自制儀器項目化運作的動因、樣態與成效——四川師范大學物理與電子工程學院的創新實踐

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. 四川師范大學物理與電子工程學院；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，創新項目化運作之路，提出“精工儀器、洞見本質、啟迪未來”的自制儀器理念，并組建了校外中學教師、校內學科教師與電子信息類專業教師三位一體的研究共同體，形成了核心環節及推廣模式，帶來了課堂教學與科學普及的顯著成效。

關鍵詞：自制儀器　現實動因　運作樣態　實施成效　科學普及

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

自制儀器的現實動因

作為以培養教師為己任的師范院校，其培養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新能力。但在物理師范生培養過程中，常常面臨3個方面的問題。

部分課堂實驗演示效果差，導致學生理解物理本質難

物理學作為基礎學科，具有知識體系龐大、應用場景多元的特點，而部分實驗器材存在精度不足、適配性較弱等問題，導致學生在物理本質認知層面存在理解障礙。在物理學專業課堂中，部分專業教師存在重理論推導、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，導致實驗現象不明顯[2]、演示效果差。此外，不少中學物理教材中的實驗也存在難演示、難重現的問題。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象不明顯、穩定性較差。這就使得無論是大學課堂還是中學課堂，都難以借助既有實驗器材幫助學生透過物理表象深入知識內核，導致學生在知識建構過程中容易陷入“知其然而不知其所以然”的學習困境，難以形成系統化、深層次的物理認知。

跨專業報考比例攀升，導致學生專業素養明顯不足

人才培養需要一定的連續性，專業訓練也需要一定的積累性。但近些年，在報考學科教學（物理）方向研究生的考生中，非物理學專業的考生比例在不斷攀升。例如，不少考生來自電氣工程、醫學和人力資源管理等較大跨度的專業[3]。由于這類學生對物理學科知識“欠賬”太多，對物理學的學習缺乏系統性和縱深性，就使得他們在物理學專業知識的積累上，以及專業技能的訓練方面均明顯不足。

大中銜接缺乏抓手，導致人才供需錯位率較大

當前，高校與中學之間存在資源未能有效互通的情況，物理師范生培養也呈現脫節的態勢，協同聯動不足[4]。從需求側看，中學在師資配備上，除了需要常規的物理學科教師外，不少優質中學還急需能指導奧賽實驗、自制實驗儀器并開展科技創新活動的教師，這就對物理教師及師范生培養提出了更高的要求：不僅需要扎實的專業知識，還需要具備電子信息、人工智能、機械加工、通用技術等相關學科的知識和素養。而從供給側看，師范院校在本科生和研究生的培養過程中，由于未能充分對接行業需求，缺乏有效的跨專業交叉訓練，導致培養出的畢業生無法完全滿足實際崗位需求，進而錯失了許多高質量的就業機會。

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

自制儀器的運作樣態

自制儀器的成型并非自然而然的過程，而是主動探索的結果。這里將呈現四川師范大學物理與電子工程學院如何基于歷史積累與課程重構，通過一系列策略探索出項目化運作的基本樣態，從而將校內資源與校外資源、人才培養與社會服務融合在一起。

自制儀器的歷史積累與課程重構

四川師范大學物理與電子工程學院自制儀器的歷史悠久、根深葉茂，大致經歷了萌芽初創（1980—2000年）、持續發展（2001—2012年）和協同創新（2013年至今）3個階段，出現了李俊倫、潘學軍等代表性人物，開創了多門自制儀器特色課程。其中，作為全國首創，學院開設的“物理實驗研究與創新”等自制儀器特色課程，將自制儀器與物理課程教學、公益推廣、科普教育深度融合，實現了自制儀器價值的多樣化、整體化。在此基礎上，學院依托物理學、電子、通信等工科專業的內在關聯，在常規專業課程體系之外，嘗試打破專業壁壘，著力推進課程重構。例如，學院自主開發“人工智能與教育大數據”課程，并將其與自制儀器相關課程相結合，讓人工智能賦能創新實驗項目的開發與實施。最終形成“物理學專業課程＋教育學相關課程＋電子信息、人工智能、機械加工、通用技術課程”的課程結構體系。目前，學院正規劃構建“微專業”跨學科課程體系，擬將多個其他專業課程納入其中，形成以自制儀器為核心的微專業課程體系。

圖1　四川師范大學物理與電子工程學院自制儀器發展的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致遠，四川師范大學物理與電子工程學院采取了兩項關鍵舉措。

一是學院牽頭組建了“校外中學教師＋校內學科教學師生＋電子信息類專業師生”三位一體的研究共同體。其中，校外中學教師提供一線教學痛點、難點，校內學科教學師生進行問題識別與學理剖析，電子信息類專業師生注入技術研發能力，三類主體合力構成“問題提供—學理剖析—技術助力”的強大支撐力量，為基于問題解決的自制儀器設計奠定了堅實的基礎。

二是以項目化方式展開協同運作，具體又可分為以下4個核心環節：

環節1.問題識別　以“從中學來，到中學去”為導向，依托四川文通云大數據科技有限公司的平臺優勢，構建了問題精準識別機制，由合作中學通過平臺反饋物理教學中的疑難問題，企業用人工智能對數據進行分類、量化、編碼和分析，精準定位學生核心痛點與知識難點，識別出有價值的問題。這一環節的展開，可以讓自制儀器始終圍繞中學物理教學中的真實疑難問題而展開。

環節2.立項研發　以中學物理教學中的真實疑難問題為中心，中學與大學聯合立項。在此基礎上，四川師范大學物理與電子工程學院組織本科生和研究生構建團隊，在研究共同體指導下，分工設計、動手制作實驗儀器，同步開發人工智能情境模擬等配套資源，形成了“實驗儀器＋數字資源”等多樣化產品。

環節3.成果應用　研發出來的自制儀器和數字資源通過專門的網絡平臺向中學開放，中學教師可以作為教學素材，中學生可以用于自學。這樣就可以直接服務于中學物理教學實踐，檢驗其科學性、便捷性和有效性。

環節4.反饋優化　中學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，研究共同體則帶領學生團隊基于反饋進行優化升級，使自制儀器在應用、反饋、迭代中逐步完善。

基于以上4個環節，我們研制了系列自制儀器，如波動光學綜合演示實驗儀、光電效應演示實驗儀、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更多學校的師生，四川師范大學物理與電子工程學院成立了自制儀器公益推廣基金，組建了自制儀器聯盟，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，購買相應元件后，由四川師范大學物理與電子工程學院組織師生志愿服務團隊，依據申請者的需求進行設計和制作，或對已有儀器進行復制組裝，調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，不得商用。上述推廣模式可細分為三步：一是提出需求，中學或高校可申請已有實驗儀器，或提出特殊教學需求的儀器研發需求；二是合作研發，志愿服務團隊負責復刻或研發，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、校內制作者及低年級學生（供改進升級）。該模式旨在以自主研發的實驗儀器彌補常規儀器的不足，服務物理課堂，并助力教育欠發達地區物理教育均衡發展。與此同時，為集中展示在自制儀器、學科競賽和科學普及等方面的成果，學院依托師范生教學能力訓練國家級實驗教學示范中心（四川師范大學），組建創新實驗研究中心，并依托該中心，參加成都市科協、德陽市科協、綿陽市科協、眉山市科協等組織的科普研學活動；組織“儀創興鄉”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生專業素養提升，并惠及更多地區和學校。我們本著“精工儀器、洞見本質、啟迪未來”的自制儀器理念，希望用自制儀器之光激發學生的求知熱情，增強教師的教學自信。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”。

形成“互惠三角”

學院開展自制儀器項目化運作的核心目標是培養學生主體（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，此即學生是主角。與此同時，中學或企業是自制儀器項目化運作的基礎，為項目開展提供教學需求、實踐場景，或提供平臺技術與數據服務，因而中學或企業是重要角色。在這三者關系中，學院亦是關鍵角色，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術力量與技術指導。可以說，中學或企業從學院的自制儀器項目中獲得回饋，學生則通過自制儀器項目的體驗式學習讓專業素養得到顯著提升[5]。當然，學院的自制儀器項目化運作依托于學生和教師素養的提升、中學和企業疑難問題的提供而獲得持續運作。總之，學生、學院、中學或企業不僅存在互惠關系，而且也環環相扣、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，同時吸納學生、學院、中學或企業三個方面的主體，并激發各個主體的主體性力量和優勢，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，一方面整合中學教學痛點、疑點、難點問題與企業大數據分析資源，將零散的教學痛、疑、難點轉化為精準攻克的目標；另一方面整合高校學術力量與技術資源，實現不同資源的有效整合。

三是目標整合　在自制儀器項目化運作中，能夠整合服務中學物理教學與高校人才培養的雙重目標，通過解決教學痛點、疑點、難點，提升中學物理課堂教學質量，還能讓師范院校學生在項目中鍛煉綜合能力，形成特色育人成果，實現雙向協同發展。

達成“積極效應”

近年來，四川師范大學物理與電子工程學院主導設計、制作并推廣的自制儀器有30余種，服務全國12個省級行政區的300余所中學及16所高校，普惠大學和中學物理教育，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，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“學習強國”“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”優秀創新成果。特別是，“光線—光波—光子”系列演示實驗儀被中國科學技術大學光學與光學工程系、中國光學學會成都科普基地（天府興隆湖實驗室）使用。同時，學院與成都七中構建本—碩—博“半訂單式”培養模式，即中學提出人才需求，高校與中學聯合培養，中學擇優錄用。此外，學院還向涼山州、阿壩州等地的中學捐贈了180余套自制儀器，改善鄉村中學物理實驗器材匱乏的問題，助力教育均衡發展。

2025年，在中國青少年科技教育工作者協會的指導下，學院承辦了協會物理教育與普及專委會年會，參與組織了協會年會的科學教育“自制儀器助力物理教學與科學教育”工作坊，來自全國的50余名中學物理和科學教師親手制作儀器。我們還參與了“一帶一路”青少年科技創新伙伴計劃四川行暨第九屆“一帶一路”青少年創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）的100余名師生介紹并分享自制儀器，還與津巴布韋科學博覽會建立起了自制儀器使用和專項制作培訓的合作機制，積極推動優質教育資源共享，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會2025年會科學教育工作坊現場

圖4　向涼山州、阿壩州等地的中學捐贈自制儀器

四川師范大學物理與電子工程學院將自制儀器作為解決教學疑難問題、實現大中銜接、動手做科學等的載體，有效破解了物理師范生培養與基礎教育需求錯位，以及科普活動學生參與度不足、獲得感不強等問題。我們與優質中學和教育大數據企業深度合作，將人工智能技術與傳統動手做儀器緊密結合，在提升學科素養、訓練教學能力和研究創新實驗等方面，構建起系列“三元制”新型培養模式，并將該模式貫穿于招生、培養、就業全過程，努力將物理師范生培養成為可以勝任中學物理教師、奧賽實驗教練和科學教師等崗位的德才兼備型人才。

參考文獻

[1] 中共中央，國務院．教育強國建設規劃綱要（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本源[J]．物理教師，2017，38（10）：41．

[3] 劉鋮，陳鵬．“師范熱”現象是“實質繁榮”嗎？——基于跨專業教育碩士“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備的創新管理與實踐[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——以自制教具“平面鏡成像儀器”為例[J]．物理教學，2022，44（3）：28．

基金項目：四川省研究生教育教學改革項目“以解決行業問題為導向的‘半訂單式’研究生培養模式探索”（編號YJGXM24-B036）；2024—2026年四川省高等教育人才培養質量和教學改革項目“新時代背景下物理學拔尖創新人才培養的探索和實踐”（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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