作者

段滿益1、帥曉紅1、唐世杰2、袁令民1、代珍兵1、王強1、王銳1、王俊濤1、閆從華1

（1. 四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院；2. 成都七中；*通訊作者）

摘要：為弘揚和踐行教育家精神，探索將自制儀器作為重要抓手，豐富特色課程，創(chuàng)新項目化運作之路，提出“精工儀器、洞見本質(zhì)、啟迪未來”的自制儀器理念，并組建了校外中學(xué)教師、校內(nèi)學(xué)科教師與電子信息類專業(yè)教師三位一體的研究共同體，形成了核心環(huán)節(jié)及推廣模式，帶來了課堂教學(xué)與科學(xué)普及的顯著成效。

關(guān)鍵詞：自制儀器　現(xiàn)實動因　運作樣態(tài)　實施成效　科學(xué)普及

2025年初，中共中央、國務(wù)院印發(fā)的《教育強國建設(shè)規(guī)劃綱要（2024—2035年）》，強調(diào)要“提高師范教育辦學(xué)質(zhì)量”[1]。這既是教育強國建設(shè)的重要組成部分，又是師范院校的重要職責(zé)和內(nèi)在要求，對于建設(shè)高素質(zhì)專業(yè)化教師隊伍，具有重要意義。物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，實驗教學(xué)和實驗儀器在物理教育中擁有基礎(chǔ)性地位。自制儀器是對常規(guī)實驗儀器的有效補充，特別是在展示物理圖像和幫助學(xué)生理解物理本質(zhì)方面有著不可替代的作用。作為體現(xiàn)“提高師范教育辦學(xué)質(zhì)量”思路、落實“提高師范教育辦學(xué)質(zhì)量”目標(biāo)的重要抓手，自制儀器的創(chuàng)新實踐不僅有強大的育人功能，而且展示出推動教育生態(tài)優(yōu)化的社會價值。這種將專業(yè)特色與教育規(guī)律深度融合的實踐路徑，已成為四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院持續(xù)探索的重要領(lǐng)域。學(xué)院傳承“精工儀器、洞見本質(zhì)”的優(yōu)良傳統(tǒng)，其研發(fā)成果曾入選教育部《中學(xué)理科儀器配備目錄》，在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛影響。面對新時代教育發(fā)展的新要求，我們不禁思考在教育教學(xué)資源日益豐富的今天，為何仍需堅持自制儀器？這種創(chuàng)新實踐如何通過項目化運作實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展？其在人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新和社會服務(wù)效能提升方面，又蘊含著怎樣的時代價值？針對這些關(guān)鍵命題，四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院立足師范教育本質(zhì)特征，結(jié)合學(xué)科專業(yè)特色優(yōu)勢，開展了系統(tǒng)深入的探索實踐。本文結(jié)合具體案例，就上述問題作初步探討，以期為師范教育創(chuàng)新發(fā)展提供有益參考。

自制儀器的現(xiàn)實動因

作為以培養(yǎng)教師為己任的師范院校，其培養(yǎng)的教師不僅需要寬廣的理論視野，而且也需要深厚的實踐創(chuàng)新能力。但在物理師范生培養(yǎng)過程中，常常面臨3個方面的問題。

部分課堂實驗演示效果差，導(dǎo)致學(xué)生理解物理本質(zhì)難

物理學(xué)作為基礎(chǔ)學(xué)科，具有知識體系龐大、應(yīng)用場景多元的特點，而部分實驗器材存在精度不足、適配性較弱等問題，導(dǎo)致學(xué)生在物理本質(zhì)認知層面存在理解障礙。在物理學(xué)專業(yè)課堂中，部分專業(yè)教師存在重理論推導(dǎo)、輕實驗操作，或用視講實驗、仿真實驗代替真實實驗的做法。對那些在課堂中做實驗或演示實驗的教師而言，也常遇到因儀器的精度或匹配度等原因，導(dǎo)致實驗現(xiàn)象不明顯[2]、演示效果差。此外，不少中學(xué)物理教材中的實驗也存在難演示、難重現(xiàn)的問題。例如，在薄膜干涉實驗中，教材中推薦用肥皂膜或是油膜，但一線教師普遍反映實驗現(xiàn)象不明顯、穩(wěn)定性較差。這就使得無論是大學(xué)課堂還是中學(xué)課堂，都難以借助既有實驗器材幫助學(xué)生透過物理表象深入知識內(nèi)核，導(dǎo)致學(xué)生在知識建構(gòu)過程中容易陷入“知其然而不知其所以然”的學(xué)習(xí)困境，難以形成系統(tǒng)化、深層次的物理認知。

跨專業(yè)報考比例攀升，導(dǎo)致學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)明顯不足

人才培養(yǎng)需要一定的連續(xù)性，專業(yè)訓(xùn)練也需要一定的積累性。但近些年，在報考學(xué)科教學(xué)（物理）方向研究生的考生中，非物理學(xué)專業(yè)的考生比例在不斷攀升。例如，不少考生來自電氣工程、醫(yī)學(xué)和人力資源管理等較大跨度的專業(yè)[3]。由于這類學(xué)生對物理學(xué)科知識“欠賬”太多，對物理學(xué)的學(xué)習(xí)缺乏系統(tǒng)性和縱深性，就使得他們在物理學(xué)專業(yè)知識的積累上，以及專業(yè)技能的訓(xùn)練方面均明顯不足。

大中銜接缺乏抓手，導(dǎo)致人才供需錯位率較大

當(dāng)前，高校與中學(xué)之間存在資源未能有效互通的情況，物理師范生培養(yǎng)也呈現(xiàn)脫節(jié)的態(tài)勢，協(xié)同聯(lián)動不足[4]。從需求側(cè)看，中學(xué)在師資配備上，除了需要常規(guī)的物理學(xué)科教師外，不少優(yōu)質(zhì)中學(xué)還急需能指導(dǎo)奧賽實驗、自制實驗儀器并開展科技創(chuàng)新活動的教師，這就對物理教師及師范生培養(yǎng)提出了更高的要求：不僅需要扎實的專業(yè)知識，還需要具備電子信息、人工智能、機械加工、通用技術(shù)等相關(guān)學(xué)科的知識和素養(yǎng)。而從供給側(cè)看，師范院校在本科生和研究生的培養(yǎng)過程中，由于未能充分對接行業(yè)需求，缺乏有效的跨專業(yè)交叉訓(xùn)練，導(dǎo)致培養(yǎng)出的畢業(yè)生無法完全滿足實際崗位需求，進而錯失了許多高質(zhì)量的就業(yè)機會。

為了解決上述3個方面的問題，四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院不斷尋求自我破解之道。經(jīng)過近50年的嘗試與探索，學(xué)院不僅將自制儀器作為辦學(xué)特色之一，而且還以自制儀器為橋梁和載體，溝通行業(yè)，聯(lián)系中學(xué)，構(gòu)建了較為成熟的本科生—研究生—中學(xué)教師“三層一體化”培養(yǎng)體系，實現(xiàn)了“小馬拉大車”的成效。

自制儀器的運作樣態(tài)

自制儀器的成型并非自然而然的過程，而是主動探索的結(jié)果。這里將呈現(xiàn)四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院如何基于歷史積累與課程重構(gòu)，通過一系列策略探索出項目化運作的基本樣態(tài)，從而將校內(nèi)資源與校外資源、人才培養(yǎng)與社會服務(wù)融合在一起。

自制儀器的歷史積累與課程重構(gòu)

四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院自制儀器的歷史悠久、根深葉茂，大致經(jīng)歷了萌芽初創(chuàng)（1980—2000年）、持續(xù)發(fā)展（2001—2012年）和協(xié)同創(chuàng)新（2013年至今）3個階段，出現(xiàn)了李俊倫、潘學(xué)軍等代表性人物，開創(chuàng)了多門自制儀器特色課程。其中，作為全國首創(chuàng)，學(xué)院開設(shè)的“物理實驗研究與創(chuàng)新”等自制儀器特色課程，將自制儀器與物理課程教學(xué)、公益推廣、科普教育深度融合，實現(xiàn)了自制儀器價值的多樣化、整體化。在此基礎(chǔ)上，學(xué)院依托物理學(xué)、電子、通信等工科專業(yè)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，在常規(guī)專業(yè)課程體系之外，嘗試打破專業(yè)壁壘，著力推進課程重構(gòu)。例如，學(xué)院自主開發(fā)“人工智能與教育大數(shù)據(jù)”課程，并將其與自制儀器相關(guān)課程相結(jié)合，讓人工智能賦能創(chuàng)新實驗項目的開發(fā)與實施。最終形成“物理學(xué)專業(yè)課程＋教育學(xué)相關(guān)課程＋電子信息、人工智能、機械加工、通用技術(shù)課程”的課程結(jié)構(gòu)體系。目前，學(xué)院正規(guī)劃構(gòu)建“微專業(yè)”跨學(xué)科課程體系，擬將多個其他專業(yè)課程納入其中，形成以自制儀器為核心的微專業(yè)課程體系。

圖1　四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院自制儀器發(fā)展的3個階段

自制儀器的共同體組建與項目運作

為了讓自制儀器行穩(wěn)致遠，四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院采取了兩項關(guān)鍵舉措。

一是學(xué)院牽頭組建了“校外中學(xué)教師＋校內(nèi)學(xué)科教學(xué)師生＋電子信息類專業(yè)師生”三位一體的研究共同體。其中，校外中學(xué)教師提供一線教學(xué)痛點、難點，校內(nèi)學(xué)科教學(xué)師生進行問題識別與學(xué)理剖析，電子信息類專業(yè)師生注入技術(shù)研發(fā)能力，三類主體合力構(gòu)成“問題提供—學(xué)理剖析—技術(shù)助力”的強大支撐力量，為基于問題解決的自制儀器設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。

二是以項目化方式展開協(xié)同運作，具體又可分為以下4個核心環(huán)節(jié)：

環(huán)節(jié)1.問題識別　以“從中學(xué)來，到中學(xué)去”為導(dǎo)向，依托四川文通云大數(shù)據(jù)科技有限公司的平臺優(yōu)勢，構(gòu)建了問題精準識別機制，由合作中學(xué)通過平臺反饋物理教學(xué)中的疑難問題，企業(yè)用人工智能對數(shù)據(jù)進行分類、量化、編碼和分析，精準定位學(xué)生核心痛點與知識難點，識別出有價值的問題。這一環(huán)節(jié)的展開，可以讓自制儀器始終圍繞中學(xué)物理教學(xué)中的真實疑難問題而展開。

環(huán)節(jié)2.立項研發(fā)　以中學(xué)物理教學(xué)中的真實疑難問題為中心，中學(xué)與大學(xué)聯(lián)合立項。在此基礎(chǔ)上，四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院組織本科生和研究生構(gòu)建團隊，在研究共同體指導(dǎo)下，分工設(shè)計、動手制作實驗儀器，同步開發(fā)人工智能情境模擬等配套資源，形成了“實驗儀器＋數(shù)字資源”等多樣化產(chǎn)品。

環(huán)節(jié)3.成果應(yīng)用　研發(fā)出來的自制儀器和數(shù)字資源通過專門的網(wǎng)絡(luò)平臺向中學(xué)開放，中學(xué)教師可以作為教學(xué)素材，中學(xué)生可以用于自學(xué)。這樣就可以直接服務(wù)于中學(xué)物理教學(xué)實踐，檢驗其科學(xué)性、便捷性和有效性。

環(huán)節(jié)4.反饋優(yōu)化　中學(xué)師生使用自制儀器后，再通過平臺客觀真實地反饋效果，提出改進建議，研究共同體則帶領(lǐng)學(xué)生團隊基于反饋進行優(yōu)化升級，使自制儀器在應(yīng)用、反饋、迭代中逐步完善。

基于以上4個環(huán)節(jié)，我們研制了系列自制儀器，如波動光學(xué)綜合演示實驗儀、光電效應(yīng)演示實驗儀、薄膜干涉演示實驗儀、定量探究壓強演示實驗儀、定量探究共振條件演示實驗儀和楞次定律探究演示實驗儀等。

圖2　部分自制儀器

自制儀器的推廣模式與平臺搭建

為了讓自制儀器服務(wù)更多學(xué)校的師生，四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院成立了自制儀器公益推廣基金，組建了自制儀器聯(lián)盟，開展了多項自制儀器公益推廣活動。推廣活動遵循“以元件換儀器”的原則，其基本模式為：有需求的教師可自愿申請，購買相應(yīng)元件后，由四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院組織師生志愿服務(wù)團隊，依據(jù)申請者的需求進行設(shè)計和制作，或?qū)σ延袃x器進行復(fù)制組裝，調(diào)試合格后寄送給申請者。同時，申請者及單位需簽署《自制儀器使用承諾書》，保證儀器僅用于教學(xué)，不得商用。上述推廣模式可細分為三步：一是提出需求，中學(xué)或高?？缮暾堃延袑嶒瀮x器，或提出特殊教學(xué)需求的儀器研發(fā)需求；二是合作研發(fā)，志愿服務(wù)團隊負責(zé)復(fù)刻或研發(fā)，遵循“以元件換儀器”的原則并落實使用承諾；三是公益推廣，每套自制儀器制作3件，分享給校外申請者、校內(nèi)制作者及低年級學(xué)生（供改進升級）。該模式旨在以自主研發(fā)的實驗儀器彌補常規(guī)儀器的不足，服務(wù)物理課堂，并助力教育欠發(fā)達地區(qū)物理教育均衡發(fā)展。與此同時，為集中展示在自制儀器、學(xué)科競賽和科學(xué)普及等方面的成果，學(xué)院依托師范生教學(xué)能力訓(xùn)練國家級實驗教學(xué)示范中心（四川師范大學(xué)），組建創(chuàng)新實驗研究中心，并依托該中心，參加成都市科協(xié)、德陽市科協(xié)、綿陽市科協(xié)、眉山市科協(xié)等組織的科普研學(xué)活動；組織“儀創(chuàng)興鄉(xiāng)”暑期社會實踐隊，前往宜賓市屏山縣，為愛心暑期托管班和社區(qū)愛心托管班開展科普活動。

自制儀器的實施成效

自制儀器的價值不僅在于儀器本身，更在于通過自制儀器最終促進學(xué)生專業(yè)素養(yǎng)提升，并惠及更多地區(qū)和學(xué)校。我們本著“精工儀器、洞見本質(zhì)、啟迪未來”的自制儀器理念，希望用自制儀器之光激發(fā)學(xué)生的求知熱情，增強教師的教學(xué)自信。事實上，自制儀器確實帶來了顯著成效：形成“互惠三角”，促成“多元整合”，達成“積極效應(yīng)”。

形成“互惠三角”

學(xué)院開展自制儀器項目化運作的核心目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生主體（本科生、研究生），如果沒有這一主體，自制儀器項目化運作就沒有存在的理由，項目化運作過程也就難以持續(xù)，此即學(xué)生是主角。與此同時，中學(xué)或企業(yè)是自制儀器項目化運作的基礎(chǔ)，為項目開展提供教學(xué)需求、實踐場景，或提供平臺技術(shù)與數(shù)據(jù)服務(wù)，因而中學(xué)或企業(yè)是重要角色。在這三者關(guān)系中，學(xué)院亦是關(guān)鍵角色，它既為自制儀器項目化運作提供實踐場地與操作說明，又為自制儀器項目化運作提供學(xué)術(shù)力量與技術(shù)指導(dǎo)?？梢哉f，中學(xué)或企業(yè)從學(xué)院的自制儀器項目中獲得回饋，學(xué)生則通過自制儀器項目的體驗式學(xué)習(xí)讓專業(yè)素養(yǎng)得到顯著提升[5]。當(dāng)然，學(xué)院的自制儀器項目化運作依托于學(xué)生和教師素養(yǎng)的提升、中學(xué)和企業(yè)疑難問題的提供而獲得持續(xù)運作。總之，學(xué)生、學(xué)院、中學(xué)或企業(yè)不僅存在互惠關(guān)系，而且也環(huán)環(huán)相扣、不可或缺，形成“互惠三角”。

促成“多元整合”

一是主體整合　在自制儀器項目化運作中，同時吸納學(xué)生、學(xué)院、中學(xué)或企業(yè)三個方面的主體，并激發(fā)各個主體的主體性力量和優(yōu)勢，有利于打破單一主體行動局限，代之以對不同主體長處和力量的吸納與發(fā)揮，讓每個主體做其能做的事，做其擅長的事。

二是資源整合　在自制儀器項目化運作中，一方面整合中學(xué)教學(xué)痛點、疑點、難點問題與企業(yè)大數(shù)據(jù)分析資源，將零散的教學(xué)痛、疑、難點轉(zhuǎn)化為精準攻克的目標(biāo)；另一方面整合高校學(xué)術(shù)力量與技術(shù)資源，實現(xiàn)不同資源的有效整合。

三是目標(biāo)整合　在自制儀器項目化運作中，能夠整合服務(wù)中學(xué)物理教學(xué)與高校人才培養(yǎng)的雙重目標(biāo)，通過解決教學(xué)痛點、疑點、難點，提升中學(xué)物理課堂教學(xué)質(zhì)量，還能讓師范院校學(xué)生在項目中鍛煉綜合能力，形成特色育人成果，實現(xiàn)雙向協(xié)同發(fā)展。

達成“積極效應(yīng)”

近年來，四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院主導(dǎo)設(shè)計、制作并推廣的自制儀器有30余種，服務(wù)全國12個省級行政區(qū)的300余所中學(xué)及16所高校，普惠大學(xué)和中學(xué)物理教育，吸引來自全國的500余名師生到實驗室親自制作儀器，動手做科學(xué)，獲得師生一致好評。系列自制儀器獲得7項專利，以及“格致杯”“華夏杯”等全國性自制儀器比賽一等獎20余項，被“學(xué)習(xí)強國”“中國教育在線”“今日頭條”、《四川工人日報》等媒體報道，并被四川省總工會評選為“五小”優(yōu)秀創(chuàng)新成果。特別是，“光線—光波—光子”系列演示實驗儀被中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)光學(xué)與光學(xué)工程系、中國光學(xué)學(xué)會成都科普基地（天府興隆湖實驗室）使用。同時，學(xué)院與成都七中構(gòu)建本—碩—博“半訂單式”培養(yǎng)模式，即中學(xué)提出人才需求，高校與中學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)，中學(xué)擇優(yōu)錄用。此外，學(xué)院還向涼山州、阿壩州等地的中學(xué)捐贈了180余套自制儀器，改善鄉(xiāng)村中學(xué)物理實驗器材匱乏的問題，助力教育均衡發(fā)展。

2025年，在中國青少年科技教育工作者協(xié)會的指導(dǎo)下，學(xué)院承辦了協(xié)會物理教育與普及專委會年會，參與組織了協(xié)會年會的科學(xué)教育“自制儀器助力物理教學(xué)與科學(xué)教育”工作坊，來自全國的50余名中學(xué)物理和科學(xué)教師親手制作儀器。我們還參與了“一帶一路”青少年科技創(chuàng)新伙伴計劃四川行暨第九屆“一帶一路”青少年創(chuàng)客營與教師研討活動，承辦主題為“以自制儀器之光，推動共建國家科技教育實踐與創(chuàng)新”的國際青少年科技教育教師主題工作坊，為30余個國家（地區(qū)）的100余名師生介紹并分享自制儀器，還與津巴布韋科學(xué)博覽會建立起了自制儀器使用和專項制作培訓(xùn)的合作機制，積極推動優(yōu)質(zhì)教育資源共享，踐行“人類命運共同體”理念。

圖3　中國青少年科技教育工作者協(xié)會2025年會科學(xué)教育工作坊現(xiàn)場

圖4　向涼山州、阿壩州等地的中學(xué)捐贈自制儀器

四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院將自制儀器作為解決教學(xué)疑難問題、實現(xiàn)大中銜接、動手做科學(xué)等的載體，有效破解了物理師范生培養(yǎng)與基礎(chǔ)教育需求錯位，以及科普活動學(xué)生參與度不足、獲得感不強等問題。我們與優(yōu)質(zhì)中學(xué)和教育大數(shù)據(jù)企業(yè)深度合作，將人工智能技術(shù)與傳統(tǒng)動手做儀器緊密結(jié)合，在提升學(xué)科素養(yǎng)、訓(xùn)練教學(xué)能力和研究創(chuàng)新實驗等方面，構(gòu)建起系列“三元制”新型培養(yǎng)模式，并將該模式貫穿于招生、培養(yǎng)、就業(yè)全過程，努力將物理師范生培養(yǎng)成為可以勝任中學(xué)物理教師、奧賽實驗教練和科學(xué)教師等崗位的德才兼?zhèn)湫腿瞬拧?/p>

參考文獻

[1] 中共中央，國務(wù)院．教育強國建設(shè)規(guī)劃綱要（2024—2035年）[EB/OL]．（2025-01-19）[2025-08-27]https://www.gov.cn/gongbao/2025/issue_11846/202502/content_7002799.html．

[2] 魏小亮．有效利用自制儀器回歸物理教學(xué)本源[J]．物理教師，2017，38（10）：41．

[3] 劉鋮，陳鵬．“師范熱”現(xiàn)象是“實質(zhì)繁榮”嗎？——基于跨專業(yè)教育碩士“跨考”行動邏輯的分析[J]．研究生教育研究，2025（2）：71-72．

[4] 王文君，冉棟剛，付慶玖，等．高校自研自制儀器設(shè)備的創(chuàng)新管理與實踐[J]．實驗室研究與探索，2022，41（6）：302．

[5] 沙琦波．豐富實驗探究提升思維品質(zhì)——以自制教具“平面鏡成像儀器”為例[J]．物理教學(xué)，2022，44（3）：28．

基金項目：四川省研究生教育教學(xué)改革項目“以解決行業(yè)問題為導(dǎo)向的‘半訂單式’研究生培養(yǎng)模式探索”（編號YJGXM24-B036）；2024—2026年四川省高等教育人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項目“新時代背景下物理學(xué)拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的探索和實踐”（編號JG2024-0709）

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來源 | 《中國科技教育》2025-10

編輯 | 孟想

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