液壓傳動(dòng)原理和應(yīng)用系列教具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳登平

液壓傳動(dòng)原理和應(yīng)用系列教具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

吳登平

（廣東石油化工學(xué)院 物理系，廣東 茂名 525000）

教具的系列化設(shè)計(jì)突破了技術(shù)化和經(jīng)驗(yàn)化傾向，不僅有助于緩解物理教學(xué)中實(shí)驗(yàn)儀器匱乏的問題，還對促進(jìn)學(xué)生“物理核心素養(yǎng)”的養(yǎng)成具有重要意義．分析了教具制作與使用的現(xiàn)狀及存在的問題，提出了自制系列化教具的概念，并結(jié)合液壓傳動(dòng)的原理和應(yīng)用實(shí)例對自制系列化物理教具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用進(jìn)行說明．

自制教具；系列化；液壓傳動(dòng)的原理和應(yīng)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(guān)注．自制教具作為低成本實(shí)驗(yàn)有助于緩解中學(xué)物理教學(xué)中實(shí)驗(yàn)儀器不足的問題，且具有潛在的深層教育價(jià)值和教育功能，有助于學(xué)生的發(fā)展[1]．關(guān)于自制教具的論文和著作數(shù)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(shù)層面．通過中國知網(wǎng)高級檢索功能輸入主題詞“物理自制教具”（時(shí)間限定在2001年1月至2020年），可搜索到203條結(jié)果．通過主題詞考查其中71篇自制教具論文的研究內(nèi)容（71篇論文中研究內(nèi)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(jìn)的有23篇，關(guān)于自制教具應(yīng)用或應(yīng)用案例的有12篇，而這12篇基本是對單個(gè)教具在具體案例中應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)性總結(jié)．在搜索結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用中國知網(wǎng)高級搜索的“切換到摘要”功能考查自制教具研究的具體內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)研究者將自制教具的開發(fā)與利用的目的定位為“彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)資源或者課程資源的短缺、作為課程資源短缺的補(bǔ)充”；大多數(shù)關(guān)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(shù)和經(jīng)驗(yàn)性層面，自制教具研究存在技術(shù)化和經(jīng)驗(yàn)化的傾向，所蘊(yùn)含的教育功能有待進(jìn)一步挖掘．

系列化自制教具是依據(jù)相關(guān)學(xué)習(xí)理論，為創(chuàng)設(shè)一系列有助于激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變的連續(xù)完整的問題情境，并為學(xué)習(xí)者提供具有持續(xù)性的經(jīng)驗(yàn)支持，按照物理原理而自行設(shè)計(jì)和制作的教具群．教具的系列化設(shè)計(jì)有別于單一教具的制作及其在教學(xué)中的應(yīng)用，突破了單純的技術(shù)化和經(jīng)驗(yàn)化傾向，能夠更好地發(fā)揮自制教具和物理實(shí)驗(yàn)的教育功能，對促進(jìn)學(xué)生“核心素養(yǎng)”的養(yǎng)成具有重要意義．

１ 基于學(xué)習(xí)理論的教具系列化

現(xiàn)代學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的情境性，認(rèn)為創(chuàng)設(shè)一系列基于問題解決的情境是促使學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)意義建構(gòu)的必要前提，是教學(xué)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一．陳峰[2]提出了基于“問題串”的情境教學(xué)理論，即“在教學(xué)中圍繞著特定探究目標(biāo)，通過設(shè)置一系列有針對性的問題引導(dǎo)學(xué)生，教師在識別學(xué)生反應(yīng)的基礎(chǔ)上，采用有效指導(dǎo)策略，促進(jìn)學(xué)生不斷達(dá)成探究目標(biāo)的有效方法”．其中，所設(shè)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(yōu)勢在于能夠創(chuàng)設(shè)一系列基于問題的教學(xué)情境并通過提供系列化的經(jīng)驗(yàn)支持，幫助學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)者于真實(shí)的物理學(xué)習(xí)環(huán)境之中．

與單一教具相比，系列教具在激發(fā)、指向和強(qiáng)化學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)及學(xué)習(xí)效果方面也具有獨(dú)特作用．物理學(xué)習(xí)是極為復(fù)雜的認(rèn)識活動(dòng)，要求學(xué)習(xí)者能夠身心投入、堅(jiān)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(zhì)．教具的系列化，一方面通過創(chuàng)設(shè)一系列基于問題的物理情境，引發(fā)學(xué)習(xí)者的認(rèn)知失衡，不斷激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)；另一方面通過為學(xué)習(xí)者提供系列化的經(jīng)驗(yàn)支持，幫助學(xué)習(xí)者順利從認(rèn)知失衡過渡到認(rèn)知平衡，獲得心理上的成功感和滿足感，不斷強(qiáng)化其內(nèi)在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)行為的觸發(fā)[3]．

系列教具設(shè)計(jì)和應(yīng)用基于學(xué)習(xí)者原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)，既能促使學(xué)習(xí)者新舊認(rèn)識的碰撞，又能為學(xué)習(xí)者提供連貫性支持．一方面，教具系列化在幫助學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)原有認(rèn)知的不足、引發(fā)“認(rèn)知沖突”的同時(shí)，通過系列化教具一步步展示新知識的合理性，促進(jìn)學(xué)習(xí)者進(jìn)行理性思維、解決認(rèn)知沖突，幫助其順利完成對新知識的“順應(yīng)”[4]；另一方面，教具系列化可以在學(xué)習(xí)者原有認(rèn)知和學(xué)習(xí)目標(biāo)之間提供一系列的經(jīng)驗(yàn)支持，搭建學(xué)生學(xué)習(xí)的“腳手架”，解決“實(shí)際發(fā)展水平與潛在發(fā)展水平之間的差距”所帶來的學(xué)習(xí)困難，使學(xué)習(xí)者的認(rèn)識不斷向科學(xué)認(rèn)識發(fā)展和拓寬[5]．

2 系列教具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用示例

圍繞液壓傳動(dòng)的原理和應(yīng)用[6]自制教具的系列化設(shè)計(jì)與應(yīng)用為例，說明系列化教具的設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用．

2.1 系列化教具需求分析

通過對課程內(nèi)容和學(xué)生心理特點(diǎn)的分析，說明教學(xué)實(shí)踐中系列化教具設(shè)計(jì)和應(yīng)用的必要性．

2.1.1 課程內(nèi)容分析 液壓傳動(dòng)的原理和應(yīng)用在課程內(nèi)容上呈現(xiàn)出從理論建構(gòu)到實(shí)際應(yīng)用的邏輯主線，需要學(xué)習(xí)者逐層建構(gòu)、逐漸深化對液壓傳動(dòng)原理及應(yīng)用的認(rèn)識．液壓傳動(dòng)的原理既是新知識的學(xué)習(xí)，又是對液體壓強(qiáng)內(nèi)容的鞏固深化，是學(xué)習(xí)機(jī)械工作原理的重要基礎(chǔ)，對培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)觀察能力和理論推導(dǎo)等有重要作用．液壓傳動(dòng)的應(yīng)用有利于培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用已學(xué)知識進(jìn)行綜合分析的能力，而且液壓傳動(dòng)與生活、生產(chǎn)聯(lián)系緊密，充分體現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)與社會之間的聯(lián)系，從學(xué)習(xí)中可以讓學(xué)生領(lǐng)會物理與技術(shù)相結(jié)合的魅力，學(xué)習(xí)這部分知識有著重要的現(xiàn)實(shí)意義．

2.1.2 學(xué)習(xí)心理分析 作為認(rèn)知主體的高二學(xué)生有較強(qiáng)的求知欲和探究問題的積極性，已經(jīng)具備了一定的抽象思維和分析能力．因此，充分利用學(xué)生的這一特點(diǎn)，通過問題情境的創(chuàng)設(shè)來激發(fā)其學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，使學(xué)生能夠主動(dòng)思考并積極地參與到學(xué)習(xí)過程中．此外，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了壓強(qiáng)和機(jī)械傳動(dòng)的相關(guān)知識，已經(jīng)學(xué)會利用壓力和受力面積來求壓強(qiáng)，同時(shí)知道常見的幾種機(jī)械傳動(dòng)方式，在教學(xué)過程中要充分利用學(xué)生已有知識經(jīng)驗(yàn)解決問題，讓其充分體驗(yàn)到解決問題的成功感和喜悅感．但是，學(xué)生雖然對液壓傳動(dòng)的應(yīng)用有一定的了解，但并不能深入理解其工作原理．而且學(xué)生綜合已學(xué)知識進(jìn)行分析的能力不足，遇到液壓千斤頂和液壓挖掘機(jī)這些復(fù)雜的機(jī)械會感到困惑，難以通過知識經(jīng)驗(yàn)分析機(jī)械傳動(dòng)原理．因此，在教學(xué)中必須借助相關(guān)教學(xué)手段，采用步步誘導(dǎo)的教學(xué)策略，將學(xué)生的認(rèn)知不斷引向深入．

液壓傳動(dòng)的原理和應(yīng)用的內(nèi)容既涉及科學(xué)原理，又有技術(shù)應(yīng)用，充分體現(xiàn)了科學(xué)、技術(shù)與社會三者之間的聯(lián)系．但對高二學(xué)生來說，從復(fù)雜的機(jī)械中理解并掌握液壓傳動(dòng)原理并不容易，而且在學(xué)習(xí)過程中，既要?jiǎng)幽X，又要?jiǎng)邮郑瑢W(xué)生的要求較高．因此，教學(xué)環(huán)節(jié)易由淺入深，環(huán)環(huán)相扣．教學(xué)中借助系列化教具創(chuàng)設(shè)緊密關(guān)聯(lián)的一系列“問題情境”，為學(xué)生提供一系列具有認(rèn)知支架作用和啟發(fā)意義的感性材料十分必要．

2.2 系列化教具的設(shè)計(jì)

本示例中的自制教具結(jié)構(gòu)由簡單到復(fù)雜，涉及的問題由淺入深，遵循由原理到應(yīng)用的主線索，在認(rèn)知邏輯、結(jié)構(gòu)和技術(shù)應(yīng)用方面都存在承接關(guān)系，并通過3方面的承接關(guān)系，幫助學(xué)生順利完成認(rèn)識過程，從而形成教具的系列化．現(xiàn)將教具的設(shè)計(jì)、使用方法和意圖進(jìn)行介紹．

2.2.1 簡易帕斯卡實(shí)驗(yàn)演示儀 簡易帕斯卡實(shí)驗(yàn)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(xiàn)象，幫助學(xué)生認(rèn)識帕斯卡定律，為后續(xù)學(xué)習(xí)做好知識鋪墊．

2.2.2 針筒比力器 針筒比力器由大小2個(gè)塑料針筒通過PVC軟管連接而成（見圖2）．教學(xué)中，可以請2位學(xué)生上臺比賽，每人自行選取其中一個(gè)針筒，同時(shí)用力推動(dòng)針筒的活塞．學(xué)生會發(fā)現(xiàn)，選取小針筒者總能獲勝．針筒比力器的使用可以充分激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，活躍課堂氣氛，能夠直觀地讓學(xué)生感受液壓傳動(dòng)中“小力勝大力”的現(xiàn)象，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，為新課學(xué)習(xí)有效創(chuàng)設(shè)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(dòng)原理演示儀 液壓傳動(dòng)原理演示儀在針筒比力器的基礎(chǔ)上增加了支架，在結(jié)構(gòu)上承接針筒比力器的設(shè)計(jì)，并具有定量分析功能（見圖3）．學(xué)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(jié)合多媒體動(dòng)畫重現(xiàn)這一過程，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行分析，來解釋“小力勝大力”現(xiàn)象，建立對液壓傳動(dòng)原理的認(rèn)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(dòng)原理演示儀的基礎(chǔ)上改造而成，兩者在結(jié)構(gòu)和技術(shù)應(yīng)用方面具有承接關(guān)系（見圖4）．因前面的液壓傳動(dòng)裝置只有少量水封閉在軟管內(nèi)，要實(shí)現(xiàn)通過不斷抽壓小針筒活塞，把液體壓進(jìn)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(jié)構(gòu)和技術(shù)上加以改造（增加單向閥）．整個(gè)裝置容易拆裝，結(jié)合現(xiàn)場組裝過程和“問題串”，引導(dǎo)學(xué)生對千斤頂內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其工作原理進(jìn)行思考，幫助學(xué)生從原理掌握順利過渡到知識應(yīng)用，同時(shí)體會技術(shù)中蘊(yùn)含的智慧，感受科學(xué)、技術(shù)與社會之間的聯(lián)系．

圖3 液壓傳動(dòng)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(jī)模型 自制液壓挖掘機(jī)模型是根據(jù)液壓傳動(dòng)原理結(jié)合前面所展示的教具中的技術(shù)應(yīng)用制作出來的（見圖5）．運(yùn)作時(shí)能完成基本的挖掘動(dòng)作，挖掘功能與現(xiàn)實(shí)的挖掘機(jī)十分接近，能夠讓學(xué)生直觀地認(rèn)識液壓傳動(dòng)的實(shí)際應(yīng)用.

圖5 自制液壓挖掘機(jī)模型

綜上可見，從簡易帕斯卡實(shí)驗(yàn)演示儀到針筒比力器，再從針筒比力計(jì)到液壓挖掘機(jī)，都是從利用前一個(gè)教具的問題情境中不斷產(chǎn)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(yīng)用中“問題串”設(shè)計(jì)及其意圖

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

表1 系列教具應(yīng)用中“問題串”設(shè)計(jì)及其意圖

2.4 基于系列化教具和“問題串”的教學(xué)過程設(shè)計(jì)

基于系列化教具和“問題串”的主要教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)見表2．

表2 主要教學(xué)過程示例

續(xù)表

3 對系列化教具設(shè)計(jì)與應(yīng)用相關(guān)問題的說明

3.1 系列教具設(shè)計(jì)和應(yīng)用的一般程序

系列化教具設(shè)計(jì)、開發(fā)與應(yīng)用的一般程序概括為：基于目標(biāo)的課程內(nèi)容及學(xué)習(xí)者心理需求分析→基于問題串的系列教具設(shè)計(jì)與開發(fā)→利用系列教具創(chuàng)設(shè)基于“問題串”的學(xué)習(xí)情境，引發(fā)認(rèn)知失衡，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)→利用系列教具展現(xiàn)現(xiàn)象，產(chǎn)生認(rèn)知沖突，搭建支架，促進(jìn)概念轉(zhuǎn)變→問題解決、知識建構(gòu)→應(yīng)用（應(yīng)用中依然可遵循基于“問題串”的情境創(chuàng)設(shè)→激發(fā)動(dòng)機(jī)→搭建支架→問題解決→學(xué)會應(yīng)用的基本程序）．

3.2 系列教具設(shè)計(jì)和應(yīng)用基本原則

3.2.1 設(shè)計(jì)性原則 “設(shè)計(jì)性”意在強(qiáng)調(diào)系列教具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用應(yīng)超越教具制作的技術(shù)層面和經(jīng)驗(yàn)層面，轉(zhuǎn)向基于學(xué)習(xí)理論的“以學(xué)生為中心、促進(jìn)學(xué)生發(fā)展”為核心的教具系列化設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究．

3.2.2 激發(fā)和強(qiáng)化動(dòng)機(jī)原則 教具大都能夠激發(fā)學(xué)習(xí)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對學(xué)習(xí)者外部學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的連續(xù)性激發(fā)，而且還應(yīng)該能讓學(xué)習(xí)者在使用系列教具的過程中，不斷體驗(yàn)到通過動(dòng)腦動(dòng)手完善教具和利用教具自主完成知識建構(gòu)而獲得的成功感，使學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)得以連續(xù)強(qiáng)化，更高效地促使學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為由外部動(dòng)機(jī)向內(nèi)部動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)化．

3.2.3 促進(jìn)概念轉(zhuǎn)化原則 系列化教具的設(shè)計(jì)和應(yīng)用以學(xué)習(xí)者的原有認(rèn)知、新舊認(rèn)知之間的差距或沖突為前提，結(jié)合相應(yīng)的教學(xué)策略，有針對性地為學(xué)習(xí)者提供連續(xù)性經(jīng)驗(yàn)支持，幫助學(xué)生更順利地完成概念轉(zhuǎn)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(chuàng)設(shè)問題情境的連續(xù)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(xué)習(xí)思維的中斷和學(xué)習(xí)情境的“失真”，更好地將學(xué)習(xí)者置于連續(xù)、完整和真實(shí)的問題情境中，以提高教學(xué)和學(xué)習(xí)效率．

[1] 范增，吳桂平．試論低成本實(shí)驗(yàn)在民族地區(qū)中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用[J]．民族教育研究，2013，24（1）：64-67

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

[3] 梁樹森．物理學(xué)習(xí)論[M]．南寧：廣西教育出版社，1996

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

[5] （美）申克．學(xué)習(xí)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(chǔ)教育課程資源研究開發(fā)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(xué)規(guī)劃課題“十三五”規(guī)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(yǎng)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(xué)論、教師教育研究．E-mail：wudengping824@163.com