液壓傳動原理和應用系列教具的設計與應用

吳登平

液壓傳動原理和應用系列教具的設計與應用

吳登平

（廣東石油化工學院 物理系，廣東 茂名 525000）

教具的系列化設計突破了技術化和經驗化傾向，不僅有助于緩解物理教學中實驗儀器匱乏的問題，還對促進學生“物理核心素養”的養成具有重要意義．分析了教具制作與使用的現狀及存在的問題，提出了自制系列化教具的概念，并結合液壓傳動的原理和應用實例對自制系列化物理教具的設計與應用進行說明．

自制教具；系列化；液壓傳動的原理和應用

自制教具是課程資源的重要類別，歷來受到教育工作者的關注．自制教具作為低成本實驗有助于緩解中學物理教學中實驗儀器不足的問題，且具有潛在的深層教育價值和教育功能，有助于學生的發展[1]．關于自制教具的論文和著作數量很多，但研究多集中在自制教具的宏觀教育功能的論述和制作方法及使用的技術層面．通過中國知網高級檢索功能輸入主題詞“物理自制教具”（時間限定在2001年1月至2020年），可搜索到203條結果．通過主題詞考查其中71篇自制教具論文的研究內容（71篇論文中研究內容有交叉），其中涉及自制教具教育功能等宏觀層面研究的有39篇，教具制作方法及改進的有23篇，關于自制教具應用或應用案例的有12篇，而這12篇基本是對單個教具在具體案例中應用的經驗性總結．在搜索結果的基礎上，利用中國知網高級搜索的“切換到摘要”功能考查自制教具研究的具體內容，發現大多數研究者將自制教具的開發與利用的目的定位為“彌補實驗資源或者課程資源的短缺、作為課程資源短缺的補充”；大多數關于自制教具的論述往往只涉及到單一教具的制作和使用等技術和經驗性層面，自制教具研究存在技術化和經驗化的傾向，所蘊含的教育功能有待進一步挖掘．

系列化自制教具是依據相關學習理論，為創設一系列有助于激發學習者學習動機、促進概念轉變的連續完整的問題情境，并為學習者提供具有持續性的經驗支持，按照物理原理而自行設計和制作的教具群．教具的系列化設計有別于單一教具的制作及其在教學中的應用，突破了單純的技術化和經驗化傾向，能夠更好地發揮自制教具和物理實驗的教育功能，對促進學生“核心素養”的養成具有重要意義．

１ 基于學習理論的教具系列化

現代學習理論強調學習的情境性，認為創設一系列基于問題解決的情境是促使學習者實現意義建構的必要前提，是教學設計的重要內容之一．陳峰[2]提出了基于“問題串”的情境教學理論，即“在教學中圍繞著特定探究目標，通過設置一系列有針對性的問題引導學生，教師在識別學生反應的基礎上，采用有效指導策略，促進學生不斷達成探究目標的有效方法”．其中，所設置的一系列有針對性的問題，即為“問題串”．自制系列化教具的優勢在于能夠創設一系列基于問題的教學情境并通過提供系列化的經驗支持，幫助學習者解決這些問題．教具的系列化還能避免由于單一教具之間的切換而引起的思維中斷和情境破缺．而且，由于自制系列化教具多源于身邊易獲得的材料而制成，更能置學習者于真實的物理學習環境之中．

與單一教具相比，系列教具在激發、指向和強化學習動機及學習效果方面也具有獨特作用．物理學習是極為復雜的認識活動，要求學習者能夠身心投入、堅持不懈，并具有忍受所遭遇的挫折和失敗等意志和情感方面的品質．教具的系列化，一方面通過創設一系列基于問題的物理情境，引發學習者的認知失衡，不斷激發學習者的學習動機；另一方面通過為學習者提供系列化的經驗支持，幫助學習者順利從認知失衡過渡到認知平衡，獲得心理上的成功感和滿足感，不斷強化其內在學習動機，促進學生學習行為的觸發[3]．

系列教具設計和應用基于學習者原有認知結構，既能促使學習者新舊認識的碰撞，又能為學習者提供連貫性支持．一方面，教具系列化在幫助學習者發現原有認知的不足、引發“認知沖突”的同時，通過系列化教具一步步展示新知識的合理性，促進學習者進行理性思維、解決認知沖突，幫助其順利完成對新知識的“順應”[4]；另一方面，教具系列化可以在學習者原有認知和學習目標之間提供一系列的經驗支持，搭建學生學習的“腳手架”，解決“實際發展水平與潛在發展水平之間的差距”所帶來的學習困難，使學習者的認識不斷向科學認識發展和拓寬[5]．

2 系列教具的設計與應用示例

圍繞液壓傳動的原理和應用[6]自制教具的系列化設計與應用為例，說明系列化教具的設計、開發與應用．

2.1 系列化教具需求分析

通過對課程內容和學生心理特點的分析，說明教學實踐中系列化教具設計和應用的必要性．

2.1.1 課程內容分析 液壓傳動的原理和應用在課程內容上呈現出從理論建構到實際應用的邏輯主線，需要學習者逐層建構、逐漸深化對液壓傳動原理及應用的認識．液壓傳動的原理既是新知識的學習，又是對液體壓強內容的鞏固深化，是學習機械工作原理的重要基礎，對培養學生實驗觀察能力和理論推導等有重要作用．液壓傳動的應用有利于培養學生運用已學知識進行綜合分析的能力，而且液壓傳動與生活、生產聯系緊密，充分體現了科學、技術與社會之間的聯系，從學習中可以讓學生領會物理與技術相結合的魅力，學習這部分知識有著重要的現實意義．

2.1.2 學習心理分析 作為認知主體的高二學生有較強的求知欲和探究問題的積極性，已經具備了一定的抽象思維和分析能力．因此，充分利用學生的這一特點，通過問題情境的創設來激發其學習動機，使學生能夠主動思考并積極地參與到學習過程中．此外，學生已經學習了壓強和機械傳動的相關知識，已經學會利用壓力和受力面積來求壓強，同時知道常見的幾種機械傳動方式，在教學過程中要充分利用學生已有知識經驗解決問題，讓其充分體驗到解決問題的成功感和喜悅感．但是，學生雖然對液壓傳動的應用有一定的了解，但并不能深入理解其工作原理．而且學生綜合已學知識進行分析的能力不足，遇到液壓千斤頂和液壓挖掘機這些復雜的機械會感到困惑，難以通過知識經驗分析機械傳動原理．因此，在教學中必須借助相關教學手段，采用步步誘導的教學策略，將學生的認知不斷引向深入．

液壓傳動的原理和應用的內容既涉及科學原理，又有技術應用，充分體現了科學、技術與社會三者之間的聯系．但對高二學生來說，從復雜的機械中理解并掌握液壓傳動原理并不容易，而且在學習過程中，既要動腦，又要動手，對學生的要求較高．因此，教學環節易由淺入深，環環相扣．教學中借助系列化教具創設緊密關聯的一系列“問題情境”，為學生提供一系列具有認知支架作用和啟發意義的感性材料十分必要．

2.2 系列化教具的設計

本示例中的自制教具結構由簡單到復雜，涉及的問題由淺入深，遵循由原理到應用的主線索，在認知邏輯、結構和技術應用方面都存在承接關系，并通過3方面的承接關系，幫助學生順利完成認識過程，從而形成教具的系列化．現將教具的設計、使用方法和意圖進行介紹．

2.2.1 簡易帕斯卡實驗演示儀 簡易帕斯卡實驗演示儀利用塑料瓶在其四周扎孔制作而成（見圖1）．可以形象直觀的展示物理現象，幫助學生認識帕斯卡定律，為后續學習做好知識鋪墊．

2.2.2 針筒比力器 針筒比力器由大小2個塑料針筒通過PVC軟管連接而成（見圖2）．教學中，可以請2位學生上臺比賽，每人自行選取其中一個針筒，同時用力推動針筒的活塞．學生會發現，選取小針筒者總能獲勝．針筒比力器的使用可以充分激發學生學習興趣，活躍課堂氣氛，能夠直觀地讓學生感受液壓傳動中“小力勝大力”的現象，產生認知沖突，激發學習動機，為新課學習有效創設問題情境．

圖1 簡易帕斯卡演示儀

圖2 針筒比力器

2.2.3 液壓傳動原理演示儀 液壓傳動原理演示儀在針筒比力器的基礎上增加了支架，在結構上承接針筒比力器的設計，并具有定量分析功能（見圖3）．學生觀察到，放置在10 mL針筒活塞頂部的50 g砝碼能頂起放置在30 mL針筒活塞頂部的100 g砝碼．可結合多媒體動畫重現這一過程，引導學生進行分析，來解釋“小力勝大力”現象，建立對液壓傳動原理的認知．

2.2.4 自制液壓千斤頂模型 自制液壓千斤頂模型在液壓傳動原理演示儀的基礎上改造而成，兩者在結構和技術應用方面具有承接關系（見圖4）．因前面的液壓傳動裝置只有少量水封閉在軟管內，要實現通過不斷抽壓小針筒活塞，把液體壓進大針筒，從而將放在大活塞平臺上的重物輕易頂起來，還需要在結構和技術上加以改造（增加單向閥）．整個裝置容易拆裝，結合現場組裝過程和“問題串”，引導學生對千斤頂內部結構及其工作原理進行思考，幫助學生從原理掌握順利過渡到知識應用，同時體會技術中蘊含的智慧，感受科學、技術與社會之間的聯系．

圖3 液壓傳動原理演示儀

圖4 自制液壓千斤頂模型

2.2.5 自制液壓挖掘機模型 自制液壓挖掘機模型是根據液壓傳動原理結合前面所展示的教具中的技術應用制作出來的（見圖5）．運作時能完成基本的挖掘動作，挖掘功能與現實的挖掘機十分接近，能夠讓學生直觀地認識液壓傳動的實際應用.

圖5 自制液壓挖掘機模型

綜上可見，從簡易帕斯卡實驗演示儀到針筒比力器，再從針筒比力計到液壓挖掘機，都是從利用前一個教具的問題情境中不斷產生新的問題，通過問題的不斷解決和延伸而形成的系列化教具．

2.3 系列化教具應用中“問題串”設計及其意圖

系列化教具教育功能的有效發揮離不開一系列問題的創設和解決，簡單列舉液壓傳動的原理和應用系列教具應用中所涉及的“問題串”的主要內容，并說明其意圖（見表1）．

表1 系列教具應用中“問題串”設計及其意圖

2.4 基于系列化教具和“問題串”的教學過程設計

基于系列化教具和“問題串”的主要教學環節設計見表2．

表2 主要教學過程示例

續表

3 對系列化教具設計與應用相關問題的說明

3.1 系列教具設計和應用的一般程序

系列化教具設計、開發與應用的一般程序概括為：基于目標的課程內容及學習者心理需求分析→基于問題串的系列教具設計與開發→利用系列教具創設基于“問題串”的學習情境，引發認知失衡，激發學習動機→利用系列教具展現現象，產生認知沖突，搭建支架，促進概念轉變→問題解決、知識建構→應用（應用中依然可遵循基于“問題串”的情境創設→激發動機→搭建支架→問題解決→學會應用的基本程序）．

3.2 系列教具設計和應用基本原則

3.2.1 設計性原則 “設計性”意在強調系列教具的設計與應用應超越教具制作的技術層面和經驗層面，轉向基于學習理論的“以學生為中心、促進學生發展”為核心的教具系列化設計和應用研究．

3.2.2 激發和強化動機原則 教具大都能夠激發學習者好奇心、興趣和求知欲，而系列教具不僅能夠以其系列化設計實現對學習者外部學習動機的連續性激發，而且還應該能讓學習者在使用系列教具的過程中，不斷體驗到通過動腦動手完善教具和利用教具自主完成知識建構而獲得的成功感，使學習動機得以連續強化，更高效地促使學習者的學習行為由外部動機向內部動機轉化．

3.2.3 促進概念轉化原則 系列化教具的設計和應用以學習者的原有認知、新舊認知之間的差距或沖突為前提，結合相應的教學策略，有針對性地為學習者提供連續性經驗支持，幫助學生更順利地完成概念轉化．

3.2.4 完整性原則 完整性原則，即基于“問題串”的系列化原則．目的是保證創設問題情境的連續性和完整性，盡量避免在教具切換過程中由于問題情境的中斷和破缺造成學習思維的中斷和學習情境的“失真”，更好地將學習者置于連續、完整和真實的問題情境中，以提高教學和學習效率．

[1] 范增，吳桂平．試論低成本實驗在民族地區中學物理教學中的應用[J]．民族教育研究，2013，24（1）：64-67

[2] 陳峰．問題串在探究教學中的應用[J]．課程教材教法，2006（11）：59-62

[3] 梁樹森．物理學習論[M]．南寧：廣西教育出版社，1996

[4] 閻金鐸，郭玉英．中學物理教學概論[M]．北京：高等教育出版社，2009

[5] （美）申克．學習理論：教育的視角[M]．韋小滿，譯．南京：江蘇教育出版社，2003

[6] 廣東基礎教育課程資源研究開發中心物理教材編寫組．物理選修（2-2）[M]．廣州：廣東教育出版社，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

全國教育科學規劃課題“十三五”規劃教育部青年課題（EIA160455）——基于“課例研究”理念的職前物理教師培養模式研究

吳登平（1982-），男，山東德州人，副教授，碩士，從事物理教學論、教師教育研究．E-mail：wudengping824@163.com