自制教具与创新能力的培养.doc

自制教具与创新能力的培养01511-28 周烨森摘要: 物理学是一门实验科学,在中学物理教学中,自制教具是一项重要活动。本文从培养学生的认知能力、对科学敏锐的洞察能力以及丰富的想象能力、创新性的思维能力三个方面来阐述自制教具与创新能力培养。关键词: 自制教具创新能力培养一、创新能力随着新世纪和知识经济时代的到来,教育改革已成为世界注目的焦点。素质教育已深入人心,而创新作为素质教育的核心更是倍受关注。学校教育在培养民族创新精神和培养创新人才方面肩负着特殊的使命,是否重视学生创新能力的培养成了传统教育与现代教育的根本区别之一。人们希望学校教育能帮助学生养成一种“以创新的精神获取知识、运用知识的性格,使学生能创造性的应对未来的环境变化”。创新教育是以培养学生的创新精神和创新能力为基本价值取向的,使学生在系统地掌握科学知识的同时发展创新能力。创新教育追求在德智体美全面发展的基础上,激发和培养全体学生的创新精神和创新能力,启发学生创新性地学知识,创造性地应用知识,而不是使学生被动地接受知识、消极地贮存知识。其中物理学科的教学对于培养学生的创新精神和创新能力起着至关重要的作用,因为离开了具体的科学知识,创新教育的实施往往会落入空谈，流于形式。在进一步深化素质教育的今天,众多专家和学者都认为物理教学中学生的创新能力可以概括为对物理知识深刻的认知能力、对科学敏锐的洞察能力以及丰富的想象能力、创新性的思维能力的综合体。其中深刻的认知能力是基础，敏锐的观察能力是关键，创造性的想象能力合创新性的思维能力则是其重要的支柱。二、自制教具众所周知，物理学是一门实验科学,教学仪器是物理教学的“魔杖”，是开展实验教学的必要物质条件，而教具制作便是一种极为有效的途径。在建国以来,我国一直提倡自制教具,广大教育工作者也积极研制和推广自制教具,并发表了大量的著作和论文,从而使我国自制教具久盛不衰,极大地培养了学生的创新能力，将广大学生很好地领进了物理学的殿堂。现在随着世界对教育事业的不断关注和重视，实验教学条件已经有了极大的改观,在很多各种各样设计精巧,制作精良的现代教学仪器,还有丰富的实验教学软件可供教师使用。自制教具是不是已完成了它的历史使命,是否已经不在需要他来培养学学生的创新能力了呢?对此请先看看当今世界中学物理教学自制教具(国外称低成本实验)的形势,就可以剖析出自制教具今后发展的趋势。现在欧美、日本、加拿大等发达国家的中学物理教学已将学生实验作为教学的主要内容,如德国的国民教育中物理课程(相当我国初中)共安排实验343个,其中除48个出于安全和技术设备等方面原因由教师演示外,其余295个实验均由学生完成(占总数的86.1%)，目的就是为了极大得培养学生的创新能力。英国中学低年级物理教学也都以学生实验开路,他们每节课有2-3个学生实验。据英国对中学物理课的统计:低年级(11-14岁)学生实验占课时70-80%,高年级(15-16岁)占25-50%，目的还是为了极大得培养学生的创新能力。我国香港初中物理教材中的每个问题几乎都要由学生自己通过做实验进行认识;台湾省明文规定初中物理实验时间不得少于物理上课时间的二分之一，目的也是为了极大得培养学生的创新能力。从国外考察归来的一些人员说：在发达国家和地区的中学物理实验室里,随处可以看到一些简单的自制教具,学生常用自己制作的教具做实验,进行学习，他们的教师都非常注重对学生创新能力的培养。麦克斯韦也曾说过“实验的教育价值与仪器的复杂性成反比,学生自制的仪器,虽然经常出毛病,但它却会比用仔细调节好的仪器能学到更多的东西”。从这里我们都可以明显地发现教具制作在当今物理教学中的巨大作用。我国目前正在贯彻素质教育,开展“活动课”和加强“边学边实验”教学,这些教学活动需要大量器材,而这些器材又是多而杂,要全部靠学校来配备是不现实的,所以需要广泛发动广大师生来自制教具、学具来满足教学的需要，这样既解决了燃眉之急，又培养了学生的创新能力。 三、自制教具与创新能力1、 自制教具可以激发学生的自主独立性，进而培养他们的认知能力。（）、我们用国际委员、著名物理教育专家,美国马里兰大学的教授等设计的一份旨在探查学生对物理课程的认知期望的调查问卷先后对我国的351名大、中学生和86名初、高中青年物理教师进行了调查和访谈,并对结果进行了分析,还与美国的调查结果进行了比较。研究表明:我们的学生包括教师在对学习的理解上与物理教育专家还有很大差距,特别是在对问卷中的“自主性组”问题的回答上,不止是与物理教育专家,我们的学生和教师与美国的学生和教师也有较大差距。问卷中的“自主性组”包括6个问题,分别从不同的角度探查学生对学习的态度“是主动建构对知识的理解,还是不加评价地相信权威资料(教师、课本等)”。我们调查的几个样本回答“同意/不同意”专家结果的百分比分别是:高中教师“47/35”,初中教师“48/30”,四年级师范本科生“36/41”,高二学生“43/30”,高三学生“29/38”。即我们的教师样本也只有不到50%的人与专家的观点一致,而美国同行的这一比例为75%。上述调查结果表明,我们的教师和学生学习的自主独立性还很不够,这将成为妨碍创新能力发展的重要因素。因为自主是创新的前提,没有自主就谈不上创新,创新实际上就是自主性的展现。只有自主与创新的统一才能形成适应时代发展的进取型的人格精神。为了解决这个问题我们就必须利用自制教具，来激发学生的自主性。（）、利用教具制作,以学生为主体由易到难循序渐进进行操作。例如:讲授“光的色散”时,可以让学生做这样一个小实验,用玻璃杯盛满清水,放在通过窗上射入窗内的阳光下,可以在墙上呈现出色彩绚丽的光。例如:讲到平动物体所受静摩擦力的大小和方向时,由于相互作用的两物体相对运动的趋势引起接触处的形变不易观察,不能从外部直接观察其内部状态的改变,因而学生缺乏形象的感性认识,导致思维障碍,不利于概念的建立,若指导学生利用图2特制的长毛刷来做实验。就能把接触处的形变模拟出来来,并在空间上加以放大,从实验中就可以判断静摩擦力的大小和方向,通过开发新实验,学生就比较容易掌握所讲内容。这样一来，学生的自主性就会又很大的提高。自然而然，认知能力必然也就加强了，创新能力也无形中得到了提高。（、）麦克斯韦说过“实验的教育价值与仪器的复杂性成反比,学生自制的仪器,虽然经常出毛病,但它却会比用仔细调节好的仪器能学到更多的东西”。在中学实验室里教学仪器数量有限,使用一般都强调要按步骤操作,如果非正常损坏,则要赔偿,甚至罚款。因此,学生普遍存在害怕心理,使用时小心谨慎,不敢越雷池一步。学生处于被动实验状态,学习的积极性和主动性受到了压制。而自制教具取材容易,制作简单,损坏了可以再制作,这是商品仪器无法比拟的,它能有效地提高了学生的学习积极性和自主性。另外,学生通过自制的教具,能加深对教材内容的深入理解。如在“音调”的学习中,学生通过课后的小制作,小实验,就可以知道古代的编钟为什么能产生美妙的音乐。2、 自制教具可以激发学生学习物理的兴趣，进而培养他们的对科学的洞察能力。让我们做一个试验，假如对某个人施行催眠术，给他一种所谓消极的幻觉的暗示，那么他就会连眼前的人和物都看不到。如果我们的物理教学长期迷失在理论之中，变成这种“催眠术”的教育，那将多么可怕。也就是说，我们的物理教学决不能使学生陷入这种消极的幻觉状态中。物理教育的真正目的，就是要学生打开智慧的天窗，培养学生对科学敏锐的洞察能力，进而认识世界，使他们走上社会能够敏锐地观察到社会上的坏事，洞察出社会上的矛盾与缺陷。因此也就需要自制教具将物理教学从枯燥的理论中解放出来。（）、然而现在,不少地方,在物理学习中,一味地用考试的方法和分数奖惩的手段,使学生与物理习处于对立状态,其结果难于形成持久的学习动机,喜爱物理学的人越来越少.这对物理教育工作者来说,不能不说是一种悲哀.。如何来扭转这种局面，使学生喜欢物理，钻研物理，精通物理，已经成为一个刻不容缓的问题，如何解决呢？这就需要教具来帮我们架起通往物理世界的的桥梁。例如，在讲“大气压强”时,取两个粗细差别不大的试管套起来,并在它们的间隙中倒进些水,当把两套着的试管忽而倒过来朝下时,学生会想到细试管要掉到地上,可是,细试管却徐徐上升,意外的结果有力地诱发了他们的学习兴趣。再如我在做液体沸点和气压关系的实验时作了改进, ,演示过程如下:在两只烧瓶里装上适量的水,让温度计的玻璃泡完全浸没在水中,然后给左烧瓶加热,由于空气受热膨胀,左瓶中一部分空气通过导管流到右瓶里,使左瓶的气压减小,而右瓶气压增大,加热一段时间后,用夹子夹紧橡皮管。用酒精灯同时给左右烧瓶加热,直到水沸腾,读下左右温度计示数大约为94和105停止给右烧瓶加热, 松开橡皮管上的夹子,使右瓶里一部分气体流到左瓶里,此时,右烧瓶的水又会沸腾,而左烧瓶的水却停止沸腾。这充分说明了液体的沸点随气压的增大而升高,随气压的减小而降低。该实验直观性、对比性强,器材简单易得,效果特别好。（）、例如，在讲述“二氧化碳的性质”时,两支点燃的蜡烛,一高一低,欲用一只透明的可乐瓶制的罩子将它图们罩起来,问哪一支蜡烛先熄灭?绝大多数学生回答:“低的先熄灭”.也有少数人说高的先熄灭,但说不清理由.为什么说低的先灭呢?学生回答,因为二氧化碳不助燃,二氧化碳比空气重,它将沉于下方,因此低的先熄灭.但实验的结果却是高的先熄灭.学生感到惊奇和不可思议.似乎他们的论据是正确的,推证的逻辑也是正确的,为什么实验的结果却否定了这种判断呢?原来,他们把“二氧化碳比空气重”作为判断的论据,但却忽视了这一论据的条件,那就是必须保持相同温度,而实验中的二氧化碳是在燃烧中产生的,它的温度远比周围空气的温度高.通过自制教具的演示，学生这种惊讶和不可思议的感受，将大大激发他们学习物理的兴趣，提供他们对物理知识进行不断的学习的动力，使自身的洞察能力不断的得到增强。其实我们大家都知道在教学的实验中出现意想不到现象的例子是数不胜数的.正因为实验如此之“活”,学生的洞察能力才至关重要，只有具有良好的洞察能力，对于所获得的知识才不会僵死。（3）、例如:初中物理教学中液体对容器底面压力问题历来是教学中学生难以理解的难点。相同底面的容器、相同质量的同种液体,由于容器形状不同,液体的深度不同,液体对容器底面的压力也不同,这个问题学生历来感到抽象不好理解,据了解有些学生通过观察和分析，自制了“液体对容器底部的压力演示器”, 整体装置如图:（尺寸单位）仪器所需材料及实验步骤:（）、该仪器采用厚度为-无色有机玻璃板,尺寸见图所示,图中处采用自行车的内胎片。（）、实验步骤:、安装好仪器各部件,用黄油涂在各抽板接口处,以防漏水。、把一定量的有色液体（可在水中注入少许的墨水）倒入容器内,指针即有一定数据（这数据大于一定液体的重量）。、抽出两板、,液体进入另一形状容器,指针指示另一数据（其值等于液体重量）。、抽出另两抽板、,液体则又进入另一形状容器,指针数据又一次变化（其值小于液体重量）。从本实验可以观察到,一定量液体对于底面积相同,形状不同的容器,底部所受的压力大小不同。其大小取决于液体到容器底部的垂直距离（即深度）,而与容器形状无关,且也与液体重量无关。直观形象地演示了液体对容器底的压力不一定等于液体的重量,在教学中取得了很好的效果,该演示器现象是非常的明显。这就需要学生具有很强的洞察能力，能够从实际出发、积极探索，大胆积极地改进或自制各种实验教具,提升自身的科学的洞察能力,把自己培养成高素质的物理科技人才。历史上的各种发明创造,都是经过科学家做了大量的探索性实验的基础上,研究总结出来的,只有在善于观察,具有很强的洞察能力的情况下，新的发明和创造才有可能不断产生。例如法拉第在1821年受奥斯特发现电流磁效应的启发,敏锐意识到磁也应该能产生电。在这个洞察能力的帮助下,启动了创造性思维,选择了“磁生电”的创造性研究课题,进行了漫长艰苦的实验探索,终于在1831年发现了电磁感应现象,进而确立了电磁感应的基本规律。那么在中学物理教学中应该怎样培养学生敏锐的洞察能力？俗话说的好:“要想知道葡萄是不是酸的,可以亲口尝一尝”,要想把物理现象认真观察好,最好的办法是自己动手做实验教具来实践一下,初中物理课本上序言中说得好:“我们一定要懂得,只有通过细心观察物理现象和动手实验,才能真正掌握物理知识。” 因此可以说不做实验的物理教学是没有完成教学任务的教学,不做实验的教师是不负责任的教师,不具备实验条件的学校是不合格的学校。我们要理解理论与实践的关系,要培养起实事求是的态度和精神，坚持和学生不断的利用和改善自制教具进行教学。3、自制教具可以使学生拥有丰富的想象能力、同时培养学生创新性的思维能力为了进一步说明自制教具对学生创新能力的培养,我们还用美国的等精心设计的在美国被广泛使用的“力的概念测试”问卷对我国的361名大、中学生和81名初、高中青年物理教师进行了调查、分析和访谈,并与美国的调查结果进行了比较。问卷中的题目大部分都很简单,与我国的传统试题相比没有一道难题,但大部分题目都有一个真实的问题情境,而且同一个概念会在不同的情境中出现。调查表明:我们的教师和学生的总体表现欠佳,尤其是在一些需要运用概念进行推理和情境相对陌生的题目上更是如此。通过访谈和比较我们还发现,美国的学生即便是错了,也往往能说出一番自己思考的依据来,而我们的许多学生都是凭感觉解答。上述调查表明,学生在知识的创新上还存在着很大的困难,有很多学生还存在着死记硬背，动手能力差，知识迁移难想象力不够，创新能力欠缺等问题，这也将成为阻碍学生创新能力发展的重要因素。事实上知识并不是拿来就用,一用就灵的。在知识应用的每个真实问题中,即便所涉及的概念、原理相同,这些概念原理的相互作用模式和背景也往往有其独特之处,知识的应用就是一个创新的过程,是以原有的知识为基础、针对具体情境的再创造。创新的关键不是知识的掌握,而是知识的功用性,即它被合理提取和组织以解决问题的可能性,以及对问题解决的过程、结果进行监控和评价的能力。上述调查结果反映了学生这些能力的欠缺。因此在我国迫切需要发展自制教具来培养广大学生的创造性思维能力。（1）、一件自制教具学具作品的完成,要经过构思、设计、选材、加工和调试等多个环节,并需要反复修改和试用,这是高师学生实践能力难得的锻炼机会;自制教具学具一般不是简单的仪器仿制,从立意、构思、设计到修改试用,在发现问题与解决问题的过程中,就包含有创造性劳动,需要创造精神,这对学生的创新能力的培养无疑是极为有利的。可以说自制教具学具更是中小学全面推进素质教育、培养创新精神和实践能力的一个重要载体。钱临照教授也曾说过:“在物理实验中,如果学生能自已设计一个新方法来阐明这个实验的物理概念,这个新设计的实验,不管如何粗糙,亦应当受到鼓励,因为其中有新思想在里面,表现了学生创新的积极性”。自制教具其实也是一种设计性实验,是一种水平较高,综合性较强,对素质要求较高的实验类型。它主要是按照原理从多角度,多侧面地设计多种实验方法或方案。又根据实验方案科学地编写实验步骤,以实验的要求,自行选用合适的仪器,并创造性地使用器材。对实验原理、实验装置进行综合的分析并对实验加以改进。所有环节的完成都需要学生充分地调动创造性思维能力、敏锐的观察力和丰富的想象力。摆脱掉习惯性思维和传统观念的束缚,通过多方位,多角度思考,以达到理想的境地。在实验设计中要有一定的实验方法和实验方案才能实施,一个实验也往往有多种不同的实验方法。例如：在初中物理的“浮力产生的原因”这一章节中，课本中没有实验，学生对浮力产生的原因是“浸在液体中的物体受到上下底面的压强差”，没有形象认识。因此我们可以指导学生用用有机玻璃自制了一个教具，如图。实验时，把水倒入筒内，开始时，水在筒的上层，木块不浮起，这时木块只受到水向下的压力。当水从漏水孔流入下层，到下层水刚满时，木块立即浮起。说明木块下表面受到了水的压力，且大于木块上表面的压力，合力向上，使木块浮起。为了实验操作时教具美观，实验现象明显，其中器材选用也要讲究。（有机玻璃筒：高以40cm,内直径以16cm为宜。塑料薄板：不透明且有颜色，厚度、边长适宜，中间挖有孔，周围挖几个漏水小孔，用胶把塑料板固定在距离底1/3筒高处。方木块：用密度较小的木头制成，六面要平，边长适宜。排气管：细玻璃管（或塑料管）内径适宜，下端固定在塑料板上，与下层相通，上端与管口齐平。 ）在制作过程中，学生就会遇到许多书本中所没有的问题，他们就会想尽办法，来解决这些问题，从而可以拓宽学生的思维,增强学生的实验设计能力,培养创新性思维，是培养学生创新能力的有效途径。（2）、自制教具可以是学生拥有丰富的想象力。例如在“从匀速转动的伞面边缘甩出的雨滴”,在空中做平抛运动,对于这一运动的水平位移,不少学生认为是雨滴甩落地面形成圆的半径。学生错误的原因在于他们因缺乏空间想像力而未形成正确的立体图象,因此,我们不妨让学生自己动手用粗铁丝制成立体曲线模型,显示雨滴的运动轨迹及相关线段。如图所示。上下两个小圆相同,上圆表示雨伞边缘,下圆表示它在地面的投影。下面的同心大圆表示很多雨滴落地形成的圆。用铁丝制成雨滴下落的抛物线形,固定于相应位置,涂成红色。再固定相关线段,小圆半径、大圆半径及与小圆相切的弦,按图涂成不同颜色。通过这一立体模型,学生清楚地看到,雨滴下落轨迹抛物线的水平位移不是大圆半径,而是与小圆相切的大圆的弦的一半。在学习知识的同时，很好地培养了他们的空间想象能力。（3）、自制教具是一种科学研究自制教具的过程，是一个创新的过程,它要根据教学需要结合实际,进行巧妙构思,找材料(特别是代用品)进行加工试验,不断改进探索的过程。优秀自制教具很受有关教育主管部门的重视,常被评为科研奖。有的优秀自制教具已被厂家采纳作为定型产品生产。如冲击摆实验器、平抛物体实验仪、气体定律实验器、压缩空气引火仪、可变内阻电池、光电效应实验仪等等。自制教具历来就是教学仪器研制、改进的源泉。我们提倡自制教具并不是说一切物理仪器都可以自制,有些基本物理仪器不易自制或不宜自制。如天平、刻度尺、量筒、电表、打点计时器、变阻器、低压电源、静电感应起电机等。据初步研究确定初中23种、高中35种仪器,需要集中财力有计划地逐步购置齐全,以保证广大中学顺利开展物理实验教学,其他部分一般都可以自制,以缓解经费不足的困境。美国科学教育家赫德指出:“科学教育应与当代科学实践以及科学特质相协调”,当今科学实践的显著变化之一就是“人们对于建立新的理论和定律的努力减少了,今天人们更加关注科学技术对人类福利、经济发展、社会进步和提高生活质量等方面的作用”。这就是技术创新。技术创新能力是未来世界竞争的焦点和核心,因此美国的2061计划将“技术”单独突出,强调合理应用科学技术信息、工具和技能解决实际问题的能力。知识的应用就是创新的过程,而教具就是学生的创新的过程，因为从认知心理学的角度看,教具制作就是学生运用新的方法把知识结构与其他图式结合起来产生新的联结和意义的过程。自制教具培养学生的创新能力,可以改变传统的自下而上的教学设计,而是使教学自上而下的展开。即首先呈现真实的整体性的问题,让学生与教师一起通过探究来解决问题。在问题解决的过程中发现所需要的新的知识技能,并在掌握这些知识技能的基础上最终使问题得以解决，使创新能力得以不断提升。这样不但可以使物理教学成为促进学生认知发展的动力,更重要的是可以使学生在共同探究问题解决的过程中真正形成知识的应用和创新的体验，为学生的终身发展打下了一个很好的基础。四、引导学生积极参与教具制作，走进物理教学的新时代。虽然自制教具在这些年得到了较好的发展，取得了很多成果，但是与发达国家的同行相比较，还很遥远，与我们教学改革的目标也还有一段很长的距离。并且目前中学生对物理学习的概念即物理知识的获取过程还存在着很大的误解,在知识的应用上(不是指解标准化的题目,而是在新的情境下的综合运用)还存在着极大的困难。因此在进行物理教学中以上二者成了阻碍学生创新能力发展的重要因素。针对这些问题，我们就必须利用教具这个良药加以医治，教师要改变传统的知识观，要用自制教具武装我们的教学，要用教具来武装学生的头脑。（1）、改变中学物理课堂满堂灌的教学模式,增加自制教具的发展空间。主要目的是要学生领会自制教具学具在基础教育中的重大意义;使学生明确自制教具学具的基本要求,如:科学性、教育性、安全性、创造性、经济性等;向学生介绍自制教具学具的主要方法,如:缺点列举法、希望点列举法、联想和移植创造法、替代法和模拟法。在此基础上,以课外作业