創設“技術創新”的情境培養核心能力與素養

摘? ?要：技術創新過程中的內在機理，蘊含著原始創新的規律，其創新性、應用性、綜合性的教育特質應當充實到教學中;在具備了科學原理（知識體系）基礎之上，引向技術創新的應用，是培養核心能力的重要實踐。本文以高中物理教學中“發電機的發明”實踐教學為例。

關鍵詞：技術; 原始創新 ;核心素養

1? 技術創新教育的價值及路徑

1.1? 當前高中物理教學中存在嚴峻的挑戰

1.1.1? 教學的傾向性行為與“核心素養”的高階目標之間存在落差

《中國學生發展核心素養》提出，“核心素養”是個體在面對復雜的、不確定的現實問題時，能夠發現問題、解決問題的綜合品質[ 1 ].學生所具有的扎實的基礎知識如何轉化為提供實踐創新能力的源泉和支撐，是發展核心素養的重中之重. 而在現實的高考任務面前，在“實踐創新”層面中，解題訓練代替了“問題解決”，成為一個較普遍的現象。

1.1.2? 核心技術的渴求與“原始創新”的啟蒙教育的不足

從“無用”的理論到“有用”的技術，即從無到有（或“0”到“1”）的創新才是原始創新，才能擁有核心技術.我國也有技術創新，但大部分是“1”到“2”或“2”到“3”的非原始的創新，在國際中常處于被動地位。

在高中物理教學中，進行“原始創新”的啟蒙教育，對培育后備人才有現實的意義。什么樣的教學場景有利于培養原創能力？應當是老師們關注的前瞻性問題。

1.2? 技術的原始創新中的教育價值

技術創新的本質特征是獲得自己獨有的知識產權[ 2 ];以技術目的為邏輯起點，經過技術原理構建、技術規則制定和技能熟化三個環節構成了技術創新的演進過程[ 3 ]。

本文認為技術原理構建環節中蘊含的“進行創造”要素，涉及創新相關度高的能力和素養，比如想象思維、發散思維、逆向思維等，應當作為學生的學習方式和教師們關注的育人方向。

1.3? “發電機的發明”教學的設計思路

教學設計必須符合辯證的認知規律：首先表現在科學發展史，其次是學生認知的進階規律。科學發展史本身是符合 “ 實踐—認識—實踐 ” 這一辯證規律，電磁學發展出來的技術應用，其背后的理論研究、實驗證實，以及后人加以應用和開發的眼光，共同構成了20世紀的文明之光.不論是法拉第的“磁生電”理論預見、到電動機、發電機的實踐發明應用;從法拉第場概念的創立、再由麥克斯韋集成的電磁場理論到無線電技術誕生，創新是其中的主旋律.返樸于扎實的基礎理論，往往能引導出不窮的創新實踐。當學生具備“磁生電”的基礎理論，可提出“設計發電機”的課題。把知識轉化為應用成果的創新實踐，既可深化以前的知識及其價值，又激發學生的求知欲望， 同時還培養了學生的辯證唯物主義世界觀和科學創新能力。

2? “發電機的發明”教學的情景創設與實踐

高中物理教材中沒有“發電機的發明”獨立章節，為培養創新能力 ，在“法拉第電磁感應定律”“楞次定律”章節內容完成之后，創設“發明發電機”這堂課， 模擬科學家的研究發明的創新環境，從技術原理構建、技術規則制定環節中，讓學生經歷發現、想象、發散、推理、分析等行為。

2.1? 把科學原理轉化為技術原理

從觀察到的現象出發， 創生新的問題（技術目的），進而促進科學向技術轉化。

2.1.1? 技術目的情景呈現——培養想象力

設置演示實驗，激發創新的萌芽。

如圖 1 演示實驗 ，通電導體棒ab在安培力作用下，在磁場中做切割磁感線運動，請學生討論下列問題：

問題1 ：切割運動的導體棒中，有產生感應電動勢？ 結論的依據？

學生：①理論依據： 動生電動勢ε=BLv;

② 邏輯推理：電動機的逆向思維：

問題2： 能否讓產生了感應電動勢的ab導體棒對外供電呢？

2.1.2? 從技術目的到技術概念的裝置（雛形）或思想模型

問題3： 產生了感應電動勢的導體棒要對外供電，上述裝置該怎么設計（改造）？

學生：如圖 2，不用先通電，而用其它方式讓導體棒（切割）動起來，再用兩個電極把電動勢引出來。

點評：用“條件的實現”創造技法[ 4 ]，通過抽象思維形成技術概念的模型，并超前預見（想象）了發電機的表象形狀;科學家只需要研制出原理性示范機器、能夠為后人指出方向就可以了。

2.2? 技術原理轉化為發明設計——培養發散性思維

問題4： 在勻強磁場中，要連續不斷產生感應電動勢，導體棒應怎樣運動？

學生：①導體棒往復平動（導體棒單一方向直線運動時，會受空間限制）;②如圖 3，ab導體棒圍繞轉軸轉動最好（因動力裝置多數是提供轉動方式）。

問題5： 圖3的示意裝置，有哪方面要改進？怎么改？

①ab導體棒離心危害改進？

②線圈旋轉中，外接導線纏繞問題？

怎樣解決線圈的“動”與外接電線的“靜”的問題？

學生：如圖 4，示意裝置的演變：

①防止離心危害，ab導體一邊切割改進為abcd線圈雙邊對稱運動;

②外接線路通過摩擦片（電刷）與線圈連接的滑環接觸。

問題6： 如圖 4，讓發電機能產生較大的電動勢，相關的要素要怎樣調整？

學生：增強磁場、加大轉速、用多匝線圈……

點評：在技術原理轉化為發明設計過程，一定運用“條件實現改進法”[ 4 ]，使設計的裝置不斷進階完善。

2.3? 技術的演進——培養辯證唯物主義世界觀

2.3.1? 換向器的發明——“矛盾論”引入課堂教學

教學環節設計為“提出矛盾—分析矛盾—解決矛盾”，實踐證明此方法能充分調動學生的思維積極性。

問題7： 圖4的發電機裝置，在線圈旋轉一圈的過程中，電流方向變化嗎？

提出矛盾：圖4的發電機產生的是交流電 ，而工業電解（或電鍍）卻需要直流電，那么，要讓圖4的發電機裝置輸出直流電，如何解決？

引導學生分析矛盾：線圈每旋轉半圈，電流方向總要改變，若兩電刷與滑環每半圈交換接觸點，那么，電刷的外接電路中電流方向將不變？

解決矛盾：實驗演示人工換向，驗證猜想。

并提出新的課題：怎樣把人工換向改為自動換向？

再分析新矛盾：電刷與某滑環接觸的半圈后，換為與另一個滑環接觸的半圈。

工程技術上兩個滑環各留下半圈整合為彼此絕緣的銅制半環構成。

引導學生運用兩個滑環之間“獨立又統一”的辯證觀點設計換向器裝置。如圖5所示，由兩只電刷E 、F和兩個彼此絕緣的銅制半環構成，其作用就是在線圈通過中性面時，銅制半環就會接觸另一側的電刷.教學流程如圖6所示.。

點評：技術發明過程中的技術環境引發 “沖突”，“沖突”促進技術的演進.將矛盾論引入課堂讓我們看到一個物理人的世界觀和價值觀，是多么積極面對存在的矛盾。

2.3.2? 電動機與發電機原理中的“因果聯系”“相互統一”的啟示

從電機的技術史看到電動機的發明先于發電機，當時尚不清楚電機的可逆現象 ，且研制的理論基礎也不盡相同， 后來人們才逐漸使兩者的研究結合起來 ， 逐漸使電動機和發電機的結構趨于一致、統一起來 ，這當中蘊含著辯證關系。利用圖1、圖2兩個實驗的比較來訓練辯證思維能力 ，讓學生能弄清因果關系，并善于從原因求結果，從結果尋原因，從因果相互關系中尋求統一。

問題8：圖1實驗中ab棒通電而運動，其中因果相互聯系、相互轉化關系？內在的本質是什么？

學生：ab棒通電（因）受磁力而運動（果），棒運動（上一個果轉化為因）而產生反電動勢（果）阻礙電流的通入;本質上實現電能的一部分轉化為機械能（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”相互轉化的辯證關系，可否啟發同學們運用ab棒切割磁場運動（因）而產生電動勢（果）的創新構想？ 并用如圖2實驗驗證？

3? 教學的總結與評價

3.1? 創設“技術創新”的情境需要的條件[ 5 ]

①學生現有的知識（結構）水平能夠察覺到情境里的技術萌芽。

②技術創新的任務要具有真實性、挑戰性。

③ 情境要能激發學生的想象思維、發散思維、辯證思維等。

3.2? “技術創新”課題的選擇和呈現

①課題要符合技術邏輯，要具有科學思維、方法的啟發性。

②課題主要取材于原理性示范機器，整合能把科學原理轉化為技術原理的教學資源。

③課題的呈現方式：從觀察到的現象出發， 明確技術目的的前景下，以技術進階的問題串，促進科學向技術轉化。

本節這樣設置的課題：從實驗現象開始，利用簡單移動導體棒切割磁力線產生電動勢的原理，進行發電機的技術創造，其技術創作路徑可能與1831年10月法拉第制成的圓盤式發電機是不同的，但符合技術邏輯。

補充說明：對上述設置的課題，在歷史上存在相關的啟示性實驗，1831年11月4日，法拉第發現在磁鐵兩極之間簡單移動銅導線時可以產生電流。假設法拉第依此實驗的啟示，一定能發明新的發電機。

這里我們提一個有趣的、有關創造思維的問題：如圖7所示，究竟法拉第是怎么構想的，設計出這個圓盤式發電機？按照現在的觀點，并不是最好的方案.應該說這和法拉第的實驗經驗有關.法拉第一直關注“阿爾果的圓盤”實驗，被他稱為“非凡的實驗”。1831年10月，他解釋了相關的實驗現象、并發現轉軸（O）與圓盤邊沿A間有最大電動勢，用兩個電極把它引出來就行了，這樣的圓盤發電機就產生了。

3.3? 營造技術創新的良好氛圍

學生是課題活動的主體，對創新中的技術難點，要讓學生自由表達想法、學生間交互協作。

在設計方案的優化過程中，教師要積極引導，師生間互為啟發。

3.4? 延展學習，鼓勵學生課外繼續探究創造

學生探究設計了旋轉電樞式發電機后， 教師提示線圈與磁場間切割運動的相對性，可否設計旋轉磁極式發電機？并比較兩種設計模式的優劣？還可鼓勵學生了解當前實際使用的各種樣式的發電機，賞析構建創意或技術規則，還可了解技術環境怎樣促進發電機技術的演進，甚至假想未來發電機的可能樣式。

后記：線上教學等新模式的出現，微課作為內容層面的重要載體，其設計與開發受到關注。物理總復習中，引導學生建立探索和創新的素養仍是微專題教學的理念，微課主題的設計的重點要放在掌握知識的內在聯系、掌握分析問題的方法和解決問題的能力上。本文的“發電機的發明”課例可作為專題復習的微課設計素材。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017 年版）[S].北京：人民教育出版社，2017： 6，53.

[2]遠德玉，丁云龍.中小型企業技術創新的幾個問題[J] .東 北大學學報（社會科學版） ， 2001， 3（1）： 29-31.

[3]李兆友，宋保林.論技術知識的生成與轉化及其過程本質 ——基于技術創新史的視角[J] . 自 然 辯 證 法 研究， 2010， 26（9）： 24-27.

[4]劉家岡，李俊清，王本楠.物理學家的技術發明案例分析 ——法拉第發明電動機和發電機的啟示[J].物理與工程，2012（5）：47-49.

[5]王較過，馬亞鵬，任麗平. 中學物理教學案例研究[M].西安：陜西師范大學出版總社，2019：62-64.