开设《教具学具创新设计与制作》课程

▶3.1　开设《教具学具创新设计与制作》课程　提升师生创新能力

方成亚

“创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。”当代经济的竞争，其核心在于“创新”；当代科学技术的竞争，其实质也在于“创新”。而当代教育与人才培养的竞争，其目标还在于“创新”。因此，培养具有创新精神和创新能力的高素质人才，是时代赋予教育的重任。而物理实验教学在培养学生的创新精神和创新能力方面，更有独到之处。因为物理学是一门实验科学，物理规律的发现和物理理论的建立都必须以严谨的物理实验为基础，并受实验的检验。因此物理教学已不是单纯地展现物理现象、学习物理规律，它还是提高学生实践能力和创新能力的重要载体。物理实验教学有利于学习科学研究方法、体验科学探究过程、养成实事求是的科学态度；有利于提高实践动手能力，增强创新意识。为此我们从2006年开始增设了《教具学具创新设计与制作》课程。

一、开设《教具学具创新设计与制作》课程的意义

1.有助于学生创新意识的培养

创新意识是一种用新的思路、新的方法去解决问题的意愿和态度。创新意识强的人总能够从不同寻常的独特视角来研究问题，产生强烈的创新欲望和创新勇气。创新意识来自于对问题的质疑，只有善于发现问题和提出问题的人才能引导他们产生创新的冲动。《教具学具创新设计与制作》的物质基础主要来源于生活环境，用它们来呈现物理现象，形成物理概念，探究物理规律，会使学生感到物理学亲近、真实、可靠，会引起学生的兴趣、好奇，会使学生产生动手“做一做”的欲望。只有不断地鼓励学生的好奇心，敢于向传统的方法和权威挑战，才能够不断地激发学生的创新意识。《教具学具创新设计与制作》为学生自主探究、培养学生的问题意识提供了物质条件。由于问题意识基于怀疑精神，表现出探索的品质，也是创新的起点，有了问题意识，他们的创新意识自然增强。

2.有助于学生创新精神的培养

创新精神就是敢于创新。《教具学具创新设计与制作》实验所用材料在生活中容易获得，实验装置易制易修，不怕学生弄坏，便于学生自主实践、亲身体验、动手动脑。同时便于鼓励学生敢于向权威挑战，向教师挑战，敢于标新立异、逾越常规，敢于言别人所未言，做别人所未做的事。尤其需要培养学生在遇到困难时，具有持之以恒地去解决疑难问题、不达目的决不罢休的毅力。增强学生的自信心、探索欲、挑战性及意志力，培养学生的创新精神。从这个角度分析，物理教学中利用“自制教具学具”实验的本身就是结合学科进行创新教育。

3.有利于学生创新思维的发展

创新离不开思维，尤其是发散思维。由于《教具学具创新设计与制作》课程实验是利用生活材料、物品和器具等潜在资源开展的物理实验教学活动，其巧妙的设计、独到的构思，将给学生以创新思维的启发和激励；其不完美、不理想之处又可促使学生产生“如何才能做得更好”的创新动机，特别是《教具学具创新设计与制作》课程实验中蕴含的“它用”、“借用”、“改变”、“扩大”、“缩小”、“代用”、“调整”、“颠倒”、“组合”等丰富的创新思路，无不潜移默化地启迪学生。经常这样做实验，能够促使学生重新思考生活环境中的资源。例如，“用气球、硬币、矿泉水瓶能做物理实验吗？”……这类开放性问题会使学生从新的视角审视环境中的物品和材料，摆脱习惯性思维，并根据材料的功能、结构、形态等为“发散点”，积极提出自己的新观点、新思路和新方法并付诸实践，无疑会使学生的创新思维得到较快发展。

4.有利于学生实践能力的培养

创新离不开实践，实践能力是个体在生活和工作中解决实际问题所显现的综合性能力，它不是由书本传授的，而是在生活经验和实践活动中磨炼出来的；它很难用书面考试衡量其高低，只能通过实践活动来评价；它是个体生活、事业成功的重要影响因素。在《教具学具创新设计与制作》课程实验活动中，学生需要手脑并用解决生活中的物质资源再利用的问题，需要把这些生活中的物质资源进行不同的组合、改制或组装，以完成不同的物理实验，这种接近现实生活的实践活动更能培养学生的实践能力。

二、《教具学具创新设计与制作》课程的常用教学思路

《教具学具创新设计与制作》教学的具体设计，是依据一定的教学与学习理论，遵循设计原则进行的创造性活动。在实际的设计过程中，主要采取两条设计路线或思路进行：一是在实验内容确定的情况下，发散思考周围环境中可利用的资源；二是在给定实验材料、物品等资源的情况下，设想它们可能的实验用途。

1.针对某“实验主题”的教学思路

随着课堂教学改革不断深化，学生的学习，已由偏重于获取知识转向形成学力、由注重继承和接受转向创新和发展。高中教材中的不少实验，其所用的器材、方法、步骤都是有灵活性的，不是一成不变的。

针对某实验主题的《教具学具创新设计与制作》教学方案一般流程如图3-1所示：

图3-1

在确定实验内容的前提下，分析各种备选材料、物品等资源的物理特性，根据实验需要进行发散思维与集中思维，然后对产生的多种方案进行比较，筛选出符合教学目标和设计原则的“自制教具学具”方案，最后是自制与改进。

通常实验选材和设计是紧密联系在一起的，而选择材料的过程分为“初选”和“筛选”两个环节。“初选”过程是将物理属性符合或基本符合实验要求的周围环境材料、物品等列举出来，从物理学的视角对周围环境资源进行价值审视，这是发散思维过程。“筛选”过程侧重从教学与理论出发，分析“初选”出来的各种材料、物品是否符合教学目标要求以及设计的“自制教具学具”方案是否可行或便于实施，这是集中思维的过程。图3-1大体反映了这个设计过程。

例如，学完高二物理第十四章第A、B两节《电磁感应现象》、《感应电流方向》后，有一节复习巩固课，原打算按常规方法进行复习，但笔者认为意义不大，因为电磁感应的计算问题还没有学到，这两节都是有关感应电流的方向以及产生规律的问题。以纯粹的讲解练习方式复习，不如放手让学生做实验进行体验式复习。所以笔者设计了一节以实验为主线的复习课。实验桌上放有很多器材，有的与电磁感应有关，有的与电磁感应无关，笔者给学生的题目是：“不做任何限制，用所给的实验器材你有几种方法可以产生感应电流？”学生接到任务后非常投入，有各种各样的实验设计，并且一边实验一边争论。实验中，不少学生有了新的发现：“原本用来测电流的电流计也能产生电流！原本‘用电来工作’的‘电动机’也可以变成‘发电机’！甚至我们周围微弱的地磁场也能发电！比我们原来备课设计的教学效果还好。”

日常教学中，通过实验设计过程，可以让学生认识物理实验资源的丰富性和广泛性。教师富有创造性地开发和利用这些资源，同时组织学生参与资源的开发和设计，使物理教学过程体现智慧、情感、意义和价值观，达到教与学的互动与协调，促进学生健康和谐发展。

2.针对环境中某具体“实物”的教学思路

这是根据生活与学习环境中的某具体“实物”，通过发散与集中思维思考其实验用途的设计思路，是发展教师的创造性和培育学生的创造意识和能力的一条有效途径。针对某种“实物”进行的《教具学具创新设计与制作》的教学思路用图3-2表示为：

图3-2

生活中的材料、物品、器具等物质资源，除了有其生活用途外，都具有某些物理特性，如外观形状、特有的功能、质地、弹性、导电性、导热性等，全面分析和列举这些物质资源的物理特性是有效进行《教具学具创新设计与制作》的基础。环境中某种“实物”的物理特性可以直接用来呈现某些物理教学主题的相关原理，通过人为控制和干预或通过人为改变结构和与其他物组合，形成某种实验器具能呈现预期的物理现象等。

在具体的设计过程中，首先要思考某一具体“实物”的某一物理特性有可能被哪些物理教学主题所用到，将这些特性与教学主题建立对应的联系，这是一个发散与集中思维的过程，接下来才是《教具学具创新设计与制作》的具体设计过程。笔者通过案例来说明设计过程。

硬币是人们生活中不可缺少的随身物品，用其进行简易的《教具学具创新设计与制作》具有很大的便利性。硬币的物理特性是：体积小，外观呈圆盘形，上下表面总体平整，有的硬币边缘光滑，有的呈细齿状。同版相同面值的硬币基本具有相同的物理特性。旧版硬币由铝合金制成，表面因被氧化而失去光泽。新版硬币的材料主要是钛铬合金，密度较大，表面有光泽且不容易被氧化。新旧版硬币都具有良好的导电性、导热性和刚性等。根据硬币的这些物理特性，联想物理教学主题，可以设计以下物理实验方案：

①验证动量守恒定律的实验——方法如图3-3所示：

图3-3

②用硬币做液体表面张力实验——方法如图3-3所示；

③用硬币做接触电阻实验——方法如图3-4所示；

图3-4

④用硬币做电磁阻尼实验——方法如图3-4所示。

用硬币还可做惯性实验、做分子引力实验、做匀速圆周运动向心力规律实验。此外，还可以根据硬币两个面的图案不同，研究大量硬币呈现的概率现象等。可见，一个小小的硬币就可以设计许许多多物理实验。笔者把这个设计过程简要归纳为如图3-5所示：

图3-5

以上是笔者《教具学具创新设计与制作》课程的常用教学思路，是在总结大量设计经验的基础上对开发利用周围环境中的潜在课程资源的新探索。随着教师的积极参与和创造性的发挥，《教具学具创新设计与制作》课程的理论与方法将会不断完善。

三、《教具学具创新设计与制作》课程实施方案

1.课程内容

为了最大限度地提高学生的动手实践能力，增强创新意识。本课程内容包括：

（1）《教具学具的创新设计与制作》的理论基础；

（2）创造学的理论基础；

（3）金属丝、金属板、木料、塑料、玻璃等材料的加工技巧；

（4）教具学具的创新设计与制作。

2.授课方式

对于基本理论的讲解宜采用讲授—讨论法授课，为了提高学生对专题的兴趣，最好是做好每一专题的幻灯片，将理论与已有知识和已有经验相联系，让学生易于理解。

对于材料的加工技巧，宜采用讲授、示范、指导的方式授课，边讲解、边示范、边实践，学生学得既快又好。

对于《教具学具的创新设计与制作》宜采用小组研究性学习的方式进行，其具体实施过程如下：

（1）教师提出课题性问题或任务，学生进行研究性学习。同时，教师要强调实验设计的要求、实验设计制作的注意事项和有关安全事项。

（2）将学生以3～4人随机分成若干小组，让学生根据课题性问题或任务进行独立思考，努力形成各自的实验设计方案。教师深入各组观察学生的实验设计进展情况。每次开始制作之前，都要提醒学生想一想：①这种方法是唯一的吗？能否变一变？②有误差吗？为什么？能减少些吗？③观察是否清楚？有好点子吗？④器材是否合适？有好建议吗？……

（3）当学生独立思考形成各自的实验设计方案后，教师安排学生在小组内进行交流、讨论，对设计的实验方案进行修改、完善，形成小组集体的智慧。教师深入各组倾听讨论，同时，进行必要的指导。

（4）依据教学时间安排具体课堂教学，安排学生轮流发表各组的实验设计方案。最好不要安排原创者本人讲解，而是安排与原创者同组的学生进行讲解，这有助于观察同组学生间是否进行了充分的交流与合作，同时，考查学生是否倾听别人的思考过程。

（5）各组学生倾听所有实验设计方案后，采用“头脑风暴”法，各组学生继续进行交流、探讨，同时完善自己的实验设计方案，并动手制作设计作品，教师巡视，帮助解决制作过程中出现的问题。

（6）分别请各组学生轮流上台，选派代表，进行作品展示，并予以讲解，教师最后对学生设计制作的作品进行点评，表扬他们在实验过程中的闪光点。

在创新设计与制作过程中，教师和学生的地位是平等的，是互相学习、互相交流，共同发展的过程。在此过程中学生的思维不会感到约束，反而如脱缰的野马，思维纵横驰骋，引发许多疑问，学生通过实验探究活动常常提出一些“同中见异、异中见同、平中见奇”的问题，创新思维得到发展，实践能力也得到了锻炼和提高。

3.课程的评价

优质的教学离不开科学的评价，科学合理的评价是教学活动的重要环节，也是教学目标顺利实现的保证。由于传统测验不能全面评价学生在真实世界中的表达能力、创新能力与实践能力等高度综合的重要心智技能，因此对《教具学具的创新设计与制作》课程笔者采用了真实性任务加小论文答辩的考核法。即通过学生解决一个真实性问题，观察其对已有知识的驾驭能力、实践创新能力等；通过对学生小论文的答辩过程观察其思维能力、表达能力等。

而小论文答辩评价形式笔者参照了美国最流行的创造性思维测验（TTCT），它根据被试者回答问题的流畅性、变通性、新颖性和精细性四个维度进行评分。其四个维度的特点如下：

（1）流畅性　流畅性是思维对外界刺激作出反应的能力，它是以思维的量来衡量的，要求思维活动畅通无阻、灵敏迅速，能在短时间内表达较多的概念。比如，请列举“回形针”（再如，“塑料瓶”、“一次性纸杯”、“易拉罐”、“一张报纸”、“一把雨伞”……）的用途，如果你一口气回答很多，说明思维流畅性好。这要求学生能够善于联想，发现规律，这是发散思维的基础要求。

（2）变通性　变通性是指思路开阔，善于根据时间、地点、条件等的变化，迅速灵活地从一个思路跳到另一个思路，从一种意境进入另一种意境，从多角度、多方位地探索、解决问题。思维的变通性是以流畅性为前提的，思维不流畅，自然谈不上变通。从创新的角度而言，变通是关键，也是我们学习和工作取得成功的捷径之一。

（3）新颖性　新颖性是指“与别人看到同样的东西却能想出不同的事物”。思维的新颖性是以独立思考，大胆质疑，不盲从，不迷信权威为前提的，能超越固定的、习惯的认知方式，以前所未有的新角度、新观点去认识事物，提出不为一般人所知的、超乎寻常的新观念。思维的新颖性是流畅性和变通性的归宿，是创造性思维的最高层次。

（4）精细性　精细性是一种补充概念，在原来的构想上再添加新设计，增加有用有趣的细节。亦即“精益求精”、“锦上添花”的能力。

四、《教具学具创新设计与制作》课程有关创新能力的训练方式

1.头脑风暴法

头脑风暴法是由美国著名创造学家奥斯本于20世纪30年代提出的，这种创造技法经过大量的实际应用取得了良好的效果，在世界各地得到迅速推广，并不断发展和完善。头脑风暴法是最早被明确提出的创造技法，在创造技法中也最具代表性。

头脑风暴法的特点是组织一些具有一定专业背景的人员，召开专门会议，造成一种特别的环境，使与会者之间相互激发，造成思想共振，以激发人的潜意识，使之产生更多的新思维、新设想。

头脑风暴法必须遵循的基本原则：

（1）自由畅想原则　要让与会者敞开思想，不受任何传统思维方式和逻辑的约束，抛开各种准则和条条框框，无拘无束、畅所欲言。提出的设想力求新、奇、异，不必顾虑其设想是否“离经叛道”或“荒唐可笑”。

（2）延迟评判原则　即对课堂上学生提出的设想严禁立即给予评价、判断和批评。因为过早的判断、评价和批评会阻碍新观念的产生。

（3）以数量求质量原则　创造性结论的获得是一个逐渐逼近的过程，这就需要足够数量的观点来作为其基础。最初的设想可能是不尽如人意的，但只有不断涌现新观念，就会一步一步地趋向最佳方案。

（4）综合改善原则　要求发言者紧扣主题，充分利用别人的设想进行综合、改进，从而产生新的设想。只有紧扣主题、综合别人的设想，才能真正做到智力的相互激发，取长补短，形成一种新观念发展的“马拉松”，不断逼近创造性的观点。

2.希望点列举法

希望点列举法，则是通过列举新希望以寻找新的发明点的一种创造方法。希望点列举法的实施步骤是：激发人们的希望（可用智力激励法形成一批希望点）——搜集人们的希望——仔细研究人们的希望——创造新产品以满足人们的希望。

3.缺点列举法

缺点列举法，是指积极地寻找并抓住，有时甚至需要去发掘（因为有许多缺点是极不明显的）各种事物的不方便、不得劲、不美观、不实用、不省料、不轻巧、不便宜、不安全、不省力等各种缺点或不足之处，从而确定创造发明目标的一种创造技法。

4.检核目录法

提出问题是发明创造的第一步，但大多数人并不善于提出问题。而源于创造学中多向思维原理的检核目录法，可使人们根据检核项目，一个方面一个方面地提问，即一个思路一个思路地想问题。这样，不仅有利于学生较系统和较周密地想问题，也有利于学生较深入和较细致地提出更多的创造性设想。

美国著名创造工程学家奥斯本在其著作《发挥创造力》一书中，介绍了许多新颖别致的创意技巧，有些就成了后来的各种创造技法的基础。美国创造工程研究所就是从这本书中选择了75个激励思维的思考角度，分成九个方面，编制成《新创意检核用表》，以此作为提示人们进行创造性设想的工具。其九个方面的提问如下：

（1）能否他用？

（2）能否借用？现有的事物能否借用别的经验，现有的发明成果中能否引入其他创造性设想？

（3）能否改变？比如意义、颜色、声音、味道、形状、式样、花色、品种等能否改变，改变后的效果如何。

（4）能否扩大？现有的事物能否扩大应用范围，能否增加使用功能？高度、强度、寿命、价值等能否扩大或增加？

（5）能否缩小？能否微型化，短一点行否，轻一点行否，压缩、分割行否？

（6）能否代用？现有的事物能否用其他材料、其他元件、其他原理、其他方法、其他结构、其他工艺、其他动力、其他设备来代替？

（7）能否调整？现有的事物能否调整布局？

（8）能否颠倒？现有的事物能否从相反方向考虑，如能否上下颠倒，能否正反颠倒？

（9）能否组合？能否方案组合，能否材料组合，能否功能组合？

在发明创造过程中，人们以检核目录的方式进行逐项思考，就会引导创造性思维的有序开发，从而提出新的创意或设想。

5.特性列举法

特性列举法，就是把事物或产品的特性一一列出，然后进行分析、综合，找出实现改革的办法。这种技法也称为“分析创造技法”。运用特性列举法可分以下三步进行：

第一步：确定课题　宜小不宜大，如果是一个比较大的课题，最好分若干个小课题来进行。

第二步：列出特性　将对象的特性列出来，犹如把一架机器分解成一个个零件，每个零件的功能如何，特性怎样，与整体关系如何，都列举出来。主要从事物对象的三个方面进行考虑：（1）名词特性——全体、部分、材料、结构、原理、制造方法等；（2）形容词特性——性质、状态；（3）动词特性——功能。

第三步：分析特性　对能实施的项目提出方案和评价，实施创新。

特性列举法就是从各个特性出发，通过提问的方式，诱发创造性的设想。该方法特别适用于具体事物的革新创造。运用时，解决的问题越小、越简单，就越易获得成功；对大的问题，采用分散的办法，化大为小来处理。

五、《教具学具创新设计与制作》课程实施效果

针对《教具学具创新设计与制作》课程笔者多次做过“选学《教具学具创新设计与制作》课程后你的收获是什么”的调查，学生认为最大收获是：思路敏捷了，想法增多了，考虑问题更全面了；利用生活材料设计物理实验的意识提高了，对同一物理现象可用不同实验和不同方法去验证或探究，会多角度思考生活中常见物品的用途；动手能力增强了，手更巧了；认识到想和做不是一回事，意识到物理实验与生活息息相关；对物理这门课更感兴趣了。

在近几年的研究与实践过程中师生改进与自制的实验有100多个，有四项获得国家专利，2007年参加黄浦区教具比赛有两件获一等奖，两件获二等奖。2007年参加上海市教具比赛有一件获一等奖，一件获二等奖。2007年方成亚和戴建华老师代表上海市参加全国自制教具比赛获一等奖。2009年参加上海市教具比赛有两件获二等奖。

笔者的科研课题“高中新教材物理实验的改进及特色教具自制”和“基于DIS实验的开发研究”皆获2008年黄浦区教科研成果二等奖。课题“高中物理教具学具的改进及效能研究”先后成为2009年度黄浦区的重点课题和2010年度上海市重点课题。

笔者的教科研成果辐射效果也非常显著，不但广泛应用于大境中学物理教学，同时也多次借给大同中学、格致中学、光明中学、市南中学、应昌其围棋学校、储能中学、立达中学等十几所学校使用，都产生较好效果。

但是回顾《教具学具创新设计与制作》课程的实施情况，确实还只能算作初级阶段，特别是课程的系统性方面还存在不少问题，笔者将在以后的实践过程中，继续总结和完善课程内容、上课模式以及考核方式，努力为学生的终身发展奉献一门好课程。

参考文献

［1］上海市教育委员会.普通高中物理课程标准［M］.上海：上海教育出版社，2003

［2］余达金.创造学与创造性思维［M］.北京：原子能出版社，2003

［3］袁张度.创造学与创新方法［M］.上海：上海社会科学院出版社，2010

［4］刘炎松.物理实验创新研究［M］.北京：冶金工业出版社，2009

［5］王力邦.创新教育的理论与实践［M］.北京：北京科学出版社，2009