用科学探究方法和创造技法指导技术设计活动，本文主要内容关键词为：技法论文,科学论文,方法论文,技术论文，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。
一、学生技术设计活动的创新特征
物理课程中的技术设计活动，一般不同于职业课程中的技能训练活动。它既需要进行科学的选题和论证，又需要应用或学习物理知识，也需要进行个性化的设计和制作，它不是光靠熟练就能完成的。因此，技术设计活动必不可少的带有创新的特征。当然这种创新与发明家的发明不一样，它可能有发明的成果，但更多的是相对个体而言的新颖性的成果。既然这种活动要求有一定的创新性，那么就应当让学生在过程中学习创新的方法，并应用方法使自己的设计具有新颖性。
科学家在探究过程中形成了一整套科学方法，虽然它不是一成不变的，但有一些基本的要素，如“问题”“猜想与假设”“实验与收集证据”“论证与评估”“交流与合作”等，还有一些重要的科学方法，如观察实验法、理想化实验方法、等效替代法等。这些科学方法的灵活运用对解决科学问题以及生活等其他问题都是行之有效的。对于技术设计中的一些问题的解决，需要用到这些科学方法。另外，对于技术设计课题，人们在实践中总结了一些创新方法，技术设计的方法主要有系统结构方法、信息控制方法、创造技法等。例如，在技术设计中，要考虑整体与部分的关系，形成整体结构，更好地发挥整体的功能；要运用系统的控制方法，通过信息反馈实现有效控制。为了更好地实现技术创新，可运用缺点列举法、希望点列举法、逆向思维技法、强化技法等。由于技术设计离不开科学原理的应用，技术方法与科学探究的方法常常是结合起来的。
二、用科学探究方法与创造技法指导技术设计活动
案例 设计和制作液体密度计
思想 用理论分析法、头脑风暴法、缺点列举法、实验法指导学生设计液体密度计。
教师：生活、生产中常常需要各种不同的液体，如酒、食油、盐水、酱油、饮料、洗发水、汽油等，在检验不同种类的液体和同一类的不同液体时，密度是一个重要的指标，如何测量液体的密度呢？
学生：用天平测量液体的质量，用量筒测量液体的体积，由密度公式就可以求得密度的大小。
教师：这种方法有什么缺点？不方便。能否设计一个称为液体密度计的工具，用它方便地测量液体密度？请同学们分组讨论，提出尽可能多的方法，说明理论依据，再列举它们的优缺点，从而找出一种大家认为比较好的方法，提出设计的方案。
经过学生的讨论，提出了许多不同的方法，如：
1.杆秤法
同样的步骤，将左侧空桶内的液体换成同体积的水，取得数据，可得
根据这个公式，在秤杆上标出刻度，就可以测液体的密度了。
2.漂浮法1
如图2所示，若不计漂浮在水中的容器的质量，在柱状容器中注入h深的水，水面与外水面的高度为0；再往此空容器中注入待测液体，注入深度仍保持h。测量出内外液面差Δh，设柱状容器的底面积为S，根据漂浮物体的平衡条件
若容器内液面在水面之上，则公式的括号内取负号；若在水面之下，则取正号。根据此公式在内容器侧面标出刻度，就可以测液体的密度了。
3.漂浮法2
与漂浮法1的方法实质相同，使外装水容器的横截面直径比内容器的直径略大，在注入待测液体后，测量外容器水面的高度变化，可以测出液体的密度（略）。
4.漂浮法3
某同学查阅一定的信息提出，当轮船在长江里航行时，记住轮船的“吃水线”，当轮船驶入海洋后，“吃水线”已经在海水面的上方了，这是因为海水的密度比淡水的密度大。根据这一经验，提出如图3所示的方案。
对同一物体，浮在不同液体表面上时，所受液体的浮力相等。由于液体的密度不一样，物体排开液体的体积也就不相同。反过来，如果同一物体在不同液体中排开液体的体积不相同，那么液体的密度一定不一样。根据这个道理，我们可以制成测量液体密度的装置——密度计。
还可能有其他的一些方案，经过学生讨论，认为图3的方案更方便，于是教师请学生尝试用此方案来制作密度计。
【实验1】
器材：长方形木块，一定浓度的食盐水，水，容器。
请学生按照图3的方案，测量食盐水的密度。
实验以后讨论，对这一方案，你认为存在哪些问题，如何改进？
（木块漂浮在水中和食盐水中，漂浮物在液面下深度的变化很不明显，用它来标注刻度线过密，测量误差大。减小漂浮物的横截面积，例如，把木块竖立在水和盐水中，现象有改进。）
【实验2】
（1）请各组学生根据上面尝试所得到的启发，设计一个细长柱状的漂浮式液体密度计，自己选材制作好密度计，在柱面上标出刻度。
（2）测量并比较不同食用油或饮料的密度。
（3）改进自己的方案，直到制作出自己满意的漂浮式液体密度计。
交流与小结 在全班交流，设计、制作中遇到哪些问题，是怎样解决的？怎样标出和校正刻度？刻度分布有什么特点？还有哪些缺点，如何改进？谈谈你们的体会。
1.教师在指导过程中，首先运用了头脑风暴法，让学生充分讨论提出各种设计方案，要求学生应用所学物理知识进行分析，并讨论这些方案可能存在的缺点，经过初步的论证和评价，选出他们认为较好的方案进行设计。由于进行了理论分析，使得提出的方案有一定的理论依据，也为学生进一步的设计奠定了基础。
2.在设计和制作过程中，需要把理论与实验结合起来，运用理论分析和实验方法完善设计方案和制作成果。例如，如何在密度计上标出刻度，需要探究细长柱状漂浮体在液体中的深度与液体密度的关系。学生们首先做出定性猜想，如果液体密度大于水的密度，则细长柱状漂浮体底面所处深度，比在水中的深度小；反之，液体密度小于水的密度，则细长柱状漂浮体底面所处深度，比在水中的深度大。学生们提出了以下两种不同的方法来探究定量的关系。
（1）实验法：配制一系列浓度不同的食盐水，用天平和量筒测量出它们的密度，再把自制的细长柱状漂浮体分别放在水和不同密度的食盐水中，在细长柱状体的柱面上标出一系列液面所在的位置，测量深度并画出图象。标出刻度的细长柱状体就是一个液体密度计。
由此式可制作一个标注刻度的密度计。具体的刻度方法是：将制作的密度计主体放入水中，使其漂浮，在细管上画出水面所对应的刻度线，量出该线到下端面的长度，即在水中漂浮时的深度H。根据上述推导出的公式，计算出液体密度为下表所选数值时密度计漂浮的深度h（取密度的单位为
）。
在学生标出刻度后，组织学生讨论液体密度计刻度分布的特点。可知，它的刻度是不均匀的，在密度较大的区域，刻度密集，在密度较小的区域，刻度变化显著。
3.在设计和制作过程中会发现学生的特长，也会发现不少问题，与原来的预想不一致，或者出现没有想到的现象，需要不断分析，以解决问题，并不断地评价方案的优缺点，不断地加以改进。例如：
（1）在制作柱状密度计时，不同学生会选用不同的物品作为漂浮杆，如装润喉片的小药瓶、塑料圆珠笔杆、铅笔、木筷、饮料吸管等，当他们把这些物品放入水中，都不能保持竖直漂浮状态，在这些直杆（管）下端配重后，就可以解决该问题了。
（2）学生的作品，各不相同，在评价和比较中，可以发现一些巧妙的作品。例如，有一个用饮料吸管制作的密度计，如图5所示，选取的是直径约为5mm的透明塑料管，下端用蜡封口，用自行车轮轴中的小钢珠放入塑料管底部作为配重，使密度计能竖直地漂浮在液体中，裁剪一条卡片纸，在其上画出刻度，再把它插入在透明塑料管中固定。这一作品简单、可靠、标度清楚、使用方便。教师发现这一作品后，及时给予肯定，并向其他同学推荐。
（3）当学生提出两种不同的标度方法时，教师组织学生评价，指出实验方法中只能标出密度大于水的刻度，且由于配制食盐的浓度不均匀易产生较大的误差。用理论分析的方法标度是很好的，制作好密度计以后，选择两种液体（一个密度较小，一个密度较大），用该密度计实际测量它们的密度值，然后用天平和量筒再测量它们的密度值，用后者作为准确值，比较一下用自己制作的密度计测量的误差。
（4）在完成细长柱状漂浮式密度计后，组织学生讨论，用这种密度计测量密度较大的液体时，刻度线较密，测量误差较大，怎样克服这一缺点？学生通过理论分析，提出增大在水中的深度H，可以使相邻刻度线间的距离变大。增大H的方法是增加配重的质量。但没入水中的深度过大，需要较深的容器，这给测量带来了不便。于是，向学生介绍，或学生自己查阅实验室中漂浮式密度计的结构特点，从而使学生理解了真实的漂浮式液体密度计的原理。
由此案例可以看出，在教师指导下发挥好学生的主体地位，可以使学生对技术产生兴趣，更好领会技术设计的创新过程，培养创新的能力。
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