作者
段满益1、帅晓红1、唐世杰2、袁令民1、代珍兵1、王强1、王锐1、王俊涛1、闫从华1
（1. 四川师范大学物理与电子工程学院；2. 成都七中；*通讯作者）
摘要：为弘扬和践行教育家精神，探索将自制仪器作为重要抓手，丰富特色课程，创新项目化运作之路，提出“精工仪器、洞见本质、启迪未来”的自制仪器理念，并组建了校外中学教师、校内学科教师与电子信息类专业教师三位一体的研究共同体，形成了核心环节及推广模式，带来了课堂教学与科学普及的显著成效。
关键词：自制仪器 现实动因 运作样态 实施成效 科学普及
2025年初，中共中央、国务院印发的《教育强国建设规划纲要（2024—2035年）》，强调要“提高师范教育办学质量”[1]。这既是教育强国建设的重要组成部分，又是师范院校的重要职责和内在要求，对于建设高素质专业化教师队伍，具有重要意义。物理学是一门以实验为基础的学科，实验教学和实验仪器在物理教育中拥有基础性地位。自制仪器是对常规实验仪器的有效补充，特别是在展示物理图像和帮助学生理解物理本质方面有着不可替代的作用。作为体现“提高师范教育办学质量”思路、落实“提高师范教育办学质量”目标的重要抓手，自制仪器的创新实践不仅有强大的育人功能，而且展示出推动教育生态优化的社会价值。这种将专业特色与教育规律深度融合的实践路径，已成为四川师范大学物理与电子工程学院持续探索的重要领域。学院传承“精工仪器、洞见本质”的优良传统，其研发成果曾入选教育部《中学理科仪器配备目录》，在基础教育领域产生广泛影响。面对新时代教育发展的新要求，我们不禁思考在教育教学资源日益丰富的今天，为何仍需坚持自制仪器？这种创新实践如何通过项目化运作实现可持续发展？其在人才培养模式创新和社会服务效能提升方面，又蕴含着怎样的时代价值？针对这些关键命题，四川师范大学物理与电子工程学院立足师范教育本质特征，结合学科专业特色优势，开展了系统深入的探索实践。本文结合具体案例，就上述问题作初步探讨，以期为师范教育创新发展提供有益参考。
自制仪器的现实动因
作为以培养教师为己任的师范院校，其培养的教师不仅需要宽广的理论视野，而且也需要深厚的实践创新能力。但在物理师范生培养过程中，常常面临3个方面的问题。
部分课堂实验演示效果差，导致学生理解物理本质难
物理学作为基础学科，具有知识体系庞大、应用场景多元的特点，而部分实验器材存在精度不足、适配性较弱等问题，导致学生在物理本质认知层面存在理解障碍。在物理学专业课堂中，部分专业教师存在重理论推导、轻实验操作，或用视讲实验、仿真实验代替真实实验的做法。对那些在课堂中做实验或演示实验的教师而言，也常遇到因仪器的精度或匹配度等原因，导致实验现象不明显[2]、演示效果差。此外，不少中学物理教材中的实验也存在难演示、难重现的问题。例如，在薄膜干涉实验中，教材中推荐用肥皂膜或是油膜，但一线教师普遍反映实验现象不明显、稳定性较差。这就使得无论是大学课堂还是中学课堂，都难以借助既有实验器材帮助学生透过物理表象深入知识内核，导致学生在知识建构过程中容易陷入“知其然而不知其所以然”的学习困境，难以形成系统化、深层次的物理认知。
跨专业报考比例攀升，导致学生专业素养明显不足
人才培养需要一定的连续性，专业训练也需要一定的积累性。但近些年，在报考学科教学（物理）方向研究生的考生中，非物理学专业的考生比例在不断攀升。例如，不少考生来自电气工程、医学和人力资源管理等较大跨度的专业[3]。由于这类学生对物理学科知识“欠账”太多，对物理学的学习缺乏系统性和纵深性，就使得他们在物理学专业知识的积累上，以及专业技能的训练方面均明显不足。
大中衔接缺乏抓手，导致人才供需错位率较大
当前，高校与中学之间存在资源未能有效互通的情况，物理师范生培养也呈现脱节的态势，协同联动不足[4]。从需求侧看，中学在师资配备上，除了需要常规的物理学科教师外，不少优质中学还急需能指导奥赛实验、自制实验仪器并开展科技创新活动的教师，这就对物理教师及师范生培养提出了更高的要求：不仅需要扎实的专业知识，还需要具备电子信息、人工智能、机械加工、通用技术等相关学科的知识和素养。而从供给侧看，师范院校在本科生和研究生的培养过程中，由于未能充分对接行业需求，缺乏有效的跨专业交叉训练，导致培养出的毕业生无法完全满足实际岗位需求，进而错失了许多高质量的就业机会。
为了解决上述3个方面的问题，四川师范大学物理与电子工程学院不断寻求自我破解之道。经过近50年的尝试与探索，学院不仅将自制仪器作为办学特色之一，而且还以自制仪器为桥梁和载体，沟通行业，联系中学，构建了较为成熟的本科生—研究生—中学教师“三层一体化”培养体系，实现了“小马拉大车”的成效。
自制仪器的运作样态
自制仪器的成型并非自然而然的过程，而是主动探索的结果。这里将呈现四川师范大学物理与电子工程学院如何基于历史积累与课程重构，通过一系列策略探索出项目化运作的基本样态，从而将校内资源与校外资源、人才培养与社会服务融合在一起。
自制仪器的历史积累与课程重构
四川师范大学物理与电子工程学院自制仪器的历史悠久、根深叶茂，大致经历了萌芽初创（1980—2000年）、持续发展（2001—2012年）和协同创新（2013年至今）3个阶段，出现了李俊伦、潘学军等代表性人物，开创了多门自制仪器特色课程。其中，作为全国首创，学院开设的“物理实验研究与创新”等自制仪器特色课程，将自制仪器与物理课程教学、公益推广、科普教育深度融合，实现了自制仪器价值的多样化、整体化。在此基础上，学院依托物理学、电子、通信等工科专业的内在关联，在常规专业课程体系之外，尝试打破专业壁垒，着力推进课程重构。例如，学院自主开发“人工智能与教育大数据”课程，并将其与自制仪器相关课程相结合，让人工智能赋能创新实验项目的开发与实施。最终形成“物理学专业课程＋教育学相关课程＋电子信息、人工智能、机械加工、通用技术课程”的课程结构体系。目前，学院正规划构建“微专业”跨学科课程体系，拟将多个其他专业课程纳入其中，形成以自制仪器为核心的微专业课程体系。
图1 四川师范大学物理与电子工程学院自制仪器发展的3个阶段
自制仪器的共同体组建与项目运作
为了让自制仪器行稳致远，四川师范大学物理与电子工程学院采取了两项关键举措。
一是学院牵头组建了“校外中学教师＋校内学科教学师生＋电子信息类专业师生”三位一体的研究共同体。其中，校外中学教师提供一线教学痛点、难点，校内学科教学师生进行问题识别与学理剖析，电子信息类专业师生注入技术研发能力，三类主体合力构成“问题提供—学理剖析—技术助力”的强大支撑力量，为基于问题解决的自制仪器设计奠定了坚实的基础。
二是以项目化方式展开协同运作，具体又可分为以下4个核心环节：
环节1.问题识别 以“从中学来，到中学去”为导向，依托四川文通云大数据科技有限公司的平台优势，构建了问题精准识别机制，由合作中学通过平台反馈物理教学中的疑难问题，企业用人工智能对数据进行分类、量化、编码和分析，精准定位学生核心痛点与知识难点，识别出有价值的问题。这一环节的展开，可以让自制仪器始终围绕中学物理教学中的真实疑难问题而展开。
环节2.立项研发 以中学物理教学中的真实疑难问题为中心，中学与大学联合立项。在此基础上，四川师范大学物理与电子工程学院组织本科生和研究生构建团队，在研究共同体指导下，分工设计、动手制作实验仪器，同步开发人工智能情境模拟等配套资源，形成了“实验仪器＋数字资源”等多样化产品。
环节3.成果应用 研发出来的自制仪器和数字资源通过专门的网络平台向中学开放，中学教师可以作为教学素材，中学生可以用于自学。这样就可以直接服务于中学物理教学实践，检验其科学性、便捷性和有效性。
环节4.反馈优化 中学师生使用自制仪器后，再通过平台客观真实地反馈效果，提出改进建议，研究共同体则带领学生团队基于反馈进行优化升级，使自制仪器在应用、反馈、迭代中逐步完善。
基于以上4个环节，我们研制了系列自制仪器，如波动光学综合演示实验仪、光电效应演示实验仪、薄膜干涉演示实验仪、定量探究压强演示实验仪、定量探究共振条件演示实验仪和楞次定律探究演示实验仪等。
图2 部分自制仪器
自制仪器的推广模式与平台搭建
为了让自制仪器服务更多学校的师生，四川师范大学物理与电子工程学院成立了自制仪器公益推广基金，组建了自制仪器联盟，开展了多项自制仪器公益推广活动。推广活动遵循“以元件换仪器”的原则，其基本模式为：有需求的教师可自愿申请，购买相应元件后，由四川师范大学物理与电子工程学院组织师生志愿服务团队，依据申请者的需求进行设计和制作，或对已有仪器进行复制组装，调试合格后寄送给申请者。同时，申请者及单位需签署《自制仪器使用承诺书》，保证仪器仅用于教学，不得商用。上述推广模式可细分为三步：一是提出需求，中学或高校可申请已有实验仪器，或提出特殊教学需求的仪器研发需求；二是合作研发，志愿服务团队负责复刻或研发，遵循“以元件换仪器”的原则并落实使用承诺；三是公益推广，每套自制仪器制作3件，分享给校外申请者、校内制作者及低年级学生（供改进升级）。该模式旨在以自主研发的实验仪器弥补常规仪器的不足，服务物理课堂，并助力教育欠发达地区物理教育均衡发展。与此同时，为集中展示在自制仪器、学科竞赛和科学普及等方面的成果，学院依托师范生教学能力训练国家级实验教学示范中心（四川师范大学），组建创新实验研究中心，并依托该中心，参加成都市科协、德阳市科协、绵阳市科协、眉山市科协等组织的科普研学活动；组织“仪创兴乡”暑期社会实践队，前往宜宾市屏山县，为爱心暑期托管班和社区爱心托管班开展科普活动。
自制仪器的实施成效
自制仪器的价值不仅在于仪器本身，更在于通过自制仪器最终促进学生专业素养提升，并惠及更多地区和学校。我们本着“精工仪器、洞见本质、启迪未来”的自制仪器理念，希望用自制仪器之光激发学生的求知热情，增强教师的教学自信。事实上，自制仪器确实带来了显著成效：形成“互惠三角”，促成“多元整合”，达成“积极效应”。
形成“互惠三角”
学院开展自制仪器项目化运作的核心目标是培养学生主体（本科生、研究生），如果没有这一主体，自制仪器项目化运作就没有存在的理由，项目化运作过程也就难以持续，此即学生是主角。与此同时，中学或企业是自制仪器项目化运作的基础，为项目开展提供教学需求、实践场景，或提供平台技术与数据服务，因而中学或企业是重要角色。在这三者关系中，学院亦是关键角色，它既为自制仪器项目化运作提供实践场地与操作说明，又为自制仪器项目化运作提供学术力量与技术指导。可以说，中学或企业从学院的自制仪器项目中获得回馈，学生则通过自制仪器项目的体验式学习让专业素养得到显著提升[5]。当然，学院的自制仪器项目化运作依托于学生和教师素养的提升、中学和企业疑难问题的提供而获得持续运作。总之，学生、学院、中学或企业不仅存在互惠关系，而且也环环相扣、不可或缺，形成“互惠三角”。
促成“多元整合”
一是主体整合 在自制仪器项目化运作中，同时吸纳学生、学院、中学或企业三个方面的主体，并激发各个主体的主体性力量和优势，有利于打破单一主体行动局限，代之以对不同主体长处和力量的吸纳与发挥，让每个主体做其能做的事，做其擅长的事。
二是资源整合 在自制仪器项目化运作中，一方面整合中学教学痛点、疑点、难点问题与企业大数据分析资源，将零散的教学痛、疑、难点转化为精准攻克的目标；另一方面整合高校学术力量与技术资源，实现不同资源的有效整合。
三是目标整合 在自制仪器项目化运作中，能够整合服务中学物理教学与高校人才培养的双重目标，通过解决教学痛点、疑点、难点，提升中学物理课堂教学质量，还能让师范院校学生在项目中锻炼综合能力，形成特色育人成果，实现双向协同发展。
达成“积极效应”
近年来，四川师范大学物理与电子工程学院主导设计、制作并推广的自制仪器有30余种，服务全国12个省级行政区的300余所中学及16所高校，普惠大学和中学物理教育，吸引来自全国的500余名师生到实验室亲自制作仪器，动手做科学，获得师生一致好评。系列自制仪器获得7项专利，以及“格致杯”“华夏杯”等全国性自制仪器比赛一等奖20余项，被“学习强国”“中国教育在线”“今日头条”、《四川工人日报》等媒体报道，并被四川省总工会评选为“五小”优秀创新成果。特别是，“光线—光波—光子”系列演示实验仪被中国科学技术大学光学与光学工程系、中国光学学会成都科普基地（天府兴隆湖实验室）使用。同时，学院与成都七中构建本—硕—博“半订单式”培养模式，即中学提出人才需求，高校与中学联合培养，中学择优录用。此外，学院还向凉山州、阿坝州等地的中学捐赠了180余套自制仪器，改善乡村中学物理实验器材匮乏的问题，助力教育均衡发展。
2025年，在中国青少年科技教育工作者协会的指导下，学院承办了协会物理教育与普及专委会年会，参与组织了协会年会的科学教育“自制仪器助力物理教学与科学教育”工作坊，来自全国的50余名中学物理和科学教师亲手制作仪器。我们还参与了“一带一路”青少年科技创新伙伴计划四川行暨第九届“一带一路”青少年创客营与教师研讨活动，承办主题为“以自制仪器之光，推动共建国家科技教育实践与创新”的国际青少年科技教育教师主题工作坊，为30余个国家（地区）的100余名师生介绍并分享自制仪器，还与津巴布韦科学博览会建立起了自制仪器使用和专项制作培训的合作机制，积极推动优质教育资源共享，践行“人类命运共同体”理念。
图3 中国青少年科技教育工作者协会2025年会科学教育工作坊现场
图4 向凉山州、阿坝州等地的中学捐赠自制仪器
四川师范大学物理与电子工程学院将自制仪器作为解决教学疑难问题、实现大中衔接、动手做科学等的载体，有效破解了物理师范生培养与基础教育需求错位，以及科普活动学生参与度不足、获得感不强等问题。我们与优质中学和教育大数据企业深度合作，将人工智能技术与传统动手做仪器紧密结合，在提升学科素养、训练教学能力和研究创新实验等方面，构建起系列“三元制”新型培养模式，并将该模式贯穿于招生、培养、就业全过程，努力将物理师范生培养成为可以胜任中学物理教师、奥赛实验教练和科学教师等岗位的德才兼备型人才。
参考文献
[1] 中共中央，国务院．教育强国建设规划纲要（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．有效利用自制仪器回归物理教学本源[J]．物理教师，2017，38（10）：41．
[3] 刘铖，陈鹏．“师范热”现象是“实质繁荣”吗？——基于跨专业教育硕士“跨考”行动逻辑的分析[J]．研究生教育研究，2025（2）：71-72．
[4] 王文君，冉栋刚，付庆玖，等．高校自研自制仪器设备的创新管理与实践[J]．实验室研究与探索，2022，41（6）：302．
[5] 沙琦波．丰富实验探究提升思维品质——以自制教具“平面镜成像仪器”为例[J]．物理教学，2022，44（3）：28．
基金项目：四川省研究生教育教学改革项目“以解决行业问题为导向的‘半订单式’研究生培养模式探索”（编号YJGXM24-B036）；2024—2026年四川省高等教育人才培养质量和教学改革项目“新时代背景下物理学拔尖创新人才培养的探索和实践”（编号JG2024-0709）
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来源 | 《中国科技教育》2025-10
编辑 | 孟想
审校 | 若惜、朱志安
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