等．创新集成化电磁学演示实验教具的设计与制作[J]．物理通报，2022（2）：121-123+127．
[7] 赖毅标，卢佳文，张宁，等．基于Arduino平台创新实验教具——探究磁体磁性与温度关系[J]．中学理科园地，2023，19（5）：51-53．
[8] 陈泓宇，项浩原，郝睿．自制综合创新教具突破静电教学重点[J]．物理通报，2022（1）：105-108．
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来源 | 《中国科技教育》2025-10
编辑 | 孟想
审校 | 若惜、朱志安