实验技术创新是推动物理教学发展的动力，本文主要内容关键词为：技术创新论文,物理教学论文,动力论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
实验、创新、发展三者之间具有很强的关联性，实验是物理课程的基本特征，创新是转变人才培养模式的关键所在，物理学科发展需要坚守物理实验这个基本特征，以实验创新去寻求创新人才培养的途径是物理学科发展追求的方向。实验创新是推动学科发展的动力，也可以说“实验创新”是过程，“学科发展”是结果。将高中通用技术课程与物理学科整合，渗透通用技术课程中的技术思想和方法，以“做中学”和“学中做”理念，运用通用技术课程的理念、方法、技能，进行物理实验教具（或实验装置）的创新，是培养学生创新精神和实践能力、提高学生技术素养的一种有效途径，也是推动高中物理学科课程创新、提高教学质量的重要策略。 “技术创新”常常以技术革新和技术发明为表现形式。在原有技术基础上的变革和改进称为技术革新，具有新颖性；而技术发明则是一项新技术的产生，凸显创造性。用作中学物理实验的教具是技术作品，分为凸显创造性的原创型教具和内含新颖性的改进型教具，即技术发明和技术革新两大类型。下面通过具体的技术发明作品“金属丝电阻率测定固定架”和技术革新作品“改进的验证动量守恒定律学生实验装置”“受迫振动演示器”三个案例的技术创新过程，来探讨技术创新对物理学科发展以及物理课程教学的现实意义。 一、技术的目的性体现在技术活动之中 “任何技术的产生和发展，都是人类有意识、有目的活动的成果。”它总是从一定的具体目的出发，针对具体的问题，形成解决的方法，从而满足人们某方面的具体需求。自制教具是技术创新作品，是为满足实验教学要求或为了训练学生的动手实践能力而开展技术活动的成果。当实验教学遇到问题后，针对具体问题在调查研究、科学分析的基础上，设计制作、试验评估、优化定形的一种专用性技术创新实体性成果。自制教具是富含技术思想和方法的技术结晶体，是用作科学实验的必备器具，自制教具都具有鲜明的目的性。 案例1 技术发明教具——金属丝电阻率测定固定架 学完人教版《普通高中课程标准实验教科书·物理（选修3-1）》第2章第6节后，测定金属丝的电阻率，是一个学生既强化金属电阻率概念又借此学习、掌握、运用螺旋测微器的必要实验。该实验在如何正确用螺旋测微器测定金属丝的直径及计算横截面积，一般没有什么问题；如何用伏安法测电阻也没什么问题。问题一般都出在该用哪些实验器材、实验怎么进行、如何减小实验误差提高精度方面。实践证明研发一个能将金属丝拉直、改变其长度容易、使测量又快又准的“金属丝电阻率测定固定架”显得十分必要。 1.发现和明确问题 做该实验时，学生一般随便拿一根电阻较大的捋得不怎么直的金属丝，连到电路中就去测定它的电阻率。这样就出现了两个问题：一是未捋直的金属丝影响了所测金属丝长度的准确度；二是改变金属丝长度多次测量时，用直尺计量长度既不准确又耗费时间，以致计算出的电阻率精度不高，整个实验也显得比较仓促。 2.制定设计方案 如何将电阻丝拉直？如何改变其长度且测量电阻率又快又准？这要有措施去保证。新设计的金属丝电阻率测定固定架，如下页图1所示，应含有能拉直所测金属丝的结构、改变所测金属丝长短的结构和计量所测金属丝长度的结构，能满足实验用时短和实验精度高要求。基于设计的要求，结合实验室现有条件，考虑制造成本和制作条件，挖掘校本教育资源——利用现有仪器零件，采用组装工艺，是研制该教具的最佳设计方案。
3.制作装置原型 （1）选用现有仪器和材料 光具座架，光具座的附件金属插杆，双孔有机玻璃片（自制），接线柱（带帽），自制有机玻璃标牌，电阻丝（300W）约950mm，鱼嘴夹导线。 （2）制作配件并组装教具 ①自制绝缘性能良好的用于安装电阻丝用“双孔有机玻璃片”（2mm厚）2块，如图2所示。 ②自制“角形有机玻璃标牌”（2mm厚）2个，如图3所示。
③给两块“双孔有机玻璃片”各用M4螺母固定1根金属插杆和1个接线柱，再分别插在光具座左端固定插孔和第4个滑块（从左至右共4个）的插孔内，调整到等高后用固定丝固定插杆。再将捋直的电阻丝两端分别接在两个接线柱上，滑动第四滑块，拉紧电阻丝后固定。 ④给两块“角形自制标牌”套上插杆且用M4螺母固定后，分别插入第一和第二滑块的插孔内，调整标牌面使其平行于拉直的电阻丝后，旋紧滑块上的固定螺丝，防止其转向或滑下。 4.测试及评估 （1）测试 ①把带鱼嘴夹的导线夹在两标牌中线处，两导线另一端接入实验装置电路中。 ②测金属丝直径时直接在固定架上拉直的电阻丝上选任意点测量。 ③改变金属丝长度测电阻时，左端标牌应固定不动，只滑右边标牌到适当位置后夹上带导线的鱼嘴夹即可。每次测量时的导线长度可以直接在两标牌所在滑块中线之间的光具座上原有的固定毫米刻度尺上读出。 （2）评估 所测金属丝容易拉直，改变所测金属丝长短容易，读取所测金属丝长度准确，达到设计要求。 二、技术的创新性是技术发展的核心所在 “创新是技术发展的核心所在，也是技术对人类富有挑战意义的内在原因。”在人类历史的长河中，每一项技术的问世都是创新的结果，都闪烁着创新的光芒。教具这一具备科学性和技术性的特殊专用物品，在不断地推陈出新。新教具（实验装置）的研发和旧教具（实验装置）的改进都是创新在推动，因而教具（实验装置）的发展需要创新，创新是推动教具（实验装置）发展的动力。自制教具的问世是技术创新的结果，都具有创新性。 案例2 技术革新教具——改进的验证动量守恒定律学生实验装置 1.发现与明确问题 教科书上设计的《验证动量守恒定律》学生实验，实际操作时存在三个问题： （1）地上铺白纸不好固定，容易错位；人多组多，相互拥挤，更易挪动白纸，会增大实验时的偶然误差。 （2）入射小球和被碰小球相撞、飞出、落地后反弹又落地，入射小球第二次的落地点接近被撞小球首次的落地点，点迹印痕不易区分，会大大降低实验精度。 （3）相撞落地的两小球反弹几次后在地上乱滚，难以控制，多人寻找小球使实验室乱作一团，将严重降低预期实验效果。 2.制定设计方案 对原实验装置设计方案大胆质疑，并就三个问题进行反复研究论证后，确定了创新措施： （1）将白纸由地面移到实验桌面，并用透明胶带粘接固定，用以消除因纸移动而引起的偶然误差，可解决第一个问题。白纸的上移，必然引起碰撞实验器的上移，将碰撞实验器安装在放置于实验桌面上的铁架台立柱上。 （2）如下页图4所示用A、B两个沙盘分别接纳两个小球相碰下落、撞桌弹起后将要再次落到桌面上的小球
和
，以解决两小球反弹下落在纸上乱打点迹的难题，以保证实验精度。 （3）两沙盘接纳两个小球，避免小球在地上乱滚、学生到处寻找的混乱现象。
3.实验装置原型重组 （1）制作两个沙盘。制作木盒或选用现成的废旧包装盒。 （2）组装实验装置。在铁架台立柱上设法固定碰撞实验器斜槽后，参照如图4所示按以下顺序操作：在桌面铺放并粘接固定白纸——在白纸上铺放复写纸——摆放铁架台且调整斜槽方向——试放两沙盘——调整小铅锤高低。以上流程基本设定，除铺放复写纸和调整小铅锤高低可变动次序外，其他流程不应调整。 4.测试评估 经多次按设计流程实验操作试验，该创新实验装置达到了解决三个问题的设计要求，操作也简单方便，明显提高了实验效果。 5.设计方案优化 通过多轮学生实验，发现有两处还需改进：一是沙盘应为矩形，且B盘深而A盘浅（改后既使用方便又接纳小球效果好）；二是桌夹加垫子固定斜槽不牢固，未能达到将斜槽“竖直架稳”的目标（后采用给斜槽下面的U形铁上焊接一截直径为10mm铁棒的方法，用烧瓶夹和复口铁夹终于将斜槽“竖直地架稳”在铁架台立柱上了）。 三、技术的综合性是技术的内在特征 “技术具有跨学科的性质，综合性是技术的内在特性。”一般来说，每一项技术都需要综合运用多个学科、多方面的知识。作为技术载体的教具，同样具有跨学科的性质。任何一种教具都内涵文科、理科和技术三大知识因素，都是综合知识转化凝聚的交织体。所以一件自制教具的设计制作过程，是综合运用多个学科、多方面的知识高度研磨和聚合的结果，是将有形材料转化、无形知识物化为蕴含技术思想和方法的创新实体的过程。毫无疑问，自制教具的技术内涵具有综合性。 案例3 技术革新教具——受迫振动演示器 1.发现和明确问题 人教版高二物理第37页“受迫振动共振”一节中，用教材图示装置做受迫振动演示实验时，振子上下振动时伴随着水平方向无规则晃动，振幅不明显，影响实验效果。 2.制定设计方案 针对教材图示教具的不足，革新教具的设计，应由曲轴摇柄机构、弹簧振子和透明刻度桶组成；应能束缚弹簧振子做上下振动时不伴随水平方向无规则晃动，具有振子平衡位置标记，有能观察振幅大小的刻度；还应价格低廉，制作简单，使用方便。 3.制作装置原型 （1）制作材料 500mL量筒1个，红色橡皮筋圈1个，乒乓球1个，J2110螺旋弹簧组中的0.5N弹簧1个，无盖的直径60mm有机玻璃培养皿1个，自行车辐条1根，螺母垫片1个，有机玻璃片等辅助物品。 （2）制作方法 ①将自行车辐条折成有摇柄的曲轴，中部穿上供拴线用的螺母垫片。 ②加工好约为35mm×20mm的4块有机玻璃板，在三块板中心钻直径2.5mm的孔，并将其分别穿套在所制曲轴的适当位置处，然后将这三块板竖直用三氯甲烷粘在另一块板上。 ③在直径60mm有机玻璃培养皿底部中心钻一个直径2mm的孔，将前一步所制部件粘在培养皿底外部，制成曲轴摇柄机构。 ④将内装适量细沙且装有线套的加工了的乒乓球挂在弹簧下端的金属杆弯钩内，制成弹簧振子。 ⑤将细线绳一端系在弹簧上端圆环上，另一端穿过培养皿底部中心孔系在曲轴的螺母垫片上，使曲轴摇柄与弹簧振子连接并调试好长度。 ⑥将弹簧振子置入中间束有红色橡皮筋的量筒，把固定曲轴摇柄的培养皿扣在量筒口上，就组装成如下页图5所示的受迫振动演示器。 4.测试及评估 （1）测试 ①装配好受迫振动演示器，待振子静止不动时，调整量筒外壁上的橡皮筋与振子中部等高。 ②一手扶量筒上部，另一手均匀摇动曲轴的摇柄施加驱动力时，振子便随着弹簧的伸缩变化开始上下振动。当驱动力的频率等于振子稳定的频率时，振子便开始了受迫振动。
（2）评估 ①制作附件（曲轴摇柄机构）容易，组装整体装置简单，成本低，使用方便。 ②摇动曲柄施加驱动力时，量筒内壁束缚弹簧下端所挂振子做上下振动，避免了教材中图示装置的不足，即振子上下振动时伴随着水平方向无规则晃动，影响实验效果。 ③给量筒的振子平衡位置处套上红色橡皮筋作记号，以量筒壁上的体积刻度线作为距离参照，学生可直观地看到振子在标记线上、下振动幅度的大小，有助于他们理解受迫振动的含义。 ④巧妙利用量筒的圆筒状、透明、有刻度等独有特性，将现有化学仪器依“拓宽——组装——低成本”模式开发改装成力学教具，克服原有力学仪器的缺点，明显提高了实验效果。 5.制作工艺优化 经过试验测试和用于实验检验，虽说在设计上无需改进，但却发现弹簧的软硬性能、乒乓球内装沙的多少及曲轴摇柄机构的灵活程度，都将影响实验的质量。对这些制作工艺方面存在的不足，应在实际使用中不断试验的基础上逐渐进行改进优化。 对三个教具案例进行比较性评价：三种装置均具有材料易得、加工简单、制作容易、低成本、环保无污染、实验操作简单方便等特点；前一种属原创作品，后两种系革新作品；革新教具虽然制作难度不大，但内隐的技术含量和设计时所涉及的知识面、技术性纷繁而丰富，综合性能不亚于原创教具。这两类三种教具都符合教具微型、环保、绿色化理念，处处渗透着技术的思想和方法。教具的优化过程是对多种知识的整合、应用及物化过程，也是促进学生创造性想象与批判性思维能力发展的过程。吸收学生参与设计制作过程，可培养他们的动手实践能力，提高其技术素养。该物理实验创新与通用技术实践相互融合的案例，是依据技术在创新推动下不断发展的理念，运用技术思想和方法研制和优化物理教具，在实践运用中学习通用技术的示范性尝试。 通过介绍以上三种教具的研发和革新过程，达到了借用学科实验创新案例诠释通用技术必修1教材中技术的目的性、创新性和综合性的目的。其实，原创性教具也具备专利性，只是这类低成本教具的开发目的是为适应教学需求和培养学生能力，并非为了盈利，没必要申请专利而已。至于技术的两面性，在教具这类物品上不明显或不存在，它只有价值的大小、教学效果的好坏之分。由此也说明技术内隐的多种性质，不一定同时存在于所有技术作品之中。 四、实验创新是推动学科发展的动力 物理实验教具是寓科学性、新颖性、知识性、艺术性、教育性于一体的技术作品，虽然物理课程随时代变化而变化，但是，物理实验始终是物理课程的基本特征，实验教学始终是物理学科课程培养学生科学、探究、创新能力的重要途径。上述三个案例中，无论是发明教具还是优化革新教具，所反映的技术创新过程，说明教具在不断地推陈出新。新教具的不断开发和旧教具的改进革新都是技术创新的结果。任何自制教具的问世，是在不断发现实验教学中的问题、不断研究解决影响实验教学效果的问题的过程中，开展技术创新活动的结果。因而，教具的发展需要创新，创新是推动教具发展的动力。因为教具是技术作品，是承载技术思想、方法和技能的载体，所以实验创新是推动物理学科发展的动力。 本研究也是将物理课程与通用技术课程进行学科间整合的一点尝试，培养创新精神和实践能力是所有学科课程教学共同的目的，有关学科统筹与整合不失为一种有效途径。
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