初中物理綜合實(shí)踐活動課中融入TRIZ理論的研究*

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(江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 江蘇 徐州 221100)

劉昱邑

(江蘇省錫東高級中學(xué) 江蘇 無錫 214100)

韓彩芹

(江蘇師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 江蘇 徐州 221100)

1 引言

綜合實(shí)踐活動課是一種將理論知識與實(shí)際生活緊密聯(lián)系的課程形態(tài)，具有內(nèi)容廣泛、形式多元和實(shí)操性強(qiáng)等特點(diǎn)，與學(xué)科課程平行存在、相互補(bǔ)充.2017年教育部發(fā)布的《中小學(xué)綜合實(shí)踐活動課程指導(dǎo)綱要》提出，綜合實(shí)踐活動要體現(xiàn)知行合一和實(shí)踐育人的特點(diǎn)，讓學(xué)生逐步將理論知識與社會自然相聯(lián)系[1].大部分初中物理知識與生活現(xiàn)象密切相關(guān)，為綜合實(shí)踐課的設(shè)計(jì)提供了背景知識.教師可以依據(jù)書本中的內(nèi)容設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)活動，通過解決社會生活問題或制作具有創(chuàng)意的復(fù)雜產(chǎn)品，培養(yǎng)學(xué)生的知識運(yùn)用能力和創(chuàng)新能力.

相比于普通課堂教學(xué)，綜合實(shí)踐活動課具有更加靈活和開放的特點(diǎn)，教師可以在活動過程中提供給學(xué)生一些程序化的、易于操作的方法和工具以提高學(xué)習(xí)效率和效果[2].TRIZ理論，即發(fā)明問題解決理論(Theory of the Solution of Inventive Problems)，是一種蘊(yùn)含著多種創(chuàng)新性原理和方法的問題解決理論體系，由前蘇聯(lián)科學(xué)家根里奇·阿奇舒勒(Genrikh. S. Altshuller)在1946年提出[3]，揭示了人們在發(fā)明創(chuàng)造和解決問題時(shí)所遵循的科學(xué)規(guī)律，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、制造業(yè)和工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域[4].將TRIZ理論融入綜合實(shí)踐活動課中，可以為學(xué)生提供多種用于問題解決和發(fā)明創(chuàng)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(shù)性難題.

2 以TRIZ理論為核心的創(chuàng)造工具的選擇與融入

初中生所參與的綜合實(shí)踐活動課多以設(shè)計(jì)類和制作類活動為主，需要學(xué)生依據(jù)一定的物理知識，結(jié)合題目要求或?qū)嶋H需求，完成一些小發(fā)明和小制作.在這個(gè)過程中，TRIZ理論主要作為一種問題解決工具，為學(xué)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(tǒng)化方法，指導(dǎo)學(xué)生從多種角度提出設(shè)想并進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制作，為創(chuàng)新能力的發(fā)展奠定基礎(chǔ).

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(xué)習(xí)目標(biāo)和已有知識入手，從TRIZ理論中選取符合學(xué)生心理特點(diǎn)、有利于思維拓展并符合實(shí)際環(huán)境的創(chuàng)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(xué)生并指導(dǎo)他們使用.

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

圖1 以TRIZ理論為核心的創(chuàng)造工具

第一步，根據(jù)活動目標(biāo)在“工程參數(shù)”中選擇制作產(chǎn)品涉及到的參數(shù)，如果該參數(shù)與目標(biāo)一致，則在矛盾沖突矩陣中表示為改善參數(shù)，如果該參數(shù)與目標(biāo)相反則在矛盾沖突矩陣中表示為惡化參數(shù).在這一步，學(xué)生要選擇合適的工程參數(shù)，確定它們與目標(biāo)之間的關(guān)系并列出改善與惡化參數(shù).

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

第三步，從“創(chuàng)造原理表”中找到可以使用的對應(yīng)原理，標(biāo)注在相應(yīng)位置并形成矛盾沖突矩陣，根據(jù)這些原理設(shè)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(xué)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(shí)踐活動課可以分為課題導(dǎo)入、任務(wù)布置、問題解決與方案設(shè)計(jì)、評價(jià)與交流4個(gè)步驟.課題導(dǎo)入的重點(diǎn)是對實(shí)踐活動背景進(jìn)行全面介紹；任務(wù)布置主要是明確活動目標(biāo)、確定影響產(chǎn)品性能的因素并設(shè)想可能存在的問題；問題解決與方案設(shè)計(jì)主要是利用以TRIZ理論為核心的創(chuàng)造工具來解決問題，包括確定改善和惡化參數(shù)、建立矛盾沖突矩陣、根據(jù)對應(yīng)創(chuàng)新原理提出實(shí)驗(yàn)方案、方案實(shí)施、提出最佳解決方案等5部分；評價(jià)與交流主要是對實(shí)踐活動的總結(jié)、分享和對解決方案的進(jìn)一步評估.

3 “室內(nèi)人工虹”綜合實(shí)踐活動課案例

“室內(nèi)人工虹”主題來源于蘇科版《物理》八年級上冊第三章第1節(jié)“光的色彩、顏色”中的3W習(xí)題，是對題目中提到的古代人工虹實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展.將原本的室外觀察實(shí)驗(yàn)變?yōu)檠b置設(shè)計(jì)活動課，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中深入理解光的反射、折射規(guī)律和色散現(xiàn)象.

3.1 課題導(dǎo)入

在大自然中，彩虹總在雨后出現(xiàn)，這是因?yàn)樘柟馐且环N復(fù)色光，由不同頻率的色光組成，當(dāng)太陽光照射到空氣中接近球形的水滴時(shí)會發(fā)生折射和反射，被分解成多條單色光(色散現(xiàn)象)呈現(xiàn)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(shí)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(nèi)?

3.2 任務(wù)布置

對全班學(xué)生進(jìn)行分組，選出組長負(fù)責(zé)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(nèi)？

(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(fā)生光的反射和折射形成的.

a.在室內(nèi)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(shè)計(jì)

(1)確定工程參數(shù)

a.改善參數(shù):靜止物體的面積、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、光照度；

b.惡化參數(shù)：能量損失、物質(zhì)或事物的數(shù)量.

(2)建立矛盾沖突矩陣

根據(jù)工程參數(shù)表，選擇發(fā)明創(chuàng)造原理，列出矛盾沖突矩陣，如表1所示.

表1 “室內(nèi)人工虹”裝置工程參數(shù)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?qū)傩?；原?為多用性，指的是一個(gè)物體賦予多個(gè)職能；原理7為嵌套，指的是把一個(gè)物體嵌入另一個(gè)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(huán)境的顏色.

(3)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

a.結(jié)合實(shí)際問題，將發(fā)明創(chuàng)造原理轉(zhuǎn)化為具體設(shè)計(jì)思路；

b.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)步驟；

c.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄測試情況；

d.根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇制作“室內(nèi)人工虹”的最佳方案；

e.在實(shí)驗(yàn)過程中，如果原理不合適，則重新定義參數(shù)，繼續(xù)使用矛盾沖突矩陣找出原理，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測試.

(4)制作成品

a.運(yùn)用最佳方案制作產(chǎn)品；

b.進(jìn)行測試與調(diào)試；

c.得到最終產(chǎn)品.

3.4 評價(jià)與交流

在本課題結(jié)束以后，以小組為單位推選出代表發(fā)言.發(fā)言者以匯報(bào)的形式講述本課題的設(shè)計(jì)理念，闡述使用體驗(yàn)，分享制作過程中遇到的問題以及想法.

學(xué)生在實(shí)踐活動中，運(yùn)用創(chuàng)造工具進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，以教師給出的5種方法為基礎(chǔ)，集思廣益提出了很多有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)，比如有學(xué)生提出將水杯法和鏡子法相結(jié)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(diào)整的支架上并放入水槽中，通過調(diào)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(gè)承重力更強(qiáng)、角度更好調(diào)節(jié)的支架來放置水槽的想法，通過同時(shí)調(diào)整水槽和鏡子的角度來提高實(shí)驗(yàn)成功率.

4 教學(xué)效果分析

選擇J省W市某初中九年級的兩個(gè)班，共94人，將以TRIZ理論為核心的創(chuàng)造工具運(yùn)用在綜合實(shí)踐活動課中，實(shí)行一個(gè)月，每周一次，共進(jìn)行4次以物理知識為背景的課程.結(jié)束后，以調(diào)查問卷的形式對學(xué)生創(chuàng)造力傾向進(jìn)行調(diào)查.在活動前后共發(fā)放創(chuàng)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(fā)放94份問卷.

本次調(diào)查采用威廉斯創(chuàng)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(xué)生的創(chuàng)造性傾向水平，主要分為冒險(xiǎn)性、好奇性、想象力和挑戰(zhàn)性4個(gè)維度.冒險(xiǎn)性代表敢于質(zhì)疑并提出觀點(diǎn)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(fā)生事件的推測；挑戰(zhàn)性代表提出多種設(shè)想并進(jìn)行驗(yàn)證的行為.共有正向和反向題目兩種題型，每道題有3個(gè)選項(xiàng)，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(jié)果得到對應(yīng)4個(gè)維度的分?jǐn)?shù)以及總分，每項(xiàng)分?jǐn)?shù)越高，表明創(chuàng)造力水平越高，反之越低[7].利用SPSS 25.0軟件進(jìn)行分析比較，結(jié)果如表2所示.

表2 學(xué)生創(chuàng)造力傾向活動前、后對比表

根據(jù)表2可以看出，活動前、后學(xué)生的創(chuàng)新能力有所提升.在想象力方面，平均值有較明顯變化，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差可以看出整體趨勢向右遷移，滿分人數(shù)增多、低分人數(shù)減少，顯著性p=0.044(<0.05)說明試驗(yàn)前、后分值變化較為明顯，學(xué)生的想象力得到了發(fā)展.在冒險(xiǎn)性方面，平均數(shù)變化不明顯，但標(biāo)準(zhǔn)差變大，顯著性p=0.039(<0.05)說明學(xué)生的冒險(xiǎn)意識有所提升.在挑戰(zhàn)性方面，平均值、方差和最大值都有明顯變化，高分人數(shù)增多，顯著性p=0.283(<0.05)說明更多學(xué)生敢于接受挑戰(zhàn).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(xué)生好奇心改變較小，從心理學(xué)角度分析，好奇心是與生俱來的本能，短時(shí)間內(nèi)很難改變.

調(diào)查結(jié)果表明，在綜合實(shí)踐課中融入TRIZ理論有助于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng).教師可以利用創(chuàng)造工具把創(chuàng)新思路和方法教給學(xué)生，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)欲望和活動動機(jī)，克服對物理學(xué)習(xí)的恐懼和倦怠.學(xué)生可以利用創(chuàng)造工具進(jìn)行高效、條理的實(shí)驗(yàn)活動，在解決實(shí)際問題的過程中產(chǎn)生質(zhì)疑、進(jìn)行驗(yàn)證，在反復(fù)迭代中思考出獨(dú)特的方案，使創(chuàng)新思維得到擴(kuò)展，創(chuàng)新能力得到提升.

5 總結(jié)與展望

TRIZ理論還蘊(yùn)含著其他工具，比如演化類型、創(chuàng)新原理、解決算法和知識庫等，教師可以選擇不同的工具進(jìn)行組合，提出多種以TRIZ理論為核心的創(chuàng)造工具并指導(dǎo)中學(xué)生使用，在實(shí)踐中加以完善，探索培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)方法.

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

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

(2)為學(xué)生提出多角度、邏輯性強(qiáng)的問題，促使學(xué)生主動使用TRIZ理論.

(3)積極挖掘可融合TRIZ理論的知識點(diǎn)，使用合適的教學(xué)策略幫助學(xué)生將TRIZ理論與物理知識緊密聯(lián)系，達(dá)到學(xué)以致用的目的.

(4)在學(xué)生剛接觸TRIZ理論時(shí)，教師可以按照創(chuàng)新的難易程度將TRIZ理論劃分層次，在平時(shí)的物理課堂中循序漸進(jìn)地教給學(xué)生相關(guān)知識，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課中適當(dāng)融入，為學(xué)生的獨(dú)立運(yùn)用奠定基礎(chǔ).