基于解決問題的創新理念和方法

筆者在60歲之前的30年，一直致力于理化實驗教學工作，到2010年2月退休年齡時，將所有各類理化實驗創新成果，進行分類、匯總和整理，于2011年7月正式出版了68萬字的《中學理化實驗創新研究》一書（2014年9月榮獲首屆國家級教學成果二等獎）。我國技術教育頂級專家顧建軍教授評價：“本書在對理化新課程的實驗教學起到示范教學的同時，對通用技術課程的實施也能起到良好的支撐，對廣大的通用技術教師的創造性教學提供積極的啟發。”[1]該成果匯編通過鮮活的實驗案例，揭示出被中小學師生廣泛認同的基于解決問題的創新理念和方法——“發現問題、研究問題、解決問題”，等同于技術設計過程。

1 確立“發現問題、研究問題、解決問題”創新理念源于實驗教學實踐

1.1 金屬絲電阻率測定固定架的研究

普通高中物理學生實驗“測定金屬的電阻率”，是一個學習、掌握、運用螺旋測微器的實驗，同時，也是一個培養學生設計實驗能力的探究性實驗。學生對于如何正確用螺旋測微器測定金屬絲的直徑及計算截面積，如何用伏安法測電阻都沒什么問題。問題在哪里呢？倒是要對極易忽視的該用哪些實驗器材、什么實驗裝置、如何減少實驗誤差和提高實驗精度方面應引起足夠重視。

1.1.1 發現和明確問題

如何去測量金屬電阻絲的長度問題，較多學生隨便拿一根電阻較大的捋得不怎么直的金屬絲，連到電路中就去測定它的電阻率，看似很簡單，其實不然。如何將它拉直？如何改變其長度且測量得又快又準？這要有具體措施去保證。

1.1.2 設計方案

設計一個能持續拉直金屬絲且改變其長度測電阻值比較方便的固定架，就能滿足實驗便捷、測量精度高的要求。

1.1.3 技術制作

依據設計方案制作（組裝）一個如圖1所示金屬絲電阻率測定固定架。

1）組裝器材

光具座架1、光具座及附件金屬插桿4、雙孔有機玻璃片2、接線柱（帶帽）2、自制有機玻璃標牌2、電阻絲（300W）約950mm、魚嘴夾導線2。

2）組裝方法（略）

1.1.4 技術試驗

采用實際做實驗的方法進行試驗，經不斷改進后其實驗效果十分理想。

1.1.5 技術評價

（1）改變金屬絲長度方便，測得的電阻較為準確，求得的電阻率精度相對較高；

（2）金屬絲易拉直，測量其直徑或長度均方便，實驗省時間；

（3）光學、力學儀器用于電學實驗，嘗試了一儀多用、拓寬現有儀器使用范圍、開發低成本組裝式教具的探索工作；

（4）能啟發學生的創新思維意識，可培養他們的科學嚴謹態度和探究能力。

以上案例有力證明“發現問題、研究問題、解決問題”的創新理念源于實驗教學實踐。

2 運用“發現問題、研究問題、解決問題”創新理念是基于解決實驗教學問題

2.1 學生實驗時為保護儀器而改進實驗裝置

2007年筆者任物理實驗員期間，曾被高一物理學生實驗四“研究勻變速直線運動”困擾：學生實驗操作時不但小車、滑輪或重物桶易被損壞；實驗課堂秩序混亂；大部分學生難以完成實驗任務，即使完成其實驗誤差也較大。經觀察和分析，發現了重物落地迅急，極易撞損重物和砸傷地面；由重物下落并通過線繩牽引的勻加速前進的小車，一不留神會翻過斜面板端頭的滑輪掉到地面被嚴重摔壞；滑輪極易被小車撞壞或使固定螺絲松動等問題并通過研究，形成了解決問題的思路與方案（見圖2）：

（1）設計制作沙盤，置其于斜面板端定滑輪下面的地面上；實驗時接納重物并消力；

（2）設計制作撞車器，將其安裝在斜面板接近滑輪一端，以碰阻勻加速行進的小車，防止與滑輪接觸碰撞；

（3）調整線繩長度，在重物落地時，使小車距滑輪約有20～30mm。

實驗裝置采取保護措施后，具有以下特點和效果：

（1）防止了多種儀器被碰損，起到了很好保護作用；

（2）實驗前經維修的小車及滑輪摩擦力小，實驗精度高；

（3）改善了實驗環境，保持了課堂秩序，學生情緒良好，實驗效果好。

實驗裝置的多處創新不僅解決了實驗教學中的問題，也啟發了學生對實驗改進和創新的興趣，對其創新能力的培養和提高具有積極意義。

3 “發現問題、研究問題、解決問題”是科學與技術課程融合教學的橋梁

3.1 基于光具座組裝的系列教具

基于光具座組裝的系列教具是挖掘校本教育資源，拓寬現有教學儀器用途，將繼承與創新結合，采用通用技術的設計理念，以不太常用的光具座為主，利用實驗室現有儀器（或其零件）和廢舊材料組裝而成的創新性低成本教具（見圖3）。

該套教具的設計、制作及使用過程，是通用技術實踐與物理實驗創新融合實施的過程，充分體現了技術的目的、創新、綜合、兩面、專利五大性質和設計的創新、實用、經濟、美觀、技術規范、可持續七個原則，所以也是訓練學生將知識與能力、過程與方法結合開展創新，且提升情感態度與價值觀的過程。

全套教具含6種11件（品名、制作及試驗過程略），其綜合特點如下：

（1）將光具座的雙滑軌、四滑塊和一條刻度尺的特有功能，分別用于不同教具的設計中，是對通用技術設計方法的拓展性應用；

（2）拓寬光具座使用范圍，把電學儀器稍加改進后跨學科移植到力學、運動學、聲學領域做實驗，賦予系列教具創新、實用性；

（3）利用現有儀器或其零件，由師生共同組裝教具并用于教學，既是對開發教具模式的大膽探索，又能激發學生學習興趣，啟發學生創新意識，培養和訓練學生的動腦動手能力，符合新課改理念。

將現有物品用途一再拓展，設計出多種新作品，這是極有意義的“創新”，所以它對科學課程與技術課程的融合教學起到了橋梁作用。

綜上對三個案例所涉及問題的研究表明，“發現問題、研究問題、解決問題”既是創新的過程，也是技術設計的過程，體現著濃郁的“學科統籌”思想；基于解決問題的創新理念和方法，就是不斷“發現問題、研究問題、解決問題”的過程。

【參考文獻】

[1]韓獨石.中學理化實驗創新研究[M].陜西人民教育出版社，2011（7）序言二：5.

[2]韓獨石.在研究勻變速直線運動實驗中如何保護實驗儀器[J].實驗教學與儀器，2008增刊：42.

[責任編輯：王楠]