用逆向工程培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)

劉超 張軼炳

摘? ?要：“反求工程”是《通用技術》課程中一種基于逆向思維的工程設計分析方法，為了進一步落實跨學科實踐，對“反求工程”進行吸收與創(chuàng)新，轉變?yōu)楦臃现袑W物理教學實際的“逆向工程”，并結合具體教學案例，培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)與跨學科實踐能力。

關鍵詞：反求工程；STEM素養(yǎng)；跨學科實踐；剩余電流動作保護器

引言

STEM是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、和數(shù)學（Mathematics）四門學科的簡稱，強調(diào)多學科的交叉融合，并組合形成有機整體，以更好地培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神與實踐能力[ 1 ]。STEM教育旨在培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)，即科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)、工程素養(yǎng)與數(shù)學素養(yǎng)。STEM教育的提出使得科學教育的范圍不只停留在單一學科的內(nèi)部，而是擁有更為廣闊的視野以審視學科之間的聯(lián)系。

美國發(fā)布了《新一代科學教育標準》[ 2 ]具體闡釋了“科學與工程實踐”這一概念，用科學實踐取代科學探究，并加入了工程實踐，要求學生像科學家一樣去研究，像工程師一樣去設計制造系統(tǒng)?！翱茖W與工程實踐”以“科學實踐”與“工程實踐”為核心，整合了科學、技術、數(shù)學與工程等多個學科[ 3 ]，改變了科學探究中知識與技能、理論與實踐相分離的現(xiàn)狀。

最新頒布的《義務教育物理課程標準（2022版）》[ 4 ]中提出“實驗探究”“跨學科實踐”等五個一級主題，既強調(diào)物理課程的實踐性，又側重體現(xiàn)物理學與日常生活、工程實踐、社會發(fā)展等方方面面的聯(lián)系，期望在實踐過程中培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)；《普通高中物理課程標準（2017版）》[ 5 ]中多次強調(diào)要提高學生綜合運用知識從而解決實際問題的能力，以及能夠正確理解將科學應用于技術發(fā)明和工程實踐中時對自然和社會的影響。

《普通高中通用技術課程標準（2017版）》[ 6 ]中提出了通用技術學科核心素養(yǎng)，即技術意識、工程思維、圖樣表達、創(chuàng)新設計和物化能力，這與STEM教育中跨學科實踐理念相契合。為了貫通科學與技術、工程、數(shù)學等學科之間的通道，本文將《通用技術》中的“反求工程”[ 7 ]引入中學物理教學中并轉換為更加符合教學實際的“逆向工程”，以作為新的橋梁為學生提供認識整體世界的機會，幫助學生在學習過程中轉換“起始點”與“落腳點”，從工程產(chǎn)品出發(fā)，進行抽絲剝繭式的原理反推，并在此過程中培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)。

1? “逆向工程”及STEM素養(yǎng)滲透

中等教育領域的工作者們普遍認為，實踐是學生能夠立足于未來社會的基石，也是溝通理論與實際的橋梁。傳統(tǒng)的正向教學普遍從問題入手，對問題進行概念與原理的解釋，并作為最終的教學目的。這樣的課堂教學看似從生活實際入手，但卻將實踐置于可有可無的位置上，本質(zhì)上仍屬于灌輸式教學。

為改變這種假實踐、真灌輸?shù)慕虒W現(xiàn)狀，不妨打破傳統(tǒng)教學的教學順序，而采用逆向教學。首先選取合適的案例，從實踐的成果與結果開始逆推，分析原理，然后動手制造模型。在逆向教學中，不僅明確了實踐的目的和方向，還明確了什么是實踐、如何落實實踐的問題。因此，同樣基于逆向思維展開進程的“反求工程”就進入了中等教育領域工作者的視野之中。

“反求工程”是以設計方法學為指導，以現(xiàn)代設計理論、方法、技術為基礎，運用各種專業(yè)人員的工程設計經(jīng)驗、知識和創(chuàng)新思維，對已有的技術設計成果進行剖析、深化和再創(chuàng)造[ 7 ]?！胺辞蠊こ獭钡闹饕康氖窃跓o法輕易獲得圖紙與信息的情況下，直接從產(chǎn)品入手進行分析，推導出產(chǎn)品的設計原理，總體上是一種基于逆向思維的工程設計分析方法?！胺辞蠊こ獭弊钔怀龅膬?yōu)勢在于突破了正向思維的局限，為產(chǎn)品的二次開發(fā)與創(chuàng)新提供了更多的可能性。

本文使用的“逆向工程”沿用了“反求工程”的思路，對物理實驗設備或者生活中與物理原理相關的用品進行逆向研究，即首先通過剖析產(chǎn)品結構，弄清物理原理，畫出工程設計物理原理圖；其次準備材料，進行符合產(chǎn)品物理原理的模型設計，制作實物模型，測試功能。

對中學生進行“逆向工程”教學，其目的不是制造出高于或者等同于實際產(chǎn)品的模型，而是利用此方法培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)。中學項目教學中常用的“水火箭”“手搖發(fā)電機”等教具其實都使用了“逆向工程”的思路，首先對真實的火箭、小車進行逆向反求，從而制作出有最基礎功能的教學用具，其次使用教具對學生進行授課，讓學生進行設計與仿制。學生能夠分析清楚產(chǎn)品的基本物理原理，設計并制造出能實現(xiàn)其最基本功能的模型，就達到了使用“逆向工程”進行教學的教學目的，同時也體現(xiàn)出了“物理學是一切工程科學的基礎”的物理課程性質(zhì)。

學生在一系列的跨學科實踐中能夠深刻地認識到科學、數(shù)學、技術與工程四者之間的區(qū)別與聯(lián)系，體會到技術與工程的價值，并充分發(fā)展對知識的整合、應用能力，以及運用工程思維解決問題的能力。在逆向思維的運用過程中，學生認識到技術與工程設計遠比物理原理復雜，物理學習時設想的“理想化”條件在工程實踐過程中幾乎是不可能成立的，由此，學生的創(chuàng)新意識、批判思維能夠得到更進一步的發(fā)展。

“逆向工程”共有兩個基本階段，分別是分析階段和模型制作階段，設計流程如圖1所示。

1.1? 分析階段——由實物挖掘原理

以工程產(chǎn)品為例，進行知識與原理的反向推理，即進行逆向分析及研究。對引進的工程產(chǎn)品進行拆解，對不同結構進行剖析，了解其功能特性、材料工藝；挖掘其中所蘊含的技術要素與原理，并對工程產(chǎn)品作出評估，分析出設計特點以及不足之處。通過對工程產(chǎn)品全方面的了解，以及對關鍵技術及原理的明確，最終達到知識學習的目的。

1.2? 模型制作階段——由原理設計制作實物模型

在本階段中，學生已經(jīng)掌握了相應的科學原理與技術方法，為促使該部分知識由陳述性知識向程序性知識轉化，組織學生運用所學知識對工程產(chǎn)品進行測量重構，并模仿制作一個實物模型，在仿制的基礎上，對工程產(chǎn)品的不足之處進行改進，以制作出功能相近，但又不完全一樣的產(chǎn)品。在制作過程中讓學生像工程師一樣工作，培養(yǎng)學生尊重實證、謙虛嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，以及專注創(chuàng)新、精益求精的工匠精神。

使用“逆向工程”進行中學物理教學，目的是為了打破物理教學中問題、證據(jù)、解釋、交流的單向探究路徑，從而避免機械的探究學習。為了營造一個具有創(chuàng)新性的學習環(huán)境，所選擇的工程產(chǎn)品要緊密聯(lián)系學生生活，并與當前社會發(fā)展趨勢相適應，不過分超越中學生的能力水平并且具有可遷移的特征。

2? “逆向工程法”應用案例——剩余電流動作保護器

義務教育和高中物理課程標準中都明確要求學生需要了解家庭電路的組成，并且能夠將安全用電的知識應用于生活實際。剩余電流動作保護器（俗稱漏電保護開關）是一種保護裝置，是家庭電路的重要組成部分，并在人教版九年級“家庭電路”一節(jié)中進行了簡單的介紹。

2.1? 產(chǎn)品介紹——工程理念

剩余電流動作保護器，是一種電氣安全裝置，當電路中出現(xiàn)了漏電故障或觸電事故，并且達到了保護器的限定剩余動作電流值時，能夠立即自動切斷電源的一種保護開關，在家庭電路的安全保護中發(fā)揮了巨大的作用。本文將使用DZL18-32電流動作型電子式快速漏電保護電器（圖2）作為“逆向工程”的應用案例。

由DZL18-32剩余電流動作保護器的外殼參數(shù)可知，此型號適用于交流電壓為220 V、頻率50 Hz、額定電流32 A的單相電路，額定剩余動作電流30 mA，分斷時間小于0.1 s，其結構原理圖如圖2所示。剩余電流動作保護器的原理中大量應用了電磁學的知識，其設計中運用了復雜的技術工藝，作為教學用具，既能夠連通理論與實踐，又不超出中學生的學習范圍，有一定的學習必要以及教學價值。

2.2? 物理原理與產(chǎn)品評估——科學與數(shù)學

剩余電流動作保護器的基本原理是當發(fā)生漏電故障時，穿過零序電流互感器中的電流矢量和不為零，當零序電流達到限定值時，脫扣器動作，切斷故障電路達到保護作用。其中的元件按照功能可以劃分為四部分，控制元件、中間環(huán)節(jié)、執(zhí)行機構和試驗裝置，其工作流程圖如圖3所示。

（1）物理原理

①檢測元件——零序電流互感器——電生磁與磁生電

單相電路中，火線和零線從剩余電流動作保護器的電源側流入，經(jīng)過觸點，到達零序電流互感器——一種單匝穿心式電流互感器，火線與零線穿過被絕緣膠布包裹的環(huán)形鐵芯并在鐵芯上纏繞了一圈，構成了互感器的一次線圈，在絕緣膠布內(nèi)部另有兩根導線纏繞在環(huán)形鐵芯上構成了互感器的二次線圈，如圖4所示。

由基爾霍夫電流定律可知，所有進入某節(jié)點的電流的總和等于所有離開此節(jié)點的電流的總和。電路中沒有發(fā)生漏電、觸電故障時，穿過一次線圈N1的電流的矢量和為零，電流IL和IN在零序電流互感器中產(chǎn)生的磁通量的矢量和同樣為零，鐵芯內(nèi)沒有磁通量的變化，即

+=0（1）

+=0（2）

因此，在二次線圈N2中不會產(chǎn)生感應電流觸發(fā)后續(xù)自動控制的條件，剩余電流動作保護器正常工作。

當發(fā)生漏電、觸電或者接地故障時，會產(chǎn)生一個故障電流Id，穿過人體或者其他故障點經(jīng)大地返回電源，此時穿過鐵芯的電流IL和IN大小不再相等。穿過一次線圈N1的電流的矢量和不為零，產(chǎn)生了剩余電流I1，鐵芯內(nèi)的磁通量發(fā)生了變化，即

+=（3）

+=0（4）

由電磁感應可知，變化的磁場會產(chǎn)生電流，在二次線圈N2中，會產(chǎn)生一個感應電流IG。檢測元件的作用是將漏電產(chǎn)生的感應電壓的電壓信號輸出給中間環(huán)節(jié)。

②中間環(huán)節(jié)——放大器、比較器——橋式整流

中間環(huán)節(jié)的作用是利用放大后的電壓信號去推動執(zhí)行機構動作，一般來說零序電流互感器二次線圈輸出的電壓信號都很小，在1mVA以下，不能直接驅動脫扣器動作，因此有些剩余電流動作保護器就增加了一個放大元件，將二次回路上產(chǎn)生的感應電動勢ε1經(jīng)過放大后施加在脫扣線圈上，并產(chǎn)生一個工作電流，這種剩余電流動作保護器叫做電子式剩余電流動作保護器。

③執(zhí)行機構——脫扣器——磁生電

脫扣器是剩余電流動作保護器的判斷元件，根據(jù)接收到的信號，進行分析處理并作出是否動作的判斷。電子式剩余電流動作保護器使用的是吸合式脫扣器，在正常工作狀態(tài)下，吸引線圈中沒有電流，鐵芯沒有磁性不能吸引銜鐵，因而銜鐵處于常閉狀態(tài)；當吸引線圈通電后，線圈中有勵磁電流通過靜鐵芯，產(chǎn)生電磁吸力并且達到整定值時，銜鐵被迅速吸合，同時帶動與銜鐵相連的打擊臂，利用打擊臂在銜鐵吸合時的機械沖擊力帶動觸頭動作，使開關銷扣脫扣由常閉狀態(tài)轉為常開。

④試驗裝置——試驗按鈕

如圖5所示，試驗裝置能夠檢測剩余電流動作保護器是否可以正常工作，需要定時按動進行檢測。如果按動試驗按鈕卻發(fā)現(xiàn)剩余電流動作保護器不動作，說明剩余電流動作保護器內(nèi)部出現(xiàn)故障，應該立即停止使用并對剩余電流動作保護器進行檢修或者更換。

試驗裝置是由試驗按鈕和試驗電阻組裝起來的，試驗按鈕的一端連接著火線，另一端串聯(lián)一個限流電阻后與零線連接，在試驗按鈕的兩端中間是零序電流互感器。按下試驗按鈕后，整個試驗裝置的支路通電。在這個支路中，火線上的電流先全部流經(jīng)零序電流互感器之后到達節(jié)點，在節(jié)點處，一部分火線上的電流通過試驗裝置繞過零序電流互感器流回零線，這就導致流經(jīng)零序電流互感器中IL與IN的矢量和不為零，從而模擬了一次漏電故障，觸發(fā)了剩余電流動作保護器的保護機制。

（2）產(chǎn)品評估

對剩余電流動作保護器進行了拆解分析之后發(fā)現(xiàn)，DZL18-32剩余電流動作保護器只有漏電保護的功能，而家庭電路中常見的故障還有短路故障等，剩余電流動作保護器不能全方位的保障家庭電路的安全。

2.3? 模型制作與改進——科學與技術

在模型制作與改進階段，學生需要利用已經(jīng)厘清的原理，進行知識拓展、模型制作、模型改進，并且要對DZL18-32剩余電流動作保護器提出改進方案。

（1）模型制作（圖6）

①電流互感器模型（圖7）

零序電流互感器屬于電流互感器的一種，電流互感器由閉合的鐵芯和繞組組成。

原線圈中的一次繞組匝數(shù)很少，次級線圈中的二次繞組匝數(shù)更多。電流互感器在工作時，AB端接入交流電，CD端始終是閉合的，根據(jù)電流表中的讀數(shù)以及互感器公式進行運算，可以得到原線圈中電流大小。

=（5）

②橋式整流模型（圖8）

二極管是一種半導體電子器件，具有單向導電性。交變電流的電流方向呈現(xiàn)周期性變化，因此可以利用二極管的單向導電性進行整流，將交流電變?yōu)橹绷麟姟?/p>

③電磁繼電器模型

通過拆解分析還發(fā)現(xiàn)，脫扣器將高壓工作電路中產(chǎn)生的感應電壓作為低壓電路中的電源，這與電磁繼電器利用低壓、弱電流電路控制高壓、強電流電路的控制原理極其相似，因此可以用電磁繼電器代替脫扣器進行模型制作。

④模型組裝（圖10）

自主設計電路，模擬剩余電流動作保護器的動作機制，并測試其功能。

未接入左邊交流電源時，燈泡A發(fā)光，燈泡B不發(fā)光，電磁繼電器不動作；接入交流電源后，模擬漏電過程，交流電首先經(jīng)過電流互感器放大；其次經(jīng)過整流橋，觀察到LED燈變亮，說明電路中交流電已變?yōu)橹绷麟?；最后到達電磁繼電器，使得電磁繼電器動作，切換電路，燈泡A熄滅，燈泡B發(fā)光。

（2）模型改進

家庭電路中常把保險絲作為短路保護裝置進行使用，但是保險絲壽命短、靈敏度低、只能一次性使用，而熱繼電器使用期限長，靈敏度高并且可以重復使用，因此可以用熱繼電器代替保險絲，從而更全面地保障家庭用電的安全。

3? 結論

現(xiàn)如今，我國正在大力發(fā)展STEM教育，而國內(nèi)現(xiàn)有的使用跨學科實踐培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)的物理教學案例并不多。在我國分科教學的大背景下，如何在教學中真正落實跨學科實踐并培養(yǎng)學生的STEM素養(yǎng)，是值得所有教師思考的問題。本文創(chuàng)新性的使用 “逆向工程法”進行中學物理教學，并以剩余電流動作保護器作為案例進行教學，期望對中學物理教學提供可研究的視角，切實地提升學生跨學科實踐的能力，以及在學習過程中能夠培養(yǎng)自身的逆向思維以及創(chuàng)新意識。

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