液压传动原理和应用系列教具的设计与应用

吴登平

液压传动原理和应用系列教具的设计与应用

吴登平

（广东石油化工学院 物理系，广东 茂名 525000）

教具的系列化设计突破了技术化和经验化倾向，不仅有助于缓解物理教学中实验仪器匮乏的问题，还对促进学生“物理核心素养”的养成具有重要意义．分析了教具制作与使用的现状及存在的问题，提出了自制系列化教具的概念，并结合液压传动的原理和应用实例对自制系列化物理教具的设计与应用进行说明．

自制教具；系列化；液压传动的原理和应用

自制教具是课程资源的重要类别，历来受到教育工作者的关注．自制教具作为低成本实验有助于缓解中学物理教学中实验仪器不足的问题，且具有潜在的深层教育价值和教育功能，有助于学生的发展[1]．关于自制教具的论文和著作数量很多，但研究多集中在自制教具的宏观教育功能的论述和制作方法及使用的技术层面．通过中国知网高级检索功能输入主题词“物理自制教具”（时间限定在2001年1月至2020年），可搜索到203条结果．通过主题词考查其中71篇自制教具论文的研究内容（71篇论文中研究内容有交叉），其中涉及自制教具教育功能等宏观层面研究的有39篇，教具制作方法及改进的有23篇，关于自制教具应用或应用案例的有12篇，而这12篇基本是对单个教具在具体案例中应用的经验性总结．在搜索结果的基础上，利用中国知网高级搜索的“切换到摘要”功能考查自制教具研究的具体内容，发现大多数研究者将自制教具的开发与利用的目的定位为“弥补实验资源或者课程资源的短缺、作为课程资源短缺的补充”；大多数关于自制教具的论述往往只涉及到单一教具的制作和使用等技术和经验性层面，自制教具研究存在技术化和经验化的倾向，所蕴含的教育功能有待进一步挖掘．

系列化自制教具是依据相关学习理论，为创设一系列有助于激发学习者学习动机、促进概念转变的连续完整的问题情境，并为学习者提供具有持续性的经验支持，按照物理原理而自行设计和制作的教具群．教具的系列化设计有别于单一教具的制作及其在教学中的应用，突破了单纯的技术化和经验化倾向，能够更好地发挥自制教具和物理实验的教育功能，对促进学生“核心素养”的养成具有重要意义．

１ 基于学习理论的教具系列化

现代学习理论强调学习的情境性，认为创设一系列基于问题解决的情境是促使学习者实现意义建构的必要前提，是教学设计的重要内容之一．陈峰[2]提出了基于“问题串”的情境教学理论，即“在教学中围绕着特定探究目标，通过设置一系列有针对性的问题引导学生，教师在识别学生反应的基础上，采用有效指导策略，促进学生不断达成探究目标的有效方法”．其中，所设置的一系列有针对性的问题，即为“问题串”．自制系列化教具的优势在于能够创设一系列基于问题的教学情境并通过提供系列化的经验支持，帮助学习者解决这些问题．教具的系列化还能避免由于单一教具之间的切换而引起的思维中断和情境破缺．而且，由于自制系列化教具多源于身边易获得的材料而制成，更能置学习者于真实的物理学习环境之中．

与单一教具相比，系列教具在激发、指向和强化学习动机及学习效果方面也具有独特作用．物理学习是极为复杂的认识活动，要求学习者能够身心投入、坚持不懈，并具有忍受所遭遇的挫折和失败等意志和情感方面的品质．教具的系列化，一方面通过创设一系列基于问题的物理情境，引发学习者的认知失衡，不断激发学习者的学习动机；另一方面通过为学习者提供系列化的经验支持，帮助学习者顺利从认知失衡过渡到认知平衡，获得心理上的成功感和满足感，不断强化其内在学习动机，促进学生学习行为的触发[3]．

系列教具设计和应用基于学习者原有认知结构，既能促使学习者新旧认识的碰撞，又能为学习者提供连贯性支持．一方面，教具系列化在帮助学习者发现原有认知的不足、引发“认知冲突”的同时，通过系列化教具一步步展示新知识的合理性，促进学习者进行理性思维、解决认知冲突，帮助其顺利完成对新知识的“顺应”[4]；另一方面，教具系列化可以在学习者原有认知和学习目标之间提供一系列的经验支持，搭建学生学习的“脚手架”，解决“实际发展水平与潜在发展水平之间的差距”所带来的学习困难，使学习者的认识不断向科学认识发展和拓宽[5]．

2 系列教具的设计与应用示例

围绕液压传动的原理和应用[6]自制教具的系列化设计与应用为例，说明系列化教具的设计、开发与应用．

2.1 系列化教具需求分析

通过对课程内容和学生心理特点的分析，说明教学实践中系列化教具设计和应用的必要性．

2.1.1 课程内容分析 液压传动的原理和应用在课程内容上呈现出从理论建构到实际应用的逻辑主线，需要学习者逐层建构、逐渐深化对液压传动原理及应用的认识．液压传动的原理既是新知识的学习，又是对液体压强内容的巩固深化，是学习机械工作原理的重要基础，对培养学生实验观察能力和理论推导等有重要作用．液压传动的应用有利于培养学生运用已学知识进行综合分析的能力，而且液压传动与生活、生产联系紧密，充分体现了科学、技术与社会之间的联系，从学习中可以让学生领会物理与技术相结合的魅力，学习这部分知识有着重要的现实意义．

2.1.2 学习心理分析 作为认知主体的高二学生有较强的求知欲和探究问题的积极性，已经具备了一定的抽象思维和分析能力．因此，充分利用学生的这一特点，通过问题情境的创设来激发其学习动机，使学生能够主动思考并积极地参与到学习过程中．此外，学生已经学习了压强和机械传动的相关知识，已经学会利用压力和受力面积来求压强，同时知道常见的几种机械传动方式，在教学过程中要充分利用学生已有知识经验解决问题，让其充分体验到解决问题的成功感和喜悦感．但是，学生虽然对液压传动的应用有一定的了解，但并不能深入理解其工作原理．而且学生综合已学知识进行分析的能力不足，遇到液压千斤顶和液压挖掘机这些复杂的机械会感到困惑，难以通过知识经验分析机械传动原理．因此，在教学中必须借助相关教学手段，采用步步诱导的教学策略，将学生的认知不断引向深入．

液压传动的原理和应用的内容既涉及科学原理，又有技术应用，充分体现了科学、技术与社会三者之间的联系．但对高二学生来说，从复杂的机械中理解并掌握液压传动原理并不容易，而且在学习过程中，既要动脑，又要动手，对学生的要求较高．因此，教学环节易由浅入深，环环相扣．教学中借助系列化教具创设紧密关联的一系列“问题情境”，为学生提供一系列具有认知支架作用和启发意义的感性材料十分必要．

2.2 系列化教具的设计

本示例中的自制教具结构由简单到复杂，涉及的问题由浅入深，遵循由原理到应用的主线索，在认知逻辑、结构和技术应用方面都存在承接关系，并通过3方面的承接关系，帮助学生顺利完成认识过程，从而形成教具的系列化．现将教具的设计、使用方法和意图进行介绍．

2.2.1 简易帕斯卡实验演示仪 简易帕斯卡实验演示仪利用塑料瓶在其四周扎孔制作而成（见图1）．可以形象直观的展示物理现象，帮助学生认识帕斯卡定律，为后续学习做好知识铺垫．

2.2.2 针筒比力器 针筒比力器由大小2个塑料针筒通过PVC软管连接而成（见图2）．教学中，可以请2位学生上台比赛，每人自行选取其中一个针筒，同时用力推动针筒的活塞．学生会发现，选取小针筒者总能获胜．针筒比力器的使用可以充分激发学生学习兴趣，活跃课堂气氛，能够直观地让学生感受液压传动中“小力胜大力”的现象，产生认知冲突，激发学习动机，为新课学习有效创设问题情境．

图1 简易帕斯卡演示仪

图2 针筒比力器

2.2.3 液压传动原理演示仪 液压传动原理演示仪在针筒比力器的基础上增加了支架，在结构上承接针筒比力器的设计，并具有定量分析功能（见图3）．学生观察到，放置在10 mL针筒活塞顶部的50 g砝码能顶起放置在30 mL针筒活塞顶部的100 g砝码．可结合多媒体动画重现这一过程，引导学生进行分析，来解释“小力胜大力”现象，建立对液压传动原理的认知．

2.2.4 自制液压千斤顶模型 自制液压千斤顶模型在液压传动原理演示仪的基础上改造而成，两者在结构和技术应用方面具有承接关系（见图4）．因前面的液压传动装置只有少量水封闭在软管内，要实现通过不断抽压小针筒活塞，把液体压进大针筒，从而将放在大活塞平台上的重物轻易顶起来，还需要在结构和技术上加以改造（增加单向阀）．整个装置容易拆装，结合现场组装过程和“问题串”，引导学生对千斤顶内部结构及其工作原理进行思考，帮助学生从原理掌握顺利过渡到知识应用，同时体会技术中蕴含的智慧，感受科学、技术与社会之间的联系．

图3 液压传动原理演示仪

图4 自制液压千斤顶模型

2.2.5 自制液压挖掘机模型 自制液压挖掘机模型是根据液压传动原理结合前面所展示的教具中的技术应用制作出来的（见图5）．运作时能完成基本的挖掘动作，挖掘功能与现实的挖掘机十分接近，能够让学生直观地认识液压传动的实际应用.

图5 自制液压挖掘机模型

综上可见，从简易帕斯卡实验演示仪到针筒比力器，再从针筒比力计到液压挖掘机，都是从利用前一个教具的问题情境中不断产生新的问题，通过问题的不断解决和延伸而形成的系列化教具．

2.3 系列化教具应用中“问题串”设计及其意图

系列化教具教育功能的有效发挥离不开一系列问题的创设和解决，简单列举液压传动的原理和应用系列教具应用中所涉及的“问题串”的主要内容，并说明其意图（见表1）．

表1 系列教具应用中“问题串”设计及其意图

2.4 基于系列化教具和“问题串”的教学过程设计

基于系列化教具和“问题串”的主要教学环节设计见表2．

表2 主要教学过程示例

续表

3 对系列化教具设计与应用相关问题的说明

3.1 系列教具设计和应用的一般程序

系列化教具设计、开发与应用的一般程序概括为：基于目标的课程内容及学习者心理需求分析→基于问题串的系列教具设计与开发→利用系列教具创设基于“问题串”的学习情境，引发认知失衡，激发学习动机→利用系列教具展现现象，产生认知冲突，搭建支架，促进概念转变→问题解决、知识建构→应用（应用中依然可遵循基于“问题串”的情境创设→激发动机→搭建支架→问题解决→学会应用的基本程序）．

3.2 系列教具设计和应用基本原则

3.2.1 设计性原则 “设计性”意在强调系列教具的设计与应用应超越教具制作的技术层面和经验层面，转向基于学习理论的“以学生为中心、促进学生发展”为核心的教具系列化设计和应用研究．

3.2.2 激发和强化动机原则 教具大都能够激发学习者好奇心、兴趣和求知欲，而系列教具不仅能够以其系列化设计实现对学习者外部学习动机的连续性激发，而且还应该能让学习者在使用系列教具的过程中，不断体验到通过动脑动手完善教具和利用教具自主完成知识建构而获得的成功感，使学习动机得以连续强化，更高效地促使学习者的学习行为由外部动机向内部动机转化．

3.2.3 促进概念转化原则 系列化教具的设计和应用以学习者的原有认知、新旧认知之间的差距或冲突为前提，结合相应的教学策略，有针对性地为学习者提供连续性经验支持，帮助学生更顺利地完成概念转化．

3.2.4 完整性原则 完整性原则，即基于“问题串”的系列化原则．目的是保证创设问题情境的连续性和完整性，尽量避免在教具切换过程中由于问题情境的中断和破缺造成学习思维的中断和学习情境的“失真”，更好地将学习者置于连续、完整和真实的问题情境中，以提高教学和学习效率．

[1] 范增，吴桂平．试论低成本实验在民族地区中学物理教学中的应用[J]．民族教育研究，2013，24（1）：64-67

[2] 陈峰．问题串在探究教学中的应用[J]．课程教材教法，2006（11）：59-62

[3] 梁树森．物理学习论[M]．南宁：广西教育出版社，1996

[4] 阎金铎，郭玉英．中学物理教学概论[M]．北京：高等教育出版社，2009

[5] （美）申克．学习理论：教育的视角[M]．韦小满，译．南京：江苏教育出版社，2003

[6] 广东基础教育课程资源研究开发中心物理教材编写组．物理选修（2-2）[M]．广州：广东教育出版社，2005

Design and application of serialized teaching aids in hydraulic transmission principle and application teaching

WU Dengping

（Department of Physics，Guangdong University of Petrochemical Technology，Maoming 525000，China）

The serialized design of teaching aids breaks through the tendency of technology and experience，which not only helps to alleviate the shortage of experimental instruments in physics teaching，but also has great significance in promoting the cultivation of students′ core physical literacy．Analyzes the present situation and the existing problems of making and using teaching aids，puts forward the concept of self-made serialized teaching aids，and explains the design and application of self-made serialized physical teaching aids by combining the principle of hydraulic transmission and application examples．

self-made teaching aids；serialization；principle and application of hydraulic transmission

O4∶G642.423

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.10.020

1007-9831（2020）10-0090-05

2020-06-23

全国教育科学规划课题“十三五”规划教育部青年课题（EIA160455）——基于“课例研究”理念的职前物理教师培养模式研究

吴登平（1982-），男，山东德州人，副教授，硕士，从事物理教学论、教师教育研究．E-mail：wudengping824@163.com