初中物理综合实践活动课中融入TRIZ理论的研究*

牛慧君

(江苏师范大学物理与电子工程学院 江苏 徐州 221100)

刘昱邑

(江苏省锡东高级中学 江苏 无锡 214100)

韩彩芹

(江苏师范大学物理与电子工程学院 江苏 徐州 221100)

1 引言

综合实践活动课是一种将理论知识与实际生活紧密联系的课程形态，具有内容广泛、形式多元和实操性强等特点，与学科课程平行存在、相互补充.2017年教育部发布的《中小学综合实践活动课程指导纲要》提出，综合实践活动要体现知行合一和实践育人的特点，让学生逐步将理论知识与社会自然相联系[1].大部分初中物理知识与生活现象密切相关，为综合实践课的设计提供了背景知识.教师可以依据书本中的内容设计实验活动，通过解决社会生活问题或制作具有创意的复杂产品，培养学生的知识运用能力和创新能力.

相比于普通课堂教学，综合实践活动课具有更加灵活和开放的特点，教师可以在活动过程中提供给学生一些程序化的、易于操作的方法和工具以提高学习效率和效果[2].TRIZ理论，即发明问题解决理论(Theory of the Solution of Inventive Problems)，是一种蕴含着多种创新性原理和方法的问题解决理论体系，由前苏联科学家根里奇·阿奇舒勒(Genrikh. S. Altshuller)在1946年提出[3]，揭示了人们在发明创造和解决问题时所遵循的科学规律，被广泛应用于农业、制造业和工业设计等领域[4].将TRIZ理论融入综合实践活动课中，可以为学生提供多种用于问题解决和发明创造的方法和算法，帮助他们解决活动中遇到的冲突、矛盾和技术性难题.

2 以TRIZ理论为核心的创造工具的选择与融入

初中生所参与的综合实践活动课多以设计类和制作类活动为主，需要学生依据一定的物理知识，结合题目要求或实际需求，完成一些小发明和小制作.在这个过程中，TRIZ理论主要作为一种问题解决工具，为学生提供固定的问题解决流程、明确的问题解决方向和易于操作的系统化方法，指导学生从多种角度提出设想并进行产品设计、制作，为创新能力的发展奠定基础.

初中生思维水平和知识储备都比较有限，要想高效利用TRIZ理论，教师要做好这几方面的工作.

首先，教师要从学习目标和已有知识入手，从TRIZ理论中选取符合学生心理特点、有利于思维拓展并符合实际环境的创新性方法；然后将其组成一种易于接受和使用的工具；最后提供给学生并指导他们使用.

以根里奇·阿奇舒勒构建的TRIZ理论体系[5]为例，从六大核心内容中选取工程学原理、发明创造原理和技术矛盾解决原理三部分内容，再从中选择学生可以理解的工程参数和发明创造原理，组成活动中使用的创造工具，具体如图1所示.

图1 以TRIZ理论为核心的创造工具

第一步，根据活动目标在“工程参数”中选择制作产品涉及到的参数，如果该参数与目标一致，则在矛盾冲突矩阵中表示为改善参数，如果该参数与目标相反则在矛盾冲突矩阵中表示为恶化参数.在这一步，学生要选择合适的工程参数，确定它们与目标之间的关系并列出改善与恶化参数.

第二步，构建出成对的矛盾参数，比如改善参数1的增加(减少)会导致恶化参数2的增加(减少)，则改善参数1与恶化参数2是一对矛盾参数.

第三步，从“创造原理表”中找到可以使用的对应原理，标注在相应位置并形成矛盾冲突矩阵，根据这些原理设想解决方案.并不是所有原理都可以有效或高效地解决问题，需要学生在具体问题中尝试，然后筛选出最佳的方法.

融入TRIZ理论的物理综合实践活动课可以分为课题导入、任务布置、问题解决与方案设计、评价与交流4个步骤.课题导入的重点是对实践活动背景进行全面介绍；任务布置主要是明确活动目标、确定影响产品性能的因素并设想可能存在的问题；问题解决与方案设计主要是利用以TRIZ理论为核心的创造工具来解决问题，包括确定改善和恶化参数、建立矛盾冲突矩阵、根据对应创新原理提出实验方案、方案实施、提出最佳解决方案等5部分；评价与交流主要是对实践活动的总结、分享和对解决方案的进一步评估.

3 “室内人工虹”综合实践活动课案例

“室内人工虹”主题来源于苏科版《物理》八年级上册第三章第1节“光的色彩、颜色”中的3W习题，是对题目中提到的古代人工虹实验的扩展.将原本的室外观察实验变为装置设计活动课，让学生在设计过程中深入理解光的反射、折射规律和色散现象.

3.1 课题导入

在大自然中，彩虹总在雨后出现，这是因为太阳光是一种复色光，由不同频率的色光组成，当太阳光照射到空气中接近球形的水滴时会发生折射和反射，被分解成多条单色光(色散现象)呈现在天空上，肉眼可见的是由红光到紫光组成的光谱，人们称其为彩虹.但我们平时见到的彩虹都是在室外，有没有想过，我们可以把彩虹带入室内?

3.2 任务布置

对全班学生进行分组，选出组长负责组织小组活动.

(1) 问题识别

a.彩虹形成的原理是什么？

b.有什么方法能将彩虹引入室内？

(2) 提供方法

水杯法、镜子法、光盘法、手电法和雾气法.

(3) 思考问题

彩虹是由于阳光射到空气中接近球形的水滴上，发生光的反射和折射形成的.

a.在室内我们可以用什么代替水滴和阳光？

b.如何保证彩虹的清楚和完整？

3.3 问题解决与方案设计

(1)确定工程参数

a.改善参数:静止物体的面积、结构的稳定性、光照度；

b.恶化参数：能量损失、物质或事物的数量.

(2)建立矛盾冲突矩阵

根据工程参数表，选择发明创造原理，列出矛盾冲突矩阵，如表1所示.

表1 “室内人工虹”装置工程参数的矛盾冲突矩阵

其中原理1为分割，指的是将整体分为部分或部分组成整体；原理2为抽取，指的是抽出物体中必要的部分或属性；原理6为多用性，指的是一个物体赋予多个职能；原理7为嵌套，指的是把一个物体嵌入另一个物体；原理13为反向作用原理，指的是将物体或程序颠倒；原理32为改变颜色，指的是改变环境的颜色.

(3)设计与实验

a.结合实际问题，将发明创造原理转化为具体设计思路；

b.设计实验方案和实验步骤；

c.进行实验，记录测试情况；

d.根据实验结果选择制作“室内人工虹”的最佳方案；

e.在实验过程中，如果原理不合适，则重新定义参数，继续使用矛盾冲突矩阵找出原理，进行实验和测试.

(4)制作成品

a.运用最佳方案制作产品；

b.进行测试与调试；

c.得到最终产品.

3.4 评价与交流

在本课题结束以后，以小组为单位推选出代表发言.发言者以汇报的形式讲述本课题的设计理念，阐述使用体验，分享制作过程中遇到的问题以及想法.

学生在实践活动中，运用创造工具进行多次实验，以教师给出的5种方法为基础，集思广益提出了很多有创意的设计，比如有学生提出将水杯法和镜子法相结合，选择光线较好的地方，在浅水槽中装二分之一的水，将镜子固定在自制的、角度可调整的支架上并放入水槽中，通过调整支架成一定角度，在地板或者光屏上得到清晰的彩虹.另外，他们提出制作一个承重力更强、角度更好调节的支架来放置水槽的想法，通过同时调整水槽和镜子的角度来提高实验成功率.

4 教学效果分析

选择J省W市某初中九年级的两个班，共94人，将以TRIZ理论为核心的创造工具运用在综合实践活动课中，实行一个月，每周一次，共进行4次以物理知识为背景的课程.结束后，以调查问卷的形式对学生创造力倾向进行调查.在活动前后共发放创造性倾向水平问卷188份，回收188份，其中有效问卷188份，活动前、后分别发放94份问卷.

本次调查采用威廉斯创造性倾向量表[6]，选取该量表中的一部分题目以检测初中学生的创造性倾向水平，主要分为冒险性、好奇性、想象力和挑战性4个维度.冒险性代表敢于质疑并提出观点的行为；好奇心代表有深入思考和追根究底的精神；想象力代表对未发生事件的推测；挑战性代表提出多种设想并进行验证的行为.共有正向和反向题目两种题型，每道题有3个选项，分别为“完全符合”“符合”和“完全不符合”，正向题得分依次为3分、2分、1分，反向题与之相反.测试结果得到对应4个维度的分数以及总分，每项分数越高，表明创造力水平越高，反之越低[7].利用SPSS 25.0软件进行分析比较，结果如表2所示.

表2 学生创造力倾向活动前、后对比表

根据表2可以看出，活动前、后学生的创新能力有所提升.在想象力方面，平均值有较明显变化，根据标准差可以看出整体趋势向右迁移，满分人数增多、低分人数减少，显著性p=0.044(<0.05)说明试验前、后分值变化较为明显，学生的想象力得到了发展.在冒险性方面，平均数变化不明显，但标准差变大，显著性p=0.039(<0.05)说明学生的冒险意识有所提升.在挑战性方面，平均值、方差和最大值都有明显变化，高分人数增多，显著性p=0.283(<0.05)说明更多学生敢于接受挑战.但在好奇心方面，显著性p=0.049(<0.05)分值变化不明显，说明学生好奇心改变较小，从心理学角度分析，好奇心是与生俱来的本能，短时间内很难改变.

调查结果表明，在综合实践课中融入TRIZ理论有助于学生创新能力的培养.教师可以利用创造工具把创新思路和方法教给学生，激发他们的学习欲望和活动动机，克服对物理学习的恐惧和倦怠.学生可以利用创造工具进行高效、条理的实验活动，在解决实际问题的过程中产生质疑、进行验证，在反复迭代中思考出独特的方案，使创新思维得到扩展，创新能力得到提升.

5 总结与展望

TRIZ理论还蕴含着其他工具，比如演化类型、创新原理、解决算法和知识库等，教师可以选择不同的工具进行组合，提出多种以TRIZ理论为核心的创造工具并指导中学生使用，在实践中加以完善，探索培养学生创新能力的教学方法.

然而，TRIZ理论与综合实践活动的融合也存在一定的难度，需要教师在实践中不断改进：

(1)由于创新过程涉及的知识往往比较广泛，教师要加强自己的学科知识与TRIZ理论知识的储备.

(2)为学生提出多角度、逻辑性强的问题，促使学生主动使用TRIZ理论.

(3)积极挖掘可融合TRIZ理论的知识点，使用合适的教学策略帮助学生将TRIZ理论与物理知识紧密联系，达到学以致用的目的.

(4)在学生刚接触TRIZ理论时，教师可以按照创新的难易程度将TRIZ理论划分层次，在平时的物理课堂中循序渐进地教给学生相关知识，在传统实验课中适当融入，为学生的独立运用奠定基础.