创设“技术创新”的情境培养核心能力与素养

2020-09-14 12:23:19 中学理科园地 2020年4期

摘   要:技术创新过程中的内在机理,蕴含着原始创新的规律,其创新性、应用性、综合性的教育特质应当充实到教学中;在具备了科学原理(知识体系)基础之上,引向技术创新的应用,是培养核心能力的重要实践。本文以高中物理教学中“发电机的发明”实践教学为例。

关键词:技术; 原始创新 ;核心素养

1  技术创新教育的价值及路径

1.1  当前高中物理教学中存在严峻的挑战

1.1.1  教学的倾向性行为与“核心素养”的高阶目标之间存在落差

《中国学生发展核心素养》提出,“核心素养”是个体在面对复杂的、不确定的现实问题时,能够发现问题、解决问题的综合品质[ 1 ].学生所具有的扎实的基础知识如何转化为提供实践创新能力的源泉和支撑,是发展核心素养的重中之重. 而在现实的高考任务面前,在“实践创新”层面中,解题训练代替了“问题解决”,成为一个较普遍的现象。

1.1.2  核心技术的渴求与“原始创新”的启蒙教育的不足

从“无用”的理论到“有用”的技术,即从无到有(或“0”到“1”)的创新才是原始创新,才能拥有核心技术.我国也有技术创新,但大部分是“1”到“2”或“2”到“3”的非原始的创新,在国际中常处于被动地位。

在高中物理教学中,进行“原始创新”的启蒙教育,对培育后备人才有现实的意义。什么样的教学场景有利于培养原创能力?应当是老师们关注的前瞻性问题。

1.2  技术的原始创新中的教育价值

技术创新的本质特征是获得自己独有的知识产权[ 2 ];以技术目的为逻辑起点,经过技术原理构建、技术规则制定和技能熟化三个环节构成了技术创新的演进过程[ 3 ]。

本文认为技术原理构建环节中蕴含的“进行创造”要素,涉及创新相关度高的能力和素养,比如想象思维、发散思维、逆向思维等,应当作为学生的学习方式和教师们关注的育人方向。

1.3  “发电机的发明”教学的设计思路

教学设计必须符合辩证的认知规律:首先表现在科学发展史,其次是学生认知的进阶规律。科学发展史本身是符合 “ 实践—认识—实践 ” 这一辩证规律,电磁学发展出来的技术应用,其背后的理论研究、实验证实,以及后人加以应用和开发的眼光,共同构成了20世纪的文明之光.不论是法拉第的“磁生电”理论预见、到电动机、发电机的实践发明应用;从法拉第场概念的创立、再由麦克斯韦集成的电磁场理论到无线电技术诞生,创新是其中的主旋律.返朴于扎实的基础理论,往往能引导出不穷的创新实践。当学生具备“磁生电”的基础理论,可提出“设计发电机”的课题。把知识转化为应用成果的创新实践,既可深化以前的知识及其价值,又激发学生的求知欲望, 同时还培养了学生的辩证唯物主义世界观和科学创新能力。

2  “发电机的发明”教学的情景创设与实践

高中物理教材中没有“发电机的发明”独立章节,为培养创新能力 ,在“法拉第电磁感应定律”“楞次定律”章节内容完成之后,创设“发明发电机”这堂课, 模拟科学家的研究发明的创新环境,从技术原理构建、技术规则制定环节中,让学生经历发现、想象、发散、推理、分析等行为。

2.1  把科学原理转化为技术原理

从观察到的现象出发, 创生新的问题(技术目的),进而促进科学向技术转化。

2.1.1  技术目的情景呈现——培养想象力

设置演示实验,激发创新的萌芽。

如图 1 演示实验 ,通电导体棒ab在安培力作用下,在磁場中做切割磁感线运动,请学生讨论下列问题:

问题1 :切割运动的导体棒中,有产生感应电动势? 结论的依据?

学生:①理论依据: 动生电动势ε=BLv;

② 逻辑推理:电动机的逆向思维:

问题2: 能否让产生了感应电动势的ab导体棒对外供电呢?

2.1.2  从技术目的到技术概念的装置(雏形)或思想模型

问题3: 产生了感应电动势的导体棒要对外供电,上述装置该怎么设计(改造)?

学生:如图 2,不用先通电,而用其它方式让导体棒(切割)动起来,再用两个电极把电动势引出来。

点评:用“条件的实现”创造技法[ 4 ],通过抽象思维形成技术概念的模型,并超前预见(想象)了发电机的表象形状;科学家只需要研制出原理性示范机器、能够为后人指出方向就可以了。

2.2  技术原理转化为发明设计——培养发散性思维

问题4: 在匀强磁场中,要连续不断产生感应电动势,导体棒应怎样运动?

学生:①导体棒往复平动(导体棒单一方向直线运动时,会受空间限制);②如图 3,ab导体棒围绕转轴转动最好(因动力装置多数是提供转动方式)。

问题5: 图3的示意装置,有哪方面要改进?怎么改?

①ab导体棒离心危害改进?

②线圈旋转中,外接导线缠绕问题?

怎样解决线圈的“动”与外接电线的“静”的问题?

学生:如图 4,示意装置的演变:

①防止离心危害,ab导体一边切割改进为abcd线圈双边对称运动;

②外接线路通过摩擦片(电刷)与线圈连接的滑环接触。

问题6: 如图 4,让发电机能产生较大的电动势,相关的要素要怎样调整?

学生:增强磁场、加大转速、用多匝线圈……

点评:在技术原理转化为发明设计过程,一定运用“条件实现改进法”[ 4 ],使设计的装置不断进阶完善。

2.3  技术的演进——培养辩证唯物主义世界观

2.3.1  换向器的发明——“矛盾论”引入课堂教学

教学环节设计为“提出矛盾—分析矛盾—解决矛盾”,实践证明此方法能充分调动学生的思维积极性。

问题7: 图4的发电机装置,在线圈旋转一圈的过程中,电流方向变化吗?

提出矛盾:图4的发电机产生的是交流电 ,而工业电解(或电镀)却需要直流电,那么,要让图4的发电机装置输出直流电,如何解决?

引导学生分析矛盾:线圈每旋转半圈,电流方向总要改变,若两电刷与滑环每半圈交换接触点,那么,电刷的外接电路中电流方向将不变?

解决矛盾:实验演示人工换向,验证猜想。

并提出新的课题:怎样把人工换向改为自动换向?

再分析新矛盾:电刷与某滑环接触的半圈后,换为与另一个滑环接触的半圈。

工程技术上两个滑环各留下半圈整合为彼此绝缘的铜制半环构成。

引导学生运用两个滑环之间“独立又统一”的辩证观点设计换向器装置。如图5所示,由两只电刷E 、F和两个彼此绝缘的铜制半环构成,其作用就是在线圈通过中性面时,铜制半环就会接触另一侧的电刷.教学流程如图6所示.。

点评:技术发明过程中的技术环境引发 “冲突”,“冲突”促进技术的演进.将矛盾论引入课堂让我们看到一个物理人的世界观和价值观,是多么积极面对存在的矛盾。

2.3.2  电动机与发电机原理中的“因果联系”“相互统一”的启示

从电机的技术史看到电动机的发明先于发电机,当时尚不清楚电机的可逆现象 ,且研制的理论基础也不尽相同, 后来人们才逐渐使两者的研究结合起来 , 逐渐使电动机和发电机的结构趋于一致、统一起来 ,这当中蕴含着辩证关系。利用图1、图2两个实验的比较来训练辩证思维能力 ,让学生能弄清因果关系,并善于从原因求结果,从结果寻原因,从因果相互关系中寻求统一。

问题8:图1实验中ab棒通电而运动,其中因果相互联系、相互转化关系?内在的本质是什么?

学生:ab棒通电(因)受磁力而运动(果),棒运动(上一个果转化为因)而产生反电动势(果)阻碍电流的通入;本质上实现电能的一部分转化为机械能(另一部分为棒的电热)而遵守能量的守恒(归一)。

问题9:上述“因果”相互转化的辩证关系,可否启发同学们运用ab棒切割磁场运动(因)而产生电动势(果)的创新构想? 并用如图2实验验证?

3  教学的总结与评价

3.1  创设“技术创新”的情境需要的条件[ 5 ]

①学生现有的知识(结构)水平能够察觉到情境里的技术萌芽。

②技术创新的任务要具有真实性、挑战性。

③ 情境要能激发学生的想象思维、发散思维、辩证思维等。

3.2  “技术创新”课题的选择和呈现

①课题要符合技术逻辑,要具有科学思维、方法的启发性。

②课题主要取材于原理性示范机器,整合能把科学原理转化为技术原理的教学资源。

③课题的呈现方式:从观察到的现象出发, 明确技术目的的前景下,以技术进阶的问题串,促进科学向技术转化。

本节这样设置的课题:从实验现象开始,利用简单移动导体棒切割磁力线产生电动势的原理,进行发电机的技术创造,其技术创作路径可能与1831年10月法拉第制成的圆盘式发电机是不同的,但符合技术逻辑。

补充说明:对上述设置的课题,在历史上存在相关的启示性实验,1831年11月4日,法拉第发现在磁铁两极之间简单移动铜导线时可以产生电流。假设法拉第依此实验的启示,一定能发明新的发电机。

这里我们提一个有趣的、有关创造思维的问题:如圖7所示,究竟法拉第是怎么构想的,设计出这个圆盘式发电机?按照现在的观点,并不是最好的方案.应该说这和法拉第的实验经验有关.法拉第一直关注“阿尔果的圆盘”实验,被他称为“非凡的实验”。1831年10月,他解释了相关的实验现象、并发现转轴(O)与圆盘边沿A间有最大电动势,用两个电极把它引出来就行了,这样的圆盘发电机就产生了。

3.3  营造技术创新的良好氛围

学生是课题活动的主体,对创新中的技术难点,要让学生自由表达想法、学生间交互协作。

在设计方案的优化过程中,教师要积极引导,师生间互为启发。

3.4  延展学习,鼓励学生课外继续探究创造

学生探究设计了旋转电枢式发电机后, 教师提示线圈与磁场间切割运动的相对性,可否设计旋转磁极式发电机?并比较两种设计模式的优劣?还可鼓励学生了解当前实际使用的各种样式的发电机,赏析构建创意或技术规则,还可了解技术环境怎样促进发电机技术的演进,甚至假想未来发电机的可能样式。

后记:线上教学等新模式的出现,微课作为内容层面的重要载体,其设计与开发受到关注。物理总复习中,引导学生建立探索和创新的素养仍是微专题教学的理念,微课主题的设计的重点要放在掌握知识的内在联系、掌握分析问题的方法和解决问题的能力上。本文的“发电机的发明”课例可作为专题复习的微课设计素材。

参考文献:

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(2017 年版)[S].北京:人民教育出版社,2017: 6,53.

[2]远德玉,丁云龙.中小型企业技术创新的几个问题[J] .东 北大学学报(社会科学版) , 2001, 3(1): 29-31.

[3]李兆友,宋保林.论技术知识的生成与转化及其过程本质 ——基于技术创新史的视角[J] . 自 然 辩 证 法 研究, 2010, 26(9): 24-27.

[4]刘家冈,李俊清,王本楠.物理学家的技术发明案例分析 ——法拉第发明电动机和发电机的启示[J].物理与工程,2012(5):47-49.

[5]王较过,马亚鹏,任丽平. 中学物理教学案例研究[M].西安:陕西师范大学出版总社,2019:62-64.