初中物理綜合實踐活動課中融入TRIZ理論的研究*

牛慧君

(江蘇師范大學物理與電子工程學院 江蘇 徐州 221100)

劉昱邑

(江蘇省錫東高級中學 江蘇 無錫 214100)

韓彩芹

(江蘇師范大學物理與電子工程學院 江蘇 徐州 221100)

1 引言

綜合實踐活動課是一種將理論知識與實際生活緊密聯系的課程形態，具有內容廣泛、形式多元和實操性強等特點，與學科課程平行存在、相互補充.2017年教育部發布的《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》提出，綜合實踐活動要體現知行合一和實踐育人的特點，讓學生逐步將理論知識與社會自然相聯系[1].大部分初中物理知識與生活現象密切相關，為綜合實踐課的設計提供了背景知識.教師可以依據書本中的內容設計實驗活動，通過解決社會生活問題或制作具有創意的復雜產品，培養學生的知識運用能力和創新能力.

相比于普通課堂教學，綜合實踐活動課具有更加靈活和開放的特點，教師可以在活動過程中提供給學生一些程序化的、易于操作的方法和工具以提高學習效率和效果[2].TRIZ理論，即發明問題解決理論(Theory of the Solution of Inventive Problems)，是一種蘊含著多種創新性原理和方法的問題解決理論體系，由前蘇聯科學家根里奇·阿奇舒勒(Genrikh. S. Altshuller)在1946年提出[3]，揭示了人們在發明創造和解決問題時所遵循的科學規律，被廣泛應用于農業、制造業和工業設計等領域[4].將TRIZ理論融入綜合實踐活動課中，可以為學生提供多種用于問題解決和發明創造的方法和算法，幫助他們解決活動中遇到的沖突、矛盾和技術性難題.

2 以TRIZ理論為核心的創造工具的選擇與融入

初中生所參與的綜合實踐活動課多以設計類和制作類活動為主，需要學生依據一定的物理知識，結合題目要求或實際需求，完成一些小發明和小制作.在這個過程中，TRIZ理論主要作為一種問題解決工具，為學生提供固定的問題解決流程、明確的問題解決方向和易于操作的系統化方法，指導學生從多種角度提出設想并進行產品設計、制作，為創新能力的發展奠定基礎.

初中生思維水平和知識儲備都比較有限，要想高效利用TRIZ理論，教師要做好這幾方面的工作.

首先，教師要從學習目標和已有知識入手，從TRIZ理論中選取符合學生心理特點、有利于思維拓展并符合實際環境的創新性方法；然后將其組成一種易于接受和使用的工具；最后提供給學生并指導他們使用.

以根里奇·阿奇舒勒構建的TRIZ理論體系[5]為例，從六大核心內容中選取工程學原理、發明創造原理和技術矛盾解決原理三部分內容，再從中選擇學生可以理解的工程參數和發明創造原理，組成活動中使用的創造工具，具體如圖1所示.

圖1 以TRIZ理論為核心的創造工具

第一步，根據活動目標在“工程參數”中選擇制作產品涉及到的參數，如果該參數與目標一致，則在矛盾沖突矩陣中表示為改善參數，如果該參數與目標相反則在矛盾沖突矩陣中表示為惡化參數.在這一步，學生要選擇合適的工程參數，確定它們與目標之間的關系并列出改善與惡化參數.

第二步，構建出成對的矛盾參數，比如改善參數1的增加(減少)會導致惡化參數2的增加(減少)，則改善參數1與惡化參數2是一對矛盾參數.

第三步，從“創造原理表”中找到可以使用的對應原理，標注在相應位置并形成矛盾沖突矩陣，根據這些原理設想解決方案.并不是所有原理都可以有效或高效地解決問題，需要學生在具體問題中嘗試，然后篩選出最佳的方法.

融入TRIZ理論的物理綜合實踐活動課可以分為課題導入、任務布置、問題解決與方案設計、評價與交流4個步驟.課題導入的重點是對實踐活動背景進行全面介紹；任務布置主要是明確活動目標、確定影響產品性能的因素并設想可能存在的問題；問題解決與方案設計主要是利用以TRIZ理論為核心的創造工具來解決問題，包括確定改善和惡化參數、建立矛盾沖突矩陣、根據對應創新原理提出實驗方案、方案實施、提出最佳解決方案等5部分；評價與交流主要是對實踐活動的總結、分享和對解決方案的進一步評估.

3 “室內人工虹”綜合實踐活動課案例

“室內人工虹”主題來源于蘇科版《物理》八年級上冊第三章第1節“光的色彩、顏色”中的3W習題，是對題目中提到的古代人工虹實驗的擴展.將原本的室外觀察實驗變為裝置設計活動課，讓學生在設計過程中深入理解光的反射、折射規律和色散現象.

3.1 課題導入

在大自然中，彩虹總在雨后出現，這是因為太陽光是一種復色光，由不同頻率的色光組成，當太陽光照射到空氣中接近球形的水滴時會發生折射和反射，被分解成多條單色光(色散現象)呈現在天空上，肉眼可見的是由紅光到紫光組成的光譜，人們稱其為彩虹.但我們平時見到的彩虹都是在室外，有沒有想過，我們可以把彩虹帶入室內?

3.2 任務布置

對全班學生進行分組，選出組長負責組織小組活動.

(1) 問題識別

a.彩虹形成的原理是什么？

b.有什么方法能將彩虹引入室內？

(2) 提供方法

水杯法、鏡子法、光盤法、手電法和霧氣法.

(3) 思考問題

彩虹是由于陽光射到空氣中接近球形的水滴上，發生光的反射和折射形成的.

a.在室內我們可以用什么代替水滴和陽光？

b.如何保證彩虹的清楚和完整？

3.3 問題解決與方案設計

(1)確定工程參數

a.改善參數:靜止物體的面積、結構的穩定性、光照度；

b.惡化參數：能量損失、物質或事物的數量.

(2)建立矛盾沖突矩陣

根據工程參數表，選擇發明創造原理，列出矛盾沖突矩陣，如表1所示.

表1 “室內人工虹”裝置工程參數的矛盾沖突矩陣

其中原理1為分割，指的是將整體分為部分或部分組成整體；原理2為抽取，指的是抽出物體中必要的部分或屬性；原理6為多用性，指的是一個物體賦予多個職能；原理7為嵌套，指的是把一個物體嵌入另一個物體；原理13為反向作用原理，指的是將物體或程序顛倒；原理32為改變顏色，指的是改變環境的顏色.

(3)設計與實驗

a.結合實際問題，將發明創造原理轉化為具體設計思路；

b.設計實驗方案和實驗步驟；

c.進行實驗，記錄測試情況；

d.根據實驗結果選擇制作“室內人工虹”的最佳方案；

e.在實驗過程中，如果原理不合適，則重新定義參數，繼續使用矛盾沖突矩陣找出原理，進行實驗和測試.

(4)制作成品

a.運用最佳方案制作產品；

b.進行測試與調試；

c.得到最終產品.

3.4 評價與交流

在本課題結束以后，以小組為單位推選出代表發言.發言者以匯報的形式講述本課題的設計理念，闡述使用體驗，分享制作過程中遇到的問題以及想法.

學生在實踐活動中，運用創造工具進行多次實驗，以教師給出的5種方法為基礎，集思廣益提出了很多有創意的設計，比如有學生提出將水杯法和鏡子法相結合，選擇光線較好的地方，在淺水槽中裝二分之一的水，將鏡子固定在自制的、角度可調整的支架上并放入水槽中，通過調整支架成一定角度，在地板或者光屏上得到清晰的彩虹.另外，他們提出制作一個承重力更強、角度更好調節的支架來放置水槽的想法，通過同時調整水槽和鏡子的角度來提高實驗成功率.

4 教學效果分析

選擇J省W市某初中九年級的兩個班，共94人，將以TRIZ理論為核心的創造工具運用在綜合實踐活動課中，實行一個月，每周一次，共進行4次以物理知識為背景的課程.結束后，以調查問卷的形式對學生創造力傾向進行調查.在活動前后共發放創造性傾向水平問卷188份，回收188份，其中有效問卷188份，活動前、后分別發放94份問卷.

本次調查采用威廉斯創造性傾向量表[6]，選取該量表中的一部分題目以檢測初中學生的創造性傾向水平，主要分為冒險性、好奇性、想象力和挑戰性4個維度.冒險性代表敢于質疑并提出觀點的行為；好奇心代表有深入思考和追根究底的精神；想象力代表對未發生事件的推測；挑戰性代表提出多種設想并進行驗證的行為.共有正向和反向題目兩種題型，每道題有3個選項，分別為“完全符合”“符合”和“完全不符合”，正向題得分依次為3分、2分、1分，反向題與之相反.測試結果得到對應4個維度的分數以及總分，每項分數越高，表明創造力水平越高，反之越低[7].利用SPSS 25.0軟件進行分析比較，結果如表2所示.

表2 學生創造力傾向活動前、后對比表

根據表2可以看出，活動前、后學生的創新能力有所提升.在想象力方面，平均值有較明顯變化，根據標準差可以看出整體趨勢向右遷移，滿分人數增多、低分人數減少，顯著性p=0.044(<0.05)說明試驗前、后分值變化較為明顯，學生的想象力得到了發展.在冒險性方面，平均數變化不明顯，但標準差變大，顯著性p=0.039(<0.05)說明學生的冒險意識有所提升.在挑戰性方面，平均值、方差和最大值都有明顯變化，高分人數增多，顯著性p=0.283(<0.05)說明更多學生敢于接受挑戰.但在好奇心方面，顯著性p=0.049(<0.05)分值變化不明顯，說明學生好奇心改變較小，從心理學角度分析，好奇心是與生俱來的本能，短時間內很難改變.

調查結果表明，在綜合實踐課中融入TRIZ理論有助于學生創新能力的培養.教師可以利用創造工具把創新思路和方法教給學生，激發他們的學習欲望和活動動機，克服對物理學習的恐懼和倦怠.學生可以利用創造工具進行高效、條理的實驗活動，在解決實際問題的過程中產生質疑、進行驗證，在反復迭代中思考出獨特的方案，使創新思維得到擴展，創新能力得到提升.

5 總結與展望

TRIZ理論還蘊含著其他工具，比如演化類型、創新原理、解決算法和知識庫等，教師可以選擇不同的工具進行組合，提出多種以TRIZ理論為核心的創造工具并指導中學生使用，在實踐中加以完善，探索培養學生創新能力的教學方法.

然而，TRIZ理論與綜合實踐活動的融合也存在一定的難度，需要教師在實踐中不斷改進：

(1)由于創新過程涉及的知識往往比較廣泛，教師要加強自己的學科知識與TRIZ理論知識的儲備.

(2)為學生提出多角度、邏輯性強的問題，促使學生主動使用TRIZ理論.

(3)積極挖掘可融合TRIZ理論的知識點，使用合適的教學策略幫助學生將TRIZ理論與物理知識緊密聯系，達到學以致用的目的.

(4)在學生剛接觸TRIZ理論時，教師可以按照創新的難易程度將TRIZ理論劃分層次，在平時的物理課堂中循序漸進地教給學生相關知識，在傳統實驗課中適當融入，為學生的獨立運用奠定基礎.