基于創(chuàng)客教育的高中物理教學(xué)的實踐研究

王奕磊

（上海市向東中學(xué) 上海 200070）

一、問題提出

眾所周知，如今的時代對人才的要求更多的是需要自主創(chuàng)新能力與掌握核心技術(shù)。不論是大數(shù)據(jù)后的人工智能戰(zhàn)略高地的確定，還是實體工業(yè)的又一次崛起都標志著對于當代青年人才的要求與日俱增。作為高中物理教師的我而言，同樣面臨著相同的煩惱。在前幾年，我就在日常工作中時常思考這樣幾個問題。我作為一名高中物理教師，卻只會傳授高中物理知識與技能，真的就達到當前社會的要求了嗎？同樣，我們的學(xué)生在高中階段只為了考試接受高中階段的物理知識與技能來應(yīng)對試題就真正掌握到本領(lǐng)了嗎？我相信我的答案一定是：不是！因此，在追尋答案的過程中，我逐漸發(fā)現(xiàn)高中物理的知識內(nèi)容在創(chuàng)客教育中發(fā)揮著重要的作用，也在思考如何利用創(chuàng)客教育的資源反過來幫助我們的高中物理教學(xué)更加符合當前時代發(fā)展的需求和方向。因此，就有了本課題的研究方向與目標，希望通過研究的過程與結(jié)果能夠幫助到所有的一線物理教師提供一個全新的教學(xué)方式與理念。

二、研究方法與實施過程

目前，國內(nèi)高中物理教學(xué)中已經(jīng)有部分地區(qū)滲透了創(chuàng)客教育的元素，但多數(shù)還是處于高校人員研究的范疇中。其中，有楊磊老師在《基于Arduino的重力加速度測量儀》中利用Arduino制造出相關(guān)的物理教學(xué)儀器[1]以及吳建惠老師對于高中物理中超聲波測距的實驗設(shè)計的研究也是利用開源硬件的創(chuàng)客教育資源完成高中物理教學(xué)的實驗設(shè)計[2]。在劉云波老師所著的《創(chuàng)新人才培養(yǎng)：樂高教育的理念與應(yīng)用》中，我們得知樂高科技系列作為樂高教育的其中一部分，而樂高教育理念以建構(gòu)主義為基礎(chǔ)，以開發(fā)學(xué)生先天的學(xué)習(xí)力、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新力為核心，其采用的樂高教具以及樂高教育方法，是建構(gòu)主義教育理念的直觀呈現(xiàn)，在我國中小學(xué)教育中有廣泛的應(yīng)用空間[3]。

本次研究希望通過對創(chuàng)客教育在高中物理教學(xué)的應(yīng)用的創(chuàng)新研究，設(shè)計出更多能輔助高中物理教學(xué)的教具，以此使教學(xué)更加多元化。在研究過程中，進一步地挖掘這些創(chuàng)客教育在物理教學(xué)中的作用和角色，既有作為教具進行分析和演示的輔助工具，也有作為小型項目的載體，幫助教師把各個環(huán)節(jié)的物理知識與技能實體化。

本次研究通過文獻研究法來調(diào)查目前高中物理教學(xué)中運用創(chuàng)客教育的現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，剔除目前已經(jīng)被全國高中物理教師采納并成熟運用到課堂中的內(nèi)容，在還未完全開發(fā)的內(nèi)容項目中進行有針對性的深入研究與挖掘。本次研究中主要針對的是三類創(chuàng)客教育包括樂高科技系列、Arduino開源硬件和3Done三維模型設(shè)計軟件在高中物理教學(xué)中運用的研究。在研究的過程中，會分別針對這三類創(chuàng)客教育在物理教學(xué)的不同內(nèi)容中的融合進行深入的研究，并尋找設(shè)計開發(fā)出更加符合自主創(chuàng)新能力與掌握核心技術(shù)為主的人才環(huán)境的時代教育的內(nèi)容載體，以幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)物理知識的同時，了解身邊事物的原理及技術(shù)。

由于研究者本人對于創(chuàng)客教育的領(lǐng)域有所涉及，因此在項目研究實施之初便預(yù)選了幾個成熟的創(chuàng)客教育的載體作為備選，接著通過文獻調(diào)查目前高中物理教學(xué)中運用創(chuàng)客教育的現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，剔除目前已經(jīng)被全國高中物理教師采納并成熟運用到課堂中的內(nèi)容，在還未完全開發(fā)的內(nèi)容項目中進行有針對性的深入研究與挖掘，接著針對已篩選過的研究內(nèi)容進行嘗試性的設(shè)計與開發(fā)。在實施過程中，會研究創(chuàng)客載體本身的特點，尋找與其契合度高的高中物理知識點或章節(jié)，最后把研發(fā)出的對象在課堂中進行教學(xué)試驗，通過作為演示實驗的教具、學(xué)生可拆卸組裝式的模型、課堂信息化的載體以及課后拓展研究的內(nèi)容對象等來觀察學(xué)生的興趣激發(fā)程度，以此作為是否再下次的研究中做進一步分析的依據(jù)。

三、研究結(jié)果與分析

1.基于樂高科技零件的四擋變速器以用于研究圓周運動的物理教學(xué)

四擋變速器主要是通過調(diào)整不同檔位后形成不同的角速度之比，以此改變軸承轉(zhuǎn)動快慢。研發(fā)作品基本還原了一般變速箱的換擋過程，因此對于學(xué)生以此來獲取有實際應(yīng)用價值的物理知識非常有幫助。

在課堂中，不僅給學(xué)生展示了實物本身，還事先錄制了視頻，以加強對換擋前后的差距的體現(xiàn)。此外，樂高的可拆卸性更是吸引學(xué)生反復(fù)琢磨的關(guān)鍵。學(xué)生想要了解里面的組裝結(jié)構(gòu)就必須拆卸后觀察原理，之后便也必然有需要重新組裝回去的過程，此過程更是檢驗學(xué)生是否理解變速器物理原理與設(shè)計原理。相比自行車的構(gòu)造（教科書上例子），更能吸引學(xué)生去探究分析加以運用所學(xué)物理知識。在觀察中，發(fā)現(xiàn)能夠?qū)⑺鶎W(xué)習(xí)的知識順利轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用的過程，更能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力與興趣。因此在下一項研究中，會更加注重挑選可及時給予學(xué)生收獲感的設(shè)計項目。

2.基于樂高科技零件的獨立懸掛避震的設(shè)計以分析結(jié)構(gòu)中的彈力變化

獨立懸掛中的避震系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車不可或缺的組成部分。研發(fā)作品中，從結(jié)構(gòu)上對此進行一定的模仿，以還原車輪轉(zhuǎn)軸的獨立懸掛的結(jié)構(gòu)。在避震所需要的彈力的提供上，選擇了更容易獲取的橡皮筋而非樂高專用的彈簧，目的在于希望給予學(xué)生更多嘗試的可能性，以分析其中不同樣式時橡皮筋的受力大小及方向。

此模型主要是為先課后研究再在課堂中討論而設(shè)計的，原因在于獨立懸掛中的避震系統(tǒng)的不同樣式。若只通過肉眼觀察是不能夠較好體會的，需要學(xué)生親自感受力的變化以及避震的效果。此過程能夠充分激發(fā)學(xué)生對于結(jié)構(gòu)中力學(xué)知識的專研程度，比在練習(xí)冊、試卷上的紙上談兵會更好地增加學(xué)生的專注度和學(xué)習(xí)源動力。卡諾在描述熱機原理的時候說過，“凡是不以干活為目的的傳熱都是浪費”。同樣，凡是不以獲取知識本身為目的的學(xué)習(xí)都是浪費。可以發(fā)現(xiàn)當提供給學(xué)生優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)資源時，學(xué)生便會展現(xiàn)出獲取知識的本源動力，而非為了成績。

3.基于Arduino開源硬件的七段數(shù)碼管的調(diào)試項目以用于加強電路中電路流通與電勢高低關(guān)系的理解

選擇七段數(shù)碼管作為電路知識的學(xué)習(xí)載體的原因便在于其原理簡單易懂，并且可以在編譯的過程中突出電路流向與電勢高低的關(guān)系。此外，對于面包板的連接方式更能加深學(xué)生對串并聯(lián)的理解與實際操作能力。

此項目主要是用在電路知識學(xué)習(xí)之后，通過課余時間進行實際電路的搭建與Arduino主控板的編程。在原本的學(xué)習(xí)中，學(xué)校能提供的電路連接元器件都是不能進行邏輯控制的，只能簡易搭建串并聯(lián)組合電路來測量電流電壓或者觀察燈泡亮暗變化。作為一名長期在高中教學(xué)的物理老師，我感覺到原有的實驗器材對于幫助學(xué)生理解電路知識的效果有局限性。因此，借用Arduino既能豐富學(xué)生學(xué)習(xí)電路知識的工具載體，又能使之聯(lián)系日常生活中的實際應(yīng)用，如紅綠燈的倒計時功能的實現(xiàn)等。

在實際實施之后，發(fā)現(xiàn)此項目也有較為明顯的缺陷需要再做改進。需要改進的地方在于學(xué)生由于需要自己動手搭建電路，因此對于面包板的了解以及對于后期編程的語言需要一定的基礎(chǔ)。這樣會從一定程度上加重學(xué)生的負擔，希望能夠在之后的研究中引起注意，并且挖掘發(fā)現(xiàn)好的使用方法。

4.基于Arduino開源硬件的蜂鳴器調(diào)頻項目以用于加深對機械波頻率與聲音頻率聯(lián)系的實際感受

在課堂中，使用此教具是以演示為主。學(xué)生只需要觀察代碼中的頻率數(shù)字與聽到聲音的效果進行比對便可，所以對于學(xué)生的要求遠低于七段數(shù)碼管的項目。由于觀察到學(xué)生在初中就通過撥尺的實驗知道音調(diào)的高低與振動快慢有關(guān)，到高中也會學(xué)習(xí)機械波的頻率的概念，但卻較少有機會把相關(guān)知識到實際生活中。因此，希望能通過本實驗給予學(xué)生物理與生活關(guān)系的進一步認識，使之感受到物理不僅僅是門考試學(xué)科，而是自然科學(xué)的基礎(chǔ)。

在實施過程中，也有讓我意想不到時候。在觀察理解代碼中，頻率數(shù)字與實際聲音的關(guān)系后，會有個別感興趣的學(xué)生開始設(shè)想是否可以通過編譯不同的頻率組合來展現(xiàn)一首歌，又或者與之前的七段數(shù)碼管相結(jié)合就形成人行道上會發(fā)出聲音的倒計時紅綠燈的原理，甚至有同學(xué)想到也許可以改變現(xiàn)有的紅綠燈的發(fā)聲設(shè)置，改為時間越少越尖銳的聲音等。這一切的想法均來自一個小小的實驗演示裝置，更加堅定了對于此次研究和開展后續(xù)研究的信心。

5.基于3Done模型設(shè)計軟件的電場線模型和對通電直導(dǎo)線周圍磁場分布模型的開發(fā)

在物理教學(xué)中，經(jīng)常會因為涉及的模型是三維立體的而在黑板上、語言上表現(xiàn)較為困難。因此，借用3Done軟件進行模型設(shè)計，主要針對的便是在電磁學(xué)中立體的三維模型。

在實施過程中，是借用了學(xué)校公開課的機會向?qū)W生和老師們展示了模型在課堂中的使用方式。三維模型的使用在課堂中主要是以展示為主，通過軟件自帶的視角切換和旋轉(zhuǎn)可以清晰地理解電場分布和磁場分布的整體情況。同時，由于此軟件是中望公司專門設(shè)計給學(xué)生使用的一款模型設(shè)計軟件，因此在操作上非常簡便。在課堂中，教師也能隨時根據(jù)學(xué)生的反饋進行調(diào)整和改動。相比網(wǎng)上現(xiàn)存的一些三維圖片和動畫而言，優(yōu)勢則在于能讓教師或者學(xué)生自我設(shè)計以及課堂中的靈活運用。

四、研究總結(jié)與展望

1.總結(jié)

首先，本次研究主要包括的樂高科技系列、Arduino開源硬件以及3Done三維模型設(shè)計軟件等都能在各自的工作環(huán)境領(lǐng)域發(fā)揮出很好的效果，但又各自存在局限性。例如，樂高公司的科技系列和機器人系列更注重于以建構(gòu)主義為基礎(chǔ)的一種培養(yǎng)創(chuàng)新思維的理念，而Arduino等開源硬件在物理教學(xué)的使用則是更加偏向于電子電路的運用以及傳感器的原理分析并加以編程應(yīng)用。因此，本次研究會主要采取各司其職的方法，在高中物理教學(xué)融合中分別借用樂高的建構(gòu)主義應(yīng)用以及Arduino開源硬件在電子電路與傳感器的應(yīng)用的特點，并且加入了以3Done為主的三維模型設(shè)計軟件來幫助學(xué)生增強在物理課堂中的空間現(xiàn)實感。

其次，在實踐的過程中，可以明顯地發(fā)現(xiàn)當前高中物理教育的痛點與薄弱點之一在于過分注重培養(yǎng)學(xué)生物理理論知識的學(xué)習(xí)。與之相比，對于構(gòu)建良好的促進學(xué)習(xí)興趣的學(xué)習(xí)環(huán)境卻是關(guān)注不足。因此，在這些教具或項目在課堂中實踐時會極大地吸引學(xué)生的注意力，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，不僅讓我們的物理知識與理論及早地與應(yīng)用會師在課堂學(xué)習(xí)中，而且讓學(xué)生進一步了解生活中習(xí)以為常的卻又不知所以然的事物的物理原理。這樣才能讓學(xué)生對于世界的好奇心被激發(fā)出來，通過拆卸組裝的過程持續(xù)觸動學(xué)生的內(nèi)動力。

最后，在實踐過程中，也可以感受到目前高中物理教學(xué)中過多注重學(xué)生良構(gòu)問題的解決能力。但這遠遠達不到當前社會對于人才的需求，生活中的問題往往是劣構(gòu)的問題[4]。因此，借助項目開發(fā)的過程中，除了培養(yǎng)物理知識應(yīng)用的能力，同時也培養(yǎng)的自主創(chuàng)新能力。無論是根據(jù)應(yīng)用場景的作品設(shè)計還是對于作品的可能使用方式都符合高階思維的培養(yǎng)方式。都說自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)實屬不易，我們作為基礎(chǔ)自然學(xué)科中的物理教師，更應(yīng)該敢于改變自己的教學(xué)方式。培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維、創(chuàng)新能力等都得從課堂中的每一個環(huán)節(jié)做起，給學(xué)生創(chuàng)設(shè)有利于此的課堂學(xué)習(xí)環(huán)境便是第一步。

2.展望

本次研究主要在于借用創(chuàng)客教育元素開發(fā)能夠在物理課堂中使用的教具或者小項目以幫助物理課堂，能夠更加便于培養(yǎng)學(xué)生自主創(chuàng)新能力與學(xué)習(xí)興趣和動力。在實踐中，得到的反饋都較為積極的顯示此行的必要性，因此，在下一步的實踐過程中，應(yīng)該繼續(xù)深入研究創(chuàng)客教育與高中物理教育的融合，主要分為兩部分：

其一，繼續(xù)挖掘與開發(fā)創(chuàng)客教育中，其他適合高中物理教學(xué)的工具與能夠相契合的知識點，以使創(chuàng)客教育與高中物理教學(xué)的融合更進一步。

其二，在課堂中更多的實踐項目或者教育的實際使用效果，并且逐步總結(jié)出恰當?shù)氖褂梅绞交蛘邔υO(shè)計的教具與項目進行修改調(diào)整。