創(chuàng)設(shè)“技術(shù)創(chuàng)新”的情境培養(yǎng)核心能力與素養(yǎng)

摘? ?要：技術(shù)創(chuàng)新過程中的內(nèi)在機(jī)理，蘊(yùn)含著原始創(chuàng)新的規(guī)律，其創(chuàng)新性、應(yīng)用性、綜合性的教育特質(zhì)應(yīng)當(dāng)充實(shí)到教學(xué)中;在具備了科學(xué)原理（知識(shí)體系）基礎(chǔ)之上，引向技術(shù)創(chuàng)新的應(yīng)用，是培養(yǎng)核心能力的重要實(shí)踐。本文以高中物理教學(xué)中“發(fā)電機(jī)的發(fā)明”實(shí)踐教學(xué)為例。

關(guān)鍵詞：技術(shù); 原始創(chuàng)新 ;核心素養(yǎng)

1? 技術(shù)創(chuàng)新教育的價(jià)值及路徑

1.1? 當(dāng)前高中物理教學(xué)中存在嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)

1.1.1? 教學(xué)的傾向性行為與“核心素養(yǎng)”的高階目標(biāo)之間存在落差

《中國(guó)學(xué)生發(fā)展核心素養(yǎng)》提出，“核心素養(yǎng)”是個(gè)體在面對(duì)復(fù)雜的、不確定的現(xiàn)實(shí)問題時(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的綜合品質(zhì)[ 1 ].學(xué)生所具有的扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)如何轉(zhuǎn)化為提供實(shí)踐創(chuàng)新能力的源泉和支撐，是發(fā)展核心素養(yǎng)的重中之重. 而在現(xiàn)實(shí)的高考任務(wù)面前，在“實(shí)踐創(chuàng)新”層面中，解題訓(xùn)練代替了“問題解決”，成為一個(gè)較普遍的現(xiàn)象。

1.1.2? 核心技術(shù)的渴求與“原始創(chuàng)新”的啟蒙教育的不足

從“無(wú)用”的理論到“有用”的技術(shù)，即從無(wú)到有（或“0”到“1”）的創(chuàng)新才是原始創(chuàng)新，才能擁有核心技術(shù).我國(guó)也有技術(shù)創(chuàng)新，但大部分是“1”到“2”或“2”到“3”的非原始的創(chuàng)新，在國(guó)際中常處于被動(dòng)地位。

在高中物理教學(xué)中，進(jìn)行“原始創(chuàng)新”的啟蒙教育，對(duì)培育后備人才有現(xiàn)實(shí)的意義。什么樣的教學(xué)場(chǎng)景有利于培養(yǎng)原創(chuàng)能力？應(yīng)當(dāng)是老師們關(guān)注的前瞻性問題。

1.2? 技術(shù)的原始創(chuàng)新中的教育價(jià)值

技術(shù)創(chuàng)新的本質(zhì)特征是獲得自己獨(dú)有的知識(shí)產(chǎn)權(quán)[ 2 ];以技術(shù)目的為邏輯起點(diǎn)，經(jīng)過技術(shù)原理構(gòu)建、技術(shù)規(guī)則制定和技能熟化三個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成了技術(shù)創(chuàng)新的演進(jìn)過程[ 3 ]。

本文認(rèn)為技術(shù)原理構(gòu)建環(huán)節(jié)中蘊(yùn)含的“進(jìn)行創(chuàng)造”要素，涉及創(chuàng)新相關(guān)度高的能力和素養(yǎng)，比如想象思維、發(fā)散思維、逆向思維等，應(yīng)當(dāng)作為學(xué)生的學(xué)習(xí)方式和教師們關(guān)注的育人方向。

1.3? “發(fā)電機(jī)的發(fā)明”教學(xué)的設(shè)計(jì)思路

教學(xué)設(shè)計(jì)必須符合辯證的認(rèn)知規(guī)律：首先表現(xiàn)在科學(xué)發(fā)展史，其次是學(xué)生認(rèn)知的進(jìn)階規(guī)律?？茖W(xué)發(fā)展史本身是符合 “ 實(shí)踐—認(rèn)識(shí)—實(shí)踐 ” 這一辯證規(guī)律，電磁學(xué)發(fā)展出來的技術(shù)應(yīng)用，其背后的理論研究、實(shí)驗(yàn)證實(shí)，以及后人加以應(yīng)用和開發(fā)的眼光，共同構(gòu)成了20世紀(jì)的文明之光.不論是法拉第的“磁生電”理論預(yù)見、到電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的實(shí)踐發(fā)明應(yīng)用;從法拉第場(chǎng)概念的創(chuàng)立、再由麥克斯韋集成的電磁場(chǎng)理論到無(wú)線電技術(shù)誕生，創(chuàng)新是其中的主旋律.返樸于扎實(shí)的基礎(chǔ)理論，往往能引導(dǎo)出不窮的創(chuàng)新實(shí)踐。當(dāng)學(xué)生具備“磁生電”的基礎(chǔ)理論，可提出“設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)”的課題。把知識(shí)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用成果的創(chuàng)新實(shí)踐，既可深化以前的知識(shí)及其價(jià)值，又激發(fā)學(xué)生的求知欲望， 同時(shí)還培養(yǎng)了學(xué)生的辯證唯物主義世界觀和科學(xué)創(chuàng)新能力。

2? “發(fā)電機(jī)的發(fā)明”教學(xué)的情景創(chuàng)設(shè)與實(shí)踐

高中物理教材中沒有“發(fā)電機(jī)的發(fā)明”獨(dú)立章節(jié)，為培養(yǎng)創(chuàng)新能力 ，在“法拉第電磁感應(yīng)定律”“楞次定律”章節(jié)內(nèi)容完成之后，創(chuàng)設(shè)“發(fā)明發(fā)電機(jī)”這堂課， 模擬科學(xué)家的研究發(fā)明的創(chuàng)新環(huán)境，從技術(shù)原理構(gòu)建、技術(shù)規(guī)則制定環(huán)節(jié)中，讓學(xué)生經(jīng)歷發(fā)現(xiàn)、想象、發(fā)散、推理、分析等行為。

2.1? 把科學(xué)原理轉(zhuǎn)化為技術(shù)原理

從觀察到的現(xiàn)象出發(fā)， 創(chuàng)生新的問題（技術(shù)目的），進(jìn)而促進(jìn)科學(xué)向技術(shù)轉(zhuǎn)化。

2.1.1? 技術(shù)目的情景呈現(xiàn)——培養(yǎng)想象力

設(shè)置演示實(shí)驗(yàn)，激發(fā)創(chuàng)新的萌芽。

如圖 1 演示實(shí)驗(yàn) ，通電導(dǎo)體棒ab在安培力作用下，在磁場(chǎng)中做切割磁感線運(yùn)動(dòng)，請(qǐng)學(xué)生討論下列問題：

問題1 ：切割運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體棒中，有產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)？ 結(jié)論的依據(jù)？

學(xué)生：①理論依據(jù)： 動(dòng)生電動(dòng)勢(shì)ε=BLv;

② 邏輯推理：電動(dòng)機(jī)的逆向思維：

問題2： 能否讓產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的ab導(dǎo)體棒對(duì)外供電呢？

2.1.2? 從技術(shù)目的到技術(shù)概念的裝置（雛形）或思想模型

問題3： 產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的導(dǎo)體棒要對(duì)外供電，上述裝置該怎么設(shè)計(jì)（改造）？

學(xué)生：如圖 2，不用先通電，而用其它方式讓導(dǎo)體棒（切割）動(dòng)起來，再用兩個(gè)電極把電動(dòng)勢(shì)引出來。

點(diǎn)評(píng)：用“條件的實(shí)現(xiàn)”創(chuàng)造技法[ 4 ]，通過抽象思維形成技術(shù)概念的模型，并超前預(yù)見（想象）了發(fā)電機(jī)的表象形狀;科學(xué)家只需要研制出原理性示范機(jī)器、能夠?yàn)楹笕酥赋龇较蚓涂梢粤恕?/p>

2.2? 技術(shù)原理轉(zhuǎn)化為發(fā)明設(shè)計(jì)——培養(yǎng)發(fā)散性思維

問題4： 在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中，要連續(xù)不斷產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)體棒應(yīng)怎樣運(yùn)動(dòng)？

學(xué)生：①導(dǎo)體棒往復(fù)平動(dòng)（導(dǎo)體棒單一方向直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)受空間限制）;②如圖 3，ab導(dǎo)體棒圍繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)最好（因動(dòng)力裝置多數(shù)是提供轉(zhuǎn)動(dòng)方式）。

問題5： 圖3的示意裝置，有哪方面要改進(jìn)？怎么改？

①ab導(dǎo)體棒離心危害改進(jìn)？

②線圈旋轉(zhuǎn)中，外接導(dǎo)線纏繞問題？

怎樣解決線圈的“動(dòng)”與外接電線的“靜”的問題？

學(xué)生：如圖 4，示意裝置的演變：

①防止離心危害，ab導(dǎo)體一邊切割改進(jìn)為abcd線圈雙邊對(duì)稱運(yùn)動(dòng);

②外接線路通過摩擦片（電刷）與線圈連接的滑環(huán)接觸。

問題6： 如圖 4，讓發(fā)電機(jī)能產(chǎn)生較大的電動(dòng)勢(shì)，相關(guān)的要素要怎樣調(diào)整？

學(xué)生：增強(qiáng)磁場(chǎng)、加大轉(zhuǎn)速、用多匝線圈……

點(diǎn)評(píng)：在技術(shù)原理轉(zhuǎn)化為發(fā)明設(shè)計(jì)過程，一定運(yùn)用“條件實(shí)現(xiàn)改進(jìn)法”[ 4 ]，使設(shè)計(jì)的裝置不斷進(jìn)階完善。

2.3? 技術(shù)的演進(jìn)——培養(yǎng)辯證唯物主義世界觀

2.3.1? 換向器的發(fā)明——“矛盾論”引入課堂教學(xué)

教學(xué)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)為“提出矛盾—分析矛盾—解決矛盾”，實(shí)踐證明此方法能充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的思維積極性。

問題7： 圖4的發(fā)電機(jī)裝置，在線圈旋轉(zhuǎn)一圈的過程中，電流方向變化嗎？

提出矛盾：圖4的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的是交流電 ，而工業(yè)電解（或電鍍）卻需要直流電，那么，要讓圖4的發(fā)電機(jī)裝置輸出直流電，如何解決？

引導(dǎo)學(xué)生分析矛盾：線圈每旋轉(zhuǎn)半圈，電流方向總要改變，若兩電刷與滑環(huán)每半圈交換接觸點(diǎn)，那么，電刷的外接電路中電流方向?qū)⒉蛔儯?/p>

解決矛盾：實(shí)驗(yàn)演示人工換向，驗(yàn)證猜想。

并提出新的課題：怎樣把人工換向改為自動(dòng)換向？

再分析新矛盾：電刷與某滑環(huán)接觸的半圈后，換為與另一個(gè)滑環(huán)接觸的半圈。

工程技術(shù)上兩個(gè)滑環(huán)各留下半圈整合為彼此絕緣的銅制半環(huán)構(gòu)成。

引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用兩個(gè)滑環(huán)之間“獨(dú)立又統(tǒng)一”的辯證觀點(diǎn)設(shè)計(jì)換向器裝置。如圖5所示，由兩只電刷E 、F和兩個(gè)彼此絕緣的銅制半環(huán)構(gòu)成，其作用就是在線圈通過中性面時(shí)，銅制半環(huán)就會(huì)接觸另一側(cè)的電刷.教學(xué)流程如圖6所示.。

點(diǎn)評(píng)：技術(shù)發(fā)明過程中的技術(shù)環(huán)境引發(fā) “沖突”，“沖突”促進(jìn)技術(shù)的演進(jìn).將矛盾論引入課堂讓我們看到一個(gè)物理人的世界觀和價(jià)值觀，是多么積極面對(duì)存在的矛盾。

2.3.2? 電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)原理中的“因果聯(lián)系”“相互統(tǒng)一”的啟示

從電機(jī)的技術(shù)史看到電動(dòng)機(jī)的發(fā)明先于發(fā)電機(jī)，當(dāng)時(shí)尚不清楚電機(jī)的可逆現(xiàn)象 ，且研制的理論基礎(chǔ)也不盡相同， 后來人們才逐漸使兩者的研究結(jié)合起來 ， 逐漸使電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)趨于一致、統(tǒng)一起來 ，這當(dāng)中蘊(yùn)含著辯證關(guān)系。利用圖1、圖2兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的比較來訓(xùn)練辯證思維能力 ，讓學(xué)生能弄清因果關(guān)系，并善于從原因求結(jié)果，從結(jié)果尋原因，從因果相互關(guān)系中尋求統(tǒng)一。

問題8：圖1實(shí)驗(yàn)中ab棒通電而運(yùn)動(dòng)，其中因果相互聯(lián)系、相互轉(zhuǎn)化關(guān)系？?jī)?nèi)在的本質(zhì)是什么？

學(xué)生：ab棒通電（因）受磁力而運(yùn)動(dòng)（果），棒運(yùn)動(dòng)（上一個(gè)果轉(zhuǎn)化為因）而產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)（果）阻礙電流的通入;本質(zhì)上實(shí)現(xiàn)電能的一部分轉(zhuǎn)化為機(jī)械能（另一部分為棒的電熱）而遵守能量的守恒（歸一）。

問題9：上述“因果”相互轉(zhuǎn)化的辯證關(guān)系，可否啟發(fā)同學(xué)們運(yùn)用ab棒切割磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)（因）而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)（果）的創(chuàng)新構(gòu)想？ 并用如圖2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證？

3? 教學(xué)的總結(jié)與評(píng)價(jià)

3.1? 創(chuàng)設(shè)“技術(shù)創(chuàng)新”的情境需要的條件[ 5 ]

①學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)（結(jié)構(gòu)）水平能夠察覺到情境里的技術(shù)萌芽。

②技術(shù)創(chuàng)新的任務(wù)要具有真實(shí)性、挑戰(zhàn)性。

③ 情境要能激發(fā)學(xué)生的想象思維、發(fā)散思維、辯證思維等。

3.2? “技術(shù)創(chuàng)新”課題的選擇和呈現(xiàn)

①課題要符合技術(shù)邏輯，要具有科學(xué)思維、方法的啟發(fā)性。

②課題主要取材于原理性示范機(jī)器，整合能把科學(xué)原理轉(zhuǎn)化為技術(shù)原理的教學(xué)資源。

③課題的呈現(xiàn)方式：從觀察到的現(xiàn)象出發(fā)， 明確技術(shù)目的的前景下，以技術(shù)進(jìn)階的問題串，促進(jìn)科學(xué)向技術(shù)轉(zhuǎn)化。

本節(jié)這樣設(shè)置的課題：從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象開始，利用簡(jiǎn)單移動(dòng)導(dǎo)體棒切割磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的原理，進(jìn)行發(fā)電機(jī)的技術(shù)創(chuàng)造，其技術(shù)創(chuàng)作路徑可能與1831年10月法拉第制成的圓盤式發(fā)電機(jī)是不同的，但符合技術(shù)邏輯。

補(bǔ)充說明：對(duì)上述設(shè)置的課題，在歷史上存在相關(guān)的啟示性實(shí)驗(yàn)，1831年11月4日，法拉第發(fā)現(xiàn)在磁鐵兩極之間簡(jiǎn)單移動(dòng)銅導(dǎo)線時(shí)可以產(chǎn)生電流。假設(shè)法拉第依此實(shí)驗(yàn)的啟示，一定能發(fā)明新的發(fā)電機(jī)。

這里我們提一個(gè)有趣的、有關(guān)創(chuàng)造思維的問題：如圖7所示，究竟法拉第是怎么構(gòu)想的，設(shè)計(jì)出這個(gè)圓盤式發(fā)電機(jī)？按照現(xiàn)在的觀點(diǎn)，并不是最好的方案.應(yīng)該說這和法拉第的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)有關(guān).法拉第一直關(guān)注“阿爾果的圓盤”實(shí)驗(yàn)，被他稱為“非凡的實(shí)驗(yàn)”。1831年10月，他解釋了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、并發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸（O）與圓盤邊沿A間有最大電動(dòng)勢(shì)，用兩個(gè)電極把它引出來就行了，這樣的圓盤發(fā)電機(jī)就產(chǎn)生了。

3.3? 營(yíng)造技術(shù)創(chuàng)新的良好氛圍

學(xué)生是課題活動(dòng)的主體，對(duì)創(chuàng)新中的技術(shù)難點(diǎn)，要讓學(xué)生自由表達(dá)想法、學(xué)生間交互協(xié)作。

在設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化過程中，教師要積極引導(dǎo)，師生間互為啟發(fā)。

3.4? 延展學(xué)習(xí)，鼓勵(lì)學(xué)生課外繼續(xù)探究創(chuàng)造

學(xué)生探究設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)電樞式發(fā)電機(jī)后， 教師提示線圈與磁場(chǎng)間切割運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，可否設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)磁極式發(fā)電機(jī)？并比較兩種設(shè)計(jì)模式的優(yōu)劣？還可鼓勵(lì)學(xué)生了解當(dāng)前實(shí)際使用的各種樣式的發(fā)電機(jī)，賞析構(gòu)建創(chuàng)意或技術(shù)規(guī)則，還可了解技術(shù)環(huán)境怎樣促進(jìn)發(fā)電機(jī)技術(shù)的演進(jìn)，甚至假想未來發(fā)電機(jī)的可能樣式。

后記：線上教學(xué)等新模式的出現(xiàn)，微課作為內(nèi)容層面的重要載體，其設(shè)計(jì)與開發(fā)受到關(guān)注。物理總復(fù)習(xí)中，引導(dǎo)學(xué)生建立探索和創(chuàng)新的素養(yǎng)仍是微專題教學(xué)的理念，微課主題的設(shè)計(jì)的重點(diǎn)要放在掌握知識(shí)的內(nèi)在聯(lián)系、掌握分析問題的方法和解決問題的能力上。本文的“發(fā)電機(jī)的發(fā)明”課例可作為專題復(fù)習(xí)的微課設(shè)計(jì)素材。

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