物理教学中引导学生参与科技小制作与小发明

美国着名管理学家迈克尔·波特教授提出:“任何产业都有可能通过增加知识投入来提升其附加值”。因此,知识的价值越来越大,生产知识的科技工作越来越重要,科技竞争成为全球综合国力竞争的焦点。

梁启超先生在《少年中国说》一文讲过“少年智则国智,少年富则国富,少年强则国强,少年进步则国进步……”,因此,激发青少年科技制作与小发明的兴趣,培养青少年发明创造的意识,开发青少年发明创造的潜能,是进行素质教育的重要任务。创新要从教育抓起,创新要从小做起,创新意识要从这里起步,这就显得对青少年科技创新教育尤为重要。

从物理学科的角度来讲,引导学生进行科技小制作和科技小发明是对学生进行科技教育的重中之重。本文就谈谈如何引导学生参与科技小制作与小发明活动。

一、教师要树立素质教育观

1.物理教师应接受物理大师教育思想

物理学本身是以实验为基础的一门严格定量科学。物理学中所有的结论都是物理现象和实验事实升华的结晶;求真务实,一切从实际出发的科学态度和力戒弄虚作假,倡导严谨求实,一丝不苟的作风,都贯彻于物理教学的始终;还有物理学家为造福人类探索知识而不怕牺牲,无私奉献,孜孜不倦,开拓创新的科学精神以及渗透在物理学中瑰丽多姿、丰富多彩的科学研究方法(像观察、实验、假设、理想模型、等效替代、科学推理等),这些都无不给学生以深刻的熏陶和感染,促进学生科学素养的形成和提高,从而为学生深入学习,为将来从事科研,从事创造工作打下扎实的基础。伟大的物理学家爱因斯坦说:“学校教育的目标,不仅应当培养有独立行动和独立思考的个人,而且培养学生把为社会服务看做是自己人生的最高目的”。要通过教育使个人自由而有责任心的发展,使他得以在为全人类的服务中自由地、愉快地贡献出自己的力量”。他还指出学校教育“应当防止向青年人鼓吹那种世俗意义上的成功作为人生的目标,看一个人的价值,应当看他贡献什么,而不应看他取得什么”。爱因斯坦还明确地指出:“学校的目标始终应当是,青年人在离开学校时,是作为一个和谐的人,而不是作为一个专家”。这位伟大的物理学家的教育思想是:要培养具有创新精神和全面发展的和谐人。从物理学的特点来看,物理学应该注重“物”的过程,然后才到“理”的结论。物理教学恰恰应该而且完全能够在形成和提高学生的科学素养方面作出自己的贡献。物理的课堂教学应注重实验与探究,也要注重科技小制作与小发明的教学。物理教师应该根据物理学科的特点,接受物理大师们的思想,对学生进行素质教育。

2.教师应接受最新教育理念

《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》明确指出:“中小学要由‘应试教育’转向全面提高国民素质的轨道,面向全体学生,全面提高学生的思想道德、文化科学、劳动技能和身体心理等素质,促进学生生动活泼地发展。”为此我国将原来的“教学大纲”改为“课程标准”。课程标准提出了三条改革:第一是课程的价值趋向从精英教育转向大众教育;第二是课程目标着眼于学生素质的全面提高;第三是从只关注教师教学转向关注课程实施过程。课程标准规定教学改革的主要任务是:首先真正确立起与新课程相适应的体现素质教育精神的教育观念。观念是行动的灵魂,教育观念对教学起着指导和统率的作用,一切先进的教学改革都是从新的教育观念中生发出来的;一切教学改革的困难都来自旧的教育观念的束缚;一切教学改革的尝试都是新旧教育观念斗争的结果。确立新的教育观念,是教学改革的首要任务。教育观念不转变,教学改革无从谈起;教育观念一转变,许多困难迎刃而解。教师只有提高认识,强化责任,把教育思想观念统一到素质教育的要求上来,统一到新课程的方向上来。教育观念的转变将会真正焕发出教学的生命力和创造力。其次,要坚定不移地推进教学方式和学习方式的转变。先进的教育观念要通过先进的教育方式体现出来,此外,教育观念转变本身也要在教育方式转变中进行,二者是相辅相成的关系。观念不转变,方式转变就没有了方向,没有了基础;方式不转变,观念转变就失去了归宿,失去了落脚点。所以,教学改革既要重视观念改革的先导作用,又要重视方式改革的载体作用。教学改革不仅要改变教师的教育观念,还要改变他们每天都在进行着的习以为常的教学方式、教学行为。就教与学关系而言,教师教育观念、教学方式的转变最终都要落实到学生学习方式的转变上。学生学习方式的转变具有极其重要的意义,这是因为学习方式的转变将会牵引出思维方式、生活方式甚至生存方式的转变。学生的自主性、独立性、能动性和创造性将因此得到真正的张扬和提升。学生不仅将成为学习和教育的主人,而且还将成为生活的主人,成为独立的、积极参与社会的、有责任感的人。学习方式转变因此被看成是课程改革的显着特征和核心任务。

课程标准强调实现学生学习方式的根本变革,转变学生学习中这种被动的学习状态,提倡和发展多样化的学生学习方式,特别是提倡自主、探究与合作的学习方式,让学生成为学习的主人,使学生的主体意识、能动性、独立性和创造性不断得到发展,发展学生的创新意识和实践能力。物理课程标准指出:科学探究既是学生的学习目标,又是重要的教学方式之一。在科学探究中,学生像科学家构建、描述科学原理那样经历探究的过程,将自己的经验协调起来并纳入逻辑系统,从而形成科学的概念与原理,建立自己的知识结构,使认知结构、知识技能、情感态度及价值观都得到发展。教师在探究教学中要立足于转变学生的学习方式,培养学生的独立性和自主性,引导他们质疑、调查和探究,学会在实践中学,在合作中学,逐步形成适合于自己的有效的学习策略。学生在探究中学会动手实验、学会动手制作,还要在课外活动中学会科技制作与小发明,这才是落实课程标准的有力保证。作为物理教师,应贯彻国家教育方针,接受最新教育理念,真正树立正确的素质教育观。

二、教师要向学生渗透科技制作与小发明活动的意义

开展科技制作或小发明活动,一般先进行宣传,或以黑板报形式通知或以文件形式通知。组织形式上常以教研组或任课教师为组织者,成立兴趣小组,再布置任务。在宣传和组织的过程中,多渗透活动的意义。最好是通过培训讲座,联系学生身边熟悉的生活现象,讲解科技制作与小发明活动的意义。

1.科技制作与小发明活动是素质教育赋予我们的任务

小制作包括模型制作、教具和学具制作,小发明是科技创新的一组成分子,它们都是科技教育的一部分,也是素质教育一部分。物理学科完成这些工作是课程标准规定的一个环节,教育部对这类活动安排了各种竞赛,并对出类拔萃者进行表彰。开展这类活动正是素质教育交给我们的任务,不是什么“不务正业”。

2.科技制作与小发明活动可激发我们的学习兴趣,对我们的学习起促进作用

搞科技制作与小发明活动,我们从中可心发现物理的神奇、自然的奥秘,在物理海洋中探索,寻找到我们要的东西,促进我们提出问题,帮助我们解决问题,甚至启发我们得到新的发明,为人类的进步作出贡献。通过这些活动,我们会发现学习物理是有用的,它会使我们对物理产生兴趣。当我们形成一定的动手操作能力后,我们科技制作活动中就会有创新意识,自己想做别人没做的东西,这时我们就感到知识的不足,它会促使我们克服别人难以克服的学习困难,不断去学习新的知识,想将它拿来为我们的需要服务。当在活动中我们获奖了,我们便发现自己是同类人中的佼佼者,当我们的发明获得了国家专利,我们会发现自己有更大的创造潜能。这时,我们会发现学习物理的价值,它会促进我们不断向更高、更深处学习。

3.科技制作与小发明活动可启发我们思维、开发智力,提高学习效率

当我们思维能力还处于有待提高的过程中,往往依赖于直观思维或形象思维。如我们在学习声音由振动产生的,一开始对“振动”不够理解,把它和“运动”或“力”的作用搞得模棱两可。可教师将敲响的音叉一端接触水面时,我们会看到水花左右、上下飞溅,这时我们很快明白所谓的“振动”是物体围绕一个位置,在平面或立体空间内往复运动。在物理学习过程中,老师会用实验室已有的教具或自己制作的教具进行演示实验,同时也会要求同学们自制教具或学具来配合老师的教学。在这个过程中它可开发我们的抽象思维、想象力,同时会加速我们智力的开发。这样学习起来会变得轻松,正因为它形象可见,又能帮我们理解,更容易记忆,学习效率自然会提高的。

4.科技制作与小发明活动可以培养我们的操作能力和创新能力

培养学生的操作能力和创新能力是素质教育的一个核心任务,每年中考的实验加试占10分,科技创新获奖在中考中加分也都充分说明这些能力的重要。但这些能力怎样得到培养呢?除了平时分组实验我们要认真完成以外,更重要的是平时活动课要多开展科技制作活动,同时要想到把别人都没有制作出来的东西通过自己的想法将它制作出来,一旦成功,它便是一个小发明。这样,经过一段时间的训练,我们在实验操作时动起手来便更快,从来没有的东西我们也会通过想象结合动手能力将它摸索出来,这样便形成的操作与创新能力。

三、教师要注重向学生渗透科技制作与小发明方法

教育的真谛是“关注孩子的成长,重在教育的方式和方法”,简而言之,便是《老子》中所说的“授人以鱼不如授人以渔”。巴甫洛夫认为:“重要的是科学方法,科学是思想的总结,认识一个科学家的方法远比认识他的成果价值要大”。同样,教学生搞科技制作和小发明活动,仅注重帮学生某一单个活动是没有用的,关键是在平时的教学中、在制作的实践活动中不断渗透科学方法,让学生先知道方法,然后教师与学生一道实践,在实践中提高操作能力,并在方法的引导下,提高创新能力。

1.讲解或渗透科技制作与小发明的方法

科技制作与小发明的方法很多,一般在教学时或讲座时我们讲解以下方法:

(1)组合法:相同或不相同的事和物,经适当的组合会创造出另一种新事物,并且会产生难以预料的作用。例如,将摩托车上的闪光器与录音机上的电源变压器组合,就变成了一简单的“直流—交流变换器”,又如,学生用的放大直尺,就是在直尺上镶嵌一个凸透镜,它便是一个小的发明。

(2)观察法:通过观察发现某些事物的功能或特性,再借鉴这些特点,从而制作或发明新的产品。如我国古代的日晷就是根据观察制作的计时工具。又如,我们做平面镜成像实验时,要求同学们带玻璃板,并制作支架,一位同学从商店里用两个铁夹夹立一塑料片这一现象中得到了启发,他直接带两个大铁夹子来,便将玻璃板支撑起来了,也就成了最简单又牢固的支架。

(3)补短法:某些用品或器具总是有些缺陷,设法改进它,并将它制作出来。例如,实验室的测力计的最小分度是0.2N,但实验时要测出0.1N以下的力,这时就感到测力计的缺陷,某同学将4根相同的弹簧串联,制作一个新的测力计,相当于将原来刻度间的距离放大了四倍,便成了精确度高的测力计。而另一同学却用细的橡皮筋自制了一个小量程及小分度的测力计。他们这些制作都能改进原测力计的不足之处。而实验室精确度高的仪表,内表盘上附一块小

的平面镜,就是根据普通仪表在读数时视线难以与刻度盘垂直而改进的。

(4)替代法:根据某些事物的功能相同或相似、原理相近、在数量上相等或成比例,从而设计出的作品。例如,某同学制作一种“水质量测量仪”实际上是一种大量筒,根据水的体积与质量对应,因为1mL水的质量就等于1g这一原理进行等效替代的。又如,某同学发明了一种“固体密度秤”,它实际上是用一等臂杠杆与溢水杯制作的质量比例秤,因为物体浸没在水中排开水体积与物体体积是相等的,这时物体的质量是水质量的几倍,则它的密度就是水密度的几倍。

(5)转换法:有些物理现象或物理量看不见、摸不着,常根据它们引起的一些效应,将这些现象或物理量转化成看得见、易显示的量来研究。例如,制作声音由振动产生的教具,温度计、电流表的发明等。

(6)模仿法:有些事物根据它的外形或功能或用途,模仿出作为其他用途的作品。它还包括仿生法。例如根据蚊子发声的音色,发明出驱蚊器,根据鱼的游泳特点,制作出机器鱼。

(7)联想法:联想就是由某种事物想起和它有关的事物。例如,由弹簧测力计联想到制作浮力测量计;由太阳能热水器联想到发明“太阳能热水器自动关水装置”。

(8)逆向思维法:从问题的相反方向,或倒过来去思考,从而制作或发明的作品。例如从打气筒想到了抽气筒的制作;由力可使物体形变想到了从形变检测力的存在,从形变大小想到了力的大小的测量,从而制作测力计。

(9)扩用法:扩用法就是要对一物件或产品提出,如果改变一下;或改造一下;或改装一下;或添加点什么是否还有别的用处?例如,用气压计制作高度计,用温度计制作自动控制开关。利用测电笔增加振动装置发明成“振动式测电笔”。

(10)需要法:“需要乃发明之母”,往往根据实际需要,设计和制作出的作品。例如,在没有天平,但有砝码的情况下,制作出的“滑轮式天平”。当我们发现太阳能热水器冬天水管易结冰而胀破水管时,需要在结冰前将水管内的水排空,根据这一需要,从而发明了“太阳能水管自动防结冰装置”。

2.在科技制作的评奖过程中对作品所用的制作方法进行点评

学生知道制作与发明的方法,但往往不能自己运用,正如教师上课讲完一节新课,但没有讲解一些例题,学生往往不会自己做题。教师对某些优秀的小制作或小发明包含的科学方法进行点评,学生听多了,便能领会各种方法的应用。例如,某同学制作发明了“简易导体与绝缘体检测器”,它是用LED发光管、直流电源、开关、两个测试笔组成的。当两测试笔与任何导体接触LED发光管便发光,但与绝缘体接触则不发光。它的优点是可在低电压下检测人体或地面是导体,这是课本实验器材无法实现的。教师点评时,可以这样说:该作品是在观察课本实验器材的基础上发现原有器材的不足(缺陷),从而运用了补短发明法。在运用补短发明法之前,可能用到了观察法与比较法,即观察到现有器材在不同导体下的发光情况与不发光情况,但不发光时偏偏也是导体(水或土壤),又观察LED发光灯在低电压、大电阻下都能发光,于是用LED灯代替小灯泡,使实验产生了很好的效果。这其中也用到了替代法与转换法。通过讲解,学生对作品仔细分析,再自己对照制作与发明的方法,便会领悟具体的方法,才能学会运用科学方法。

四、教师要设法促进与引导科技制作与小发明活动的开展

1.以身作则,言传身教

王夫之说“身教重于言传”,陶行知先生也说过“要学生做的事,教职员躬亲共做;要学生学的知识,教职员躬亲共学;要学生守的规则,教职员躬亲共守”。他还说“要想学生好学,必须先生好学。唯有学而不厌的先生才能教出学而不厌的学生”。所以,我们要学生搞科技制作和小发明,教师应先搞起来了,或者是与学生一起搞。一个优秀的科技辅导教师在上课时,应尽可能地用自己制作的教具进行演示实验,同时还要讲解自己教具的优点、制作方法等。当然要做到这点,教师要有很高的素质,这种素质主要来源于平时的积累。苏霍姆林斯基说:“教师进行劳动和创造的时间好比一条大河,要靠许多小的溪流来滋养它。教师时常要读书,平时积累的知识越多,上课就越轻松”。其实,理科教师,表演的是艺术,积累的是教学方法及技巧与解题能力,更重要的是动手能力和创新能力。人们常说“要给学生一碗水,教师要有一桶水”,这个道理是说教师展现出很多东西,而学生学到的只是其中的一部分。搞科技制作和小发明,一般每次学生能获奖的只有几件作品,而教师能掌握的应是他们的总和。教师带学生走进实验室或活动室时,要能随时随地展现自己或他人科技制作或小发明的一部分,并能随时详细讲解,只有这样,才能给学生树立榜样,才能让学生敬佩,才能感召学生,才能使学生乐意模仿教师。

2.召开科技制作与小发明动员大会

每学期召开一次有关科技制作与小发明的动员大会,在大会上宣读上届市级或省级或国家级获奖学生名单,由学校相关领导给这些学生发证书、奖品或奖金,鼓励他们继续参与科技制作与小发明活动并引导更多的学生参与到这一活动中来。再由专人讲解活动的意义。接下来请科技辅导员对学生获奖作品进行点评,评优点、评制作或设计的方法、评创新点等等。最后请科技辅导员讲解科技制作与小发明的科学方法、选题方法。特别是讲选题方法:选题是先要能发现问题,从现有作品上发现能否增强它的功能,能否填补什么空白?怎样从性能上提高,找到什么捷径?能从品质上提升,做到方便简易?能否降低成本又能提高效益?能否做到节约资源达到可持续发展?能否做到保护环境?能否做到保护人身安全?另外,选题时要注意以下要素:

(1)科学性。选材时要具有科学性,符合科学原理,不能违背科学而主观臆想。如不能去发明永动机,更不能搞一些具有迷信色彩的东西。

(2)趣味性。青少年科学制作与小发明不是纯科研性的东西,所以要灵动、活泼,具有趣味性,能激发自己的创造热情,开发创造潜能。

(3)可行性。青少年高科技制作或发明创造时受条件限制,不具有规模大、设备全的实验室,学校实验室也只是一些演示实验器材,所以青少年创造发明要利用日常生活中常见的东西来做,不能异想天开而又无从下手,结果只能挫伤自己的积极性。

(4)实用性。“需要是发明之母”,每一项科技制作或发明要具有实用性,对社会有用。这样才能培养自己为全人类幸福而创造发明的精神,而不是单凭个人兴趣去研究,甚至对人类有害的东西。爱迪生说过:人类有品质和智慧两台发电机,只有同步运转才能正常工作,而智慧已经脱离了理性在发展,对人类的生存造成了威胁,所以青少年一定要树立为全人类的幸福而研究的理想。

3.成立活动小组,精心辅导

在动员大会的基础上,学生向班主任或辅导教师报名参加活动小组,活动小组安排时间对学生先进行理论辅导,如科学方法、对原来已有的课题分析、课题是如何做的、下一步课题的发展方向等。另外是带学生到实验操作室,由教师讲解并演示各类工具的使用方法、注意事项等等,教师要边演示边讲解,同时要在教师手把手的情况下教会学生操作。每当上实验课之前,教师示范制作教具,请学生模仿制作教具或学具,对有创新的同学的作品进行点评,并对该同学进行表扬。当学生发现创新或小发明的课题时,还应辅导学生如何去查新,分析与论证课题的可行性、价值如何?应该从哪些科学方法入手进行设计,怎样去制作等等。当然,学生的动手操作能力、创新能力达到一定程度的时候,许多环节教师可以让学生自行完成。

4.引导学生学会合作,共同攻克难题

一个科技制作或小发明,往往涉及多种知识、多种科学方法、多种制作元件、多种制作技巧、多种制作工序,可进行多种组合。一个人的力量往往是很单薄的,在元件的筛选、综合组合后的试调、对作品功能的评价方面,单靠一个人是无法作出完善评价的。往往一件优秀作品可能是多位同学智慧的结晶、或者是在多位教师的指导下才能完成。所以,在学生制作过程中、在学生发明过程中,除教师进行原理、技术的指导外,还应引导学生,请同学之间进行交流、帮忙、评价、会诊和改进。在同学之间合作时,往往还能将对方家长引入合作项目之中,家长还会引入他们的亲朋。这样,一件作品,即使是两人合作的,加上老师、家长、亲朋就聚集了许多人的智慧,比一个人在无外援时制作出的作品更有优点或创新点。

5.鼓励学生独立思考,进行创新发明

我们鼓励学生之间的合作,但也不排除独立思考完成发明的存在。在全国青少年科技创新大赛上,我们发现独立完成创新活动的人占大多数,这是因为,能独立完成的作品,它的价值更高,同样的作品,在评比中更易获胜。所以,在学生动手制作能力、创新能力达到一定程度时,我们就鼓励学生自己选取课题,确定研究方案、寻找研究方法、独立完成课题。当然不排除教师或家长的指导。

五、教师要升华科技制作与科技创新的成果

1.经常评奖,并以喜报形式公开

苏霍姆林斯基说:“教育者应当深刻了解正在成长的人的心灵……只有在自己整个教育生涯中不断地研究学生的心理,加深自己的心理学知识,才能够成为教育工作的真正的能手”。在科技制作与小发明活动中,学生的动力来源于对科学的兴趣与热爱,也来源于对教师的崇拜,更源于对他们的成功的肯定。当然口头表扬也能起激励作用。但是书面评价还是起到最重要的作用,所以,我们在校内活动中也要经常评奖,要以大会的形式给学生发证书、奖品或奖金。如果单独让教师将证书送给学生,往往效果不佳。根据心理学知识,学生的成功感的最大表现是让大多数人都知道自己的成功,这样他才感到自己是很出色的、是很有能力的、从而鞭策自己下次要取得更大的成果!所以,对获奖同学,要以喜报的形式,在校张贴表扬。

2.通过报刊介绍学生的优秀作品

评奖活动、颁奖大会、喜报都是短期行为,为了防止学生的热情出现“高原期”,还要在校刊上对学生的成果进行介绍,鼓励他们改变原有的制作或小发明的方式,通过一种无形的压力,使他们既合理安排练习时间,同时还要注意改变原有的练习方法,代之以新的活动方式或方法,在制作与创新的道路上再迈一步。朗格朗说:“个人有了一定的知识和技能以后,便可以终身应付裕如,这种观念正在迅速过时并在消失之中。由于内部需要的压力,同时作为对外部需求的回答,教育正处于实现真正意义的过程之中,这种意义不在于获得一堆知识,而在于个人的发展,在于作为连续经验的结果得到越来越充分的自我实现”。例如,某同学发明了某个作品,通过校刊发表介绍后,他同时也看到一些鼓励的语言,结合其他同学的议论,说他是偶然的成果或者说他是他人成果的转移,这时他便有所触动,重新动起制作与创新的念头,或者是改变方向,在其他方面取得成果来代替,从而化解压力。教育上常说的抓住学生的某个闪光点,加以表扬,让他形成动力,从而促使学生向其他方面发展,有时可塑造出一个出奇的学生,其实就是这种道理。

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