● 楊國海 張增常

技術(shù)課程資源的開發(fā)與利用：儀器剖析*

● 楊國海 張增常

儀器剖析是通過解剖儀器而進行技術(shù)學(xué)習(xí)的一種學(xué)習(xí)方式，是技術(shù)課程資源開發(fā)與利用的一種有效途徑，儀器剖析的內(nèi)容和程序是：主要功能、基本結(jié)構(gòu)、科學(xué)原理、技術(shù)原理、技術(shù)創(chuàng)新、思維拓展。

技術(shù)教育；課程資源開發(fā)與利用；儀器剖析

課程實施需要豐富的課程資源做支撐，課程資源的開發(fā)與利用既為基礎(chǔ)教育新課程所倡導(dǎo)，又是學(xué)校和教師專業(yè)生活的重要內(nèi)容。作為一門新興的課程領(lǐng)域，技術(shù)課程資源相當(dāng)匱乏，各級教育機構(gòu)、學(xué)校和廣大教師都在為此付諸努力。在技術(shù)課程實踐中，我們探索出了技術(shù)課程資源開發(fā)與利用的一種新途徑——“儀器剖析”。本文擬在實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，集中回答何為儀器剖析？儀器剖析有何技術(shù)教育價值？如何剖析儀器？以此為讀者提供一種借鑒。

一、儀器剖析與技術(shù)課程資源的開發(fā)利用

課程資源有廣義和狹義之分，廣義的課程資源是指“有利于實現(xiàn)課程目標的各種因素”，[1]或者指“課程設(shè)計、實施和評價等整個課程編制過程中可資利用的一切人力、物力及自然資源的總和”。[2]課程資源的開發(fā)就是探尋一切有可能進入課程、能夠與教育教學(xué)活動聯(lián)系起來的資源，課程資源的利用就是充分挖掘被開發(fā)出來的課程資源的教育教學(xué)價值，課程資源的開發(fā)與利用是密切聯(lián)系在一起的，開發(fā)是利用的前提，利用是開發(fā)的目的?？晒╅_發(fā)與利用的課程資源多種多樣，既有來自于自然界的、也有來自社會的，既有顯性的、也有隱性的，既有校內(nèi)的、也有校外的，既有人力的、也有物力的，既有文字的和實物的、也有活動的和信息化的等等。課程資源的合理開發(fā)與有效利用是課程目標順利達成的必要條件。

《技術(shù)》是我國基礎(chǔ)教育新課程增設(shè)的一個特色課程領(lǐng)域，也是高等教育正在積極開發(fā)的一門新課程，技術(shù)課程的核心目標定位于提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。與其它課程相比，技術(shù)課程起步較晚，課程資源匱乏，迫切需要課程資源的開發(fā)與利用?；谶@樣的認識，我們在技術(shù)課程實踐中探索出了技術(shù)課程資源開發(fā)與利用的一種新途徑——“儀器剖析”。儀器是日常生活和生產(chǎn)、學(xué)習(xí)必需的技術(shù)產(chǎn)品而到處都有，廢舊儀器更是成為棄之不用的垃圾而隨處可見。儀器剖析就是通過對各種儀器特別是廢舊儀器進行解剖，了解其主要功能與基本結(jié)構(gòu)、分析其科學(xué)原理與技術(shù)原理、進而通過研究實現(xiàn)技術(shù)改進或創(chuàng)新，以有效提高學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)的一種技術(shù)學(xué)習(xí)活動方式或課程資源開發(fā)與利用的方式。

二、儀器剖析的技術(shù)教育價值

技術(shù)素養(yǎng)是指使用、管理、評價和理解技術(shù)的能力，[3]技術(shù)素養(yǎng)結(jié)構(gòu)包括：知識（Knowledge)、思考和行為方式（Ways of Thinking and Acting）、能力（Capabilities）。[4]儀器是人類為了改善生活以及提高生產(chǎn)能力和探索未知世界的能力而設(shè)計開發(fā)出來的技術(shù)產(chǎn)品和工具。從技術(shù)教育的內(nèi)在價值看，儀器剖析有利于學(xué)生掌握技術(shù)知識、發(fā)展技術(shù)能力、形成正確的技術(shù)思考和行為方式；從技術(shù)教育的外在價值看，儀器剖析是技術(shù)課程資源開發(fā)與利用的一種有效途徑。

（一）儀器剖析有助于學(xué)生對技術(shù)知識增強感性認識和深化理解

技術(shù)知識是技術(shù)素養(yǎng)的基礎(chǔ)。技術(shù)知識由兩部分組成：一是技術(shù)內(nèi)在的知識，包括工具使用、材料加工、產(chǎn)品設(shè)計、制作工藝、作業(yè)程序、過程控制、產(chǎn)品檢測等；二是關(guān)于技術(shù)的知識，包括技術(shù)是什么、技術(shù)如何生成、如何改進、如何管理、如何決策以及如何學(xué)習(xí)技術(shù)等。[5]儀器作為技術(shù)產(chǎn)品和工具，本身蘊含著豐富而鮮活的技術(shù)知識和信息，如：系統(tǒng)、資源、制約條件、優(yōu)化和權(quán)衡、過程和控制等有關(guān)技術(shù)的重要概念以及結(jié)構(gòu)決定功能、反饋等技術(shù)原理，技術(shù)發(fā)展的歷史和最新的技術(shù)成果，技術(shù)與社會以及其它領(lǐng)域之間的關(guān)系理解等。儀器剖析不僅有助于增強學(xué)生對技術(shù)知識的感性認識，而且有助于深化學(xué)生對技術(shù)知識的理解和遷移。

（二）儀器剖析有助于學(xué)生領(lǐng)悟并運用技術(shù)思想和方法

技術(shù)思想和方法可以理解為解決技術(shù)問題的思維方式和行為方式的總稱，既包括作為指導(dǎo)思想的方法論，也包括具體的操作手段、途徑和措施等。[6]技術(shù)思想和方法是技術(shù)素養(yǎng)的靈魂，也是技術(shù)課程的目標追求之一。技術(shù)思想和方法是人們面對技術(shù)時代，負責(zé)任、有遠見地使用和管理技術(shù)的利劍，對培養(yǎng)學(xué)生分析和解決問題的能力、創(chuàng)新和實踐能力具有重要作用，對學(xué)生形成科學(xué)的技術(shù)觀和終身發(fā)展具有重要價值。技術(shù)思想和方法既高于具體的技術(shù)知識，又內(nèi)隱于具體的技術(shù)知識和技術(shù)活動之中，這就要求領(lǐng)悟和運用技術(shù)思想和方法必然是基于具體的技術(shù)知識的學(xué)習(xí)和技術(shù)活動的實踐，而儀器剖析則為這種學(xué)習(xí)和實踐提供了一個廣闊而有效的平臺。

（三）儀器剖析能有效提高學(xué)生技術(shù)行為能力

技術(shù)行為能力是指使用技術(shù)和運用技術(shù)原理解決技術(shù)問題的能力，其內(nèi)容比較廣泛，可以分為操作層面的技術(shù)行為能力和思維層面的技術(shù)行為能力，是技術(shù)素養(yǎng)的核心。[7]操作層面的技術(shù)行為能力包括對常見技術(shù)工具的熟悉和正確使用與維護，具備一定的動手能力；思維層面的技術(shù)行為能力包括運用技術(shù)的思想和方法思考、分析和解決技術(shù)問題，應(yīng)用設(shè)計過程的能力，對技術(shù)和工具做出理性的評價、選擇、改進和決策，對待技術(shù)的良好習(xí)慣等。技術(shù)行為能力既需要以技術(shù)知識為基礎(chǔ)，又離不開技術(shù)思想和方法的指導(dǎo)。技術(shù)行為能力的形成不能脫離具體的技術(shù)實踐，儀器剖析不僅提供了這種實踐，而且同時從操作和思維兩個層面有效提高學(xué)生的技術(shù)行為能力。

（四）儀器剖析是技術(shù)課程資源開發(fā)與利用的一種有效途徑

儀器剖析不僅能體現(xiàn)其技術(shù)教育的內(nèi)在價值，而且也是技術(shù)課程資源開發(fā)與利用的一種有效途徑，尤其是對廢舊儀器的剖析與利用更是具有變廢為寶、成本低廉、可普及、可推廣的優(yōu)勢，系列化的儀器剖析還可以形成技術(shù)教育展館，從而使技術(shù)教育在更大范圍內(nèi)展開或普及，有利于公民技術(shù)素養(yǎng)的普遍提高。

三、儀器剖析的內(nèi)容和程序

儀器剖析是一種有目的、有計劃的技術(shù)學(xué)習(xí)活動，因此在儀器剖析之前要進行必要的準備、在頭腦中或書面形成一個剖析方案。技術(shù)的核心是設(shè)計，設(shè)計理論有“描述性”（條件→方法→結(jié)果）和“規(guī)定性”（結(jié)果→條件→方法）理論之分。儀器作為技術(shù)產(chǎn)品和系統(tǒng)，就是要實現(xiàn)預(yù)期的目標或功能，其技術(shù)設(shè)計具有顯著的規(guī)定性特征：明確的目的和目標、特定的約束條件、系統(tǒng)化設(shè)計、創(chuàng)造性、多種可能的解決方案等。由此，可以確定和實施儀器剖析的內(nèi)容和程序為：主要功能、基本結(jié)構(gòu)、科學(xué)原理、技術(shù)原理、技術(shù)創(chuàng)新、思維拓展。

（一）主要功能

功能即效能和功效的意思，是事物所發(fā)揮的作用的語言體現(xiàn)形式，是事物的本有屬性。儀器作為設(shè)計和開發(fā)出來的技術(shù)產(chǎn)品和系統(tǒng)就是要實現(xiàn)其預(yù)期的目的和目標，也即儀器的功能。功能有本征功能與非本征功能、主要功能與次要功能、特殊功能與一般功能之分。儀器作為一個技術(shù)系統(tǒng)，其輸出可能有多個結(jié)果，由此產(chǎn)生多種功能，而其主要功能才是技術(shù)設(shè)計預(yù)期的目的和目標。明確了儀器設(shè)計的主要功能，儀器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、技術(shù)原理等設(shè)計活動和方案才能有的放矢。

（二）基本結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)既是一種觀念形態(tài)，又是物質(zhì)的一種運動狀態(tài)，可以理解為主觀世界與客觀世界的結(jié)合構(gòu)造之意，任何一項技術(shù)實體都是由其內(nèi)在要素構(gòu)成的具有一定結(jié)構(gòu)形式的有機整體。辨析儀器的基本結(jié)構(gòu)，對于基于儀器剖析的技術(shù)學(xué)習(xí)有著重要意義：一方面，儀器本身是一個技術(shù)系統(tǒng)，其中還可能包含若干小系統(tǒng)，但無論是大系統(tǒng)和還是小系統(tǒng)，都是由輸入、過程、輸出、反饋與控制等要素組成儀器系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，識別這種共性的結(jié)構(gòu)有助于從宏觀層面理解技術(shù)系統(tǒng)和技術(shù)設(shè)計；另一方面，不同儀器或同類儀器欲實現(xiàn)不同的功能，各自又有其具體的結(jié)構(gòu)，不同的結(jié)構(gòu)決定著不同的功能，不同的功能需要不同的結(jié)構(gòu)，識別這種個性的結(jié)構(gòu)有助于從微觀層面理解技術(shù)系統(tǒng)和技術(shù)設(shè)計。同時，儀器剖析作為一種技術(shù)學(xué)習(xí)活動方式，從美國教育心理學(xué)家布魯納所倡導(dǎo)的“掌握學(xué)科的基本結(jié)構(gòu)”的發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)的方法來看，[8]欲有效剖析儀器就必須注重“發(fā)現(xiàn)和掌握儀器的基本結(jié)構(gòu)”。

（三）科學(xué)原理

這里的科學(xué)原理特指自然科學(xué)的原理，它是對自然界本質(zhì)關(guān)系及其普遍規(guī)律的理論表征，而技術(shù)原理可以定義為關(guān)于技術(shù)客體內(nèi)部功能過程及其內(nèi)在規(guī)律的理論描述。[9]科學(xué)原理與技術(shù)原理本質(zhì)上都是對物質(zhì)客體內(nèi)在規(guī)律的理論描述，但它們所描述的對象各有側(cè)重，前者以自然客體為主要對象，后者以技術(shù)客體為主要對象?？茖W(xué)原理對于物質(zhì)客體內(nèi)在規(guī)律性的研究，是把它們看作是某種自然發(fā)生的過程和關(guān)系，目的在于揭示這種過程和關(guān)系；而技術(shù)原理則是在科學(xué)原理的指導(dǎo)下，側(cè)重從功能角度把握這種過程和關(guān)系，其目的是為技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展服務(wù)。技術(shù)原理既是技術(shù)實踐發(fā)展的產(chǎn)物，更是科學(xué)原理發(fā)展的產(chǎn)物。儀器系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計和技術(shù)創(chuàng)新背后都隱含著相應(yīng)的科學(xué)原理，理解這一科學(xué)原理，方能為理解儀器系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計和原理乃至技術(shù)創(chuàng)新奠定堅實基礎(chǔ)。

（四）技術(shù)原理

科學(xué)原理向技術(shù)原理的轉(zhuǎn)化是沿著兩大方向進行的：其一是科學(xué)原理轉(zhuǎn)化為技術(shù)的核心原理；其二是科學(xué)原理轉(zhuǎn)化為技術(shù)的輔助性原理，即向部件原理、工序原理和構(gòu)型規(guī)范的轉(zhuǎn)化。[10]科學(xué)原理向技術(shù)原理轉(zhuǎn)化的這兩個不同方向?qū)夹g(shù)進步的作用雖然不同，但兩者總是相互依存、相互轉(zhuǎn)化：沒有科學(xué)原理向技術(shù)核心原理的轉(zhuǎn)化就難以有技術(shù)的開創(chuàng)性發(fā)明，技術(shù)進步就只會停留在量的增長而不會有質(zhì)的飛躍；沒有科學(xué)原理向技術(shù)輔助性原理的轉(zhuǎn)化，技術(shù)的開創(chuàng)性發(fā)明便不能完善，更不能從技術(shù)的開創(chuàng)性發(fā)明中衍生出技術(shù)發(fā)明的新系列。由此可見，技術(shù)原理表現(xiàn)為一個綜合體，即由核心原理及在核心原理規(guī)定下的輔助原理所組成的有機綜合體系，在這一綜合體系中，起關(guān)鍵作用或決定儀器系統(tǒng)主要功能的是技術(shù)核心原理或稱關(guān)鍵技術(shù)。

（五）技術(shù)創(chuàng)新

技術(shù)的核心是設(shè)計，設(shè)計的本質(zhì)是創(chuàng)新。技術(shù)創(chuàng)新包括原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和消化吸收再創(chuàng)新，無論哪種創(chuàng)新，都是建立在技術(shù)原理發(fā)展的基礎(chǔ)之上。技術(shù)原理的發(fā)展有突變式和漸進式兩種發(fā)展形式：[11]技術(shù)原理的突變性發(fā)展是指技術(shù)核心原理的創(chuàng)生或變革，其結(jié)果將導(dǎo)致技術(shù)的開創(chuàng)性發(fā)明，技術(shù)原理的創(chuàng)生或變革源于科學(xué)原理的重大發(fā)現(xiàn)。例如，只有當(dāng)科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了硅、硒等材料的能帶理論和導(dǎo)電機制后，晶體管技術(shù)原理的產(chǎn)生才成為可能。技術(shù)原理的突變式發(fā)展必然要連續(xù)地引起技術(shù)中相關(guān)輔助性原理的產(chǎn)生、完善和發(fā)展，這是技術(shù)原理漸進發(fā)展的形式，包括部件原理的構(gòu)思和改良、工序原理的研究和完善以及構(gòu)型規(guī)范的設(shè)計和安排。例如，自從皮希克用永久磁鐵制成第一臺發(fā)電機后，人們又在此基礎(chǔ)上發(fā)展出它激式和自激式發(fā)電機，也就是將電流的磁效應(yīng)原理向發(fā)電機生磁部件的技術(shù)原理移植和轉(zhuǎn)化、以電磁鐵取代永久磁鐵的結(jié)果。基于儀器剖析的技術(shù)創(chuàng)新，既包括發(fā)現(xiàn)和理解前人技術(shù)創(chuàng)新的過程，也包括個人的技術(shù)創(chuàng)新，明確了技術(shù)原理發(fā)展的基本形式及其作用，有助于理解前人技術(shù)創(chuàng)新或確立個人技術(shù)創(chuàng)新的方向和創(chuàng)新點。

（六）思維拓展

能力（Capabilities)是技術(shù)素養(yǎng)結(jié)構(gòu)的重要組成部分，而思維能力尤其是創(chuàng)造性思維能力是能力發(fā)展的重要內(nèi)容。創(chuàng)造性思維能力結(jié)構(gòu)由3個層次、12個因子組成：初級層次的思維能力包括觀察、實驗、模型、等效、類比、邏輯思維（比較與分類、分析與綜合、歸納與演繹）等思維能力，中級層次的思維能力包括創(chuàng)造性、發(fā)散、直覺、靈感等思維能力，高級層次的思維能力包括美學(xué)、哲學(xué)等思維能力。[12]儀器剖析的技術(shù)學(xué)習(xí)過程中需要縝密的思維活動，儀器剖析的技術(shù)學(xué)習(xí)活動后期更需要創(chuàng)造性的思維拓展活動，這是技術(shù)創(chuàng)新的智慧源泉和不竭動力。因此，思維拓展是儀器剖析這一技術(shù)學(xué)習(xí)活動所追求的可持續(xù)發(fā)展的高層次學(xué)習(xí)目標。

四、儀器剖析案例：《微波爐》

（一）主要功能

利用微波電場快速方便地烹飪或加熱各類食物。

（二）基本結(jié)構(gòu)

微波爐主要由爐腔、電氣電路、磁控管、定時器、功率分配器、聯(lián)鎖微動開關(guān)等構(gòu)成（如圖所示）。

1．爐腔：爐腔是一個微波諧振腔，是把微波能變?yōu)闊崮軐κ称愤M行加熱的空間。

2．爐門：爐門既是食品的進出口，又是爐腔的重要組成部分，要求既能從門外觀察爐腔內(nèi)食品加熱的情況，又不能讓微波泄漏出來。

3．電氣電路：電氣電路起輸送電能及控制作用，包括低壓、高壓和控制電路三個部分。

4．磁控管：磁控管是微波爐的核心部件，其作用就是將電能轉(zhuǎn)化為微波能。

5．定時器：定時器用于選擇或設(shè)定工作時間，以便自動切斷微波爐主電路。

6．功率分配器：功率分配器用來調(diào)節(jié)磁控管的平均工作時間，從而達到調(diào)節(jié)微波爐平均輸出功率的目的。

7．聯(lián)鎖微動開關(guān)：聯(lián)鎖微動開關(guān)是微波爐的一組重要安全裝置，具有多重聯(lián)鎖作用，并且均通過爐門和爐門把手上的開門按鍵來實施控制。

8．熱斷路器：熱斷路器是用來監(jiān)控磁控管或爐腔工作溫度的元件，當(dāng)工作溫度超過某一限定值時，熱斷路器會立即切斷電源，使微波爐停止工作。

（三）科學(xué)原理

水分子存在于大多數(shù)食物中，水分子屬于極性分子 （分子兩端帶有等量異號電荷），在外電場的作用下，每個極性分子會沿外電場方向形成有序排列，這一過程稱為極化，外加電場越強，極化作用也越強。當(dāng)外加電場的方向改變時，極性分子也隨之反向形成有序排列。若外加交變電場，極性分子將被反復(fù)交變極化，交變電磁場的頻率越高，極性分子反復(fù)交變極化的速率也就越快，分子熱運動的平均動能也就越大，也就是熱能急劇增加，食物的溫度也隨之升高，于是就完成了電能向熱能的轉(zhuǎn)換。由于微波爐磁控管所產(chǎn)生的交變電磁場頻率高達2.45KMHZ，故稱微波，用微波爐烹飪，食物內(nèi)外同時被加熱，烹飪速度比其它爐灶快4～10倍，熱效率高達80%以上。

（四）技術(shù)原理

1．技術(shù)原理：電氣電路將 220V市電提升到3000V以上并送給磁控管，磁控管產(chǎn)生的微波經(jīng)波導(dǎo)管進入爐腔，波導(dǎo)管端部的攪拌器旋轉(zhuǎn)小葉片將微波完全散布開，爐腔的金屬腔壁也不斷反射微波，加之旋轉(zhuǎn)的食物托盤，最終使食物均勻受熱以達到優(yōu)質(zhì)烹飪食物的目的。

2．核心技術(shù)：磁控管是微波爐技術(shù)系統(tǒng)的核心部件或技術(shù)。磁控管由陰極（燈絲）、陽極、環(huán)形磁鋼、耦合環(huán)、天線（即微波能量輸出器）、散熱器和燈絲插頭等組成，工作時需要很高的脈動直流陽極電壓和約3~4V的陰極電壓，由高壓電路和低壓電路為磁控管提供滿足上述要求的工作電壓。

3．輔助技術(shù)：磁控管以外的技術(shù)均可稱為輔助技術(shù)，主要包括高低壓和控制電路技術(shù)、爐門設(shè)計技術(shù)、聯(lián)鎖微動開關(guān)技術(shù)等。其中，爐門由金屬框架和玻璃觀察窗組成，觀察窗的玻璃夾層中有一層金屬微孔網(wǎng)，既可透過它看到食品，又可防止微波泄漏。玻璃夾層中的金屬網(wǎng)的網(wǎng)孔大小是經(jīng)過精密計算的，完全可以阻擋微波的穿透。

（五）技術(shù)創(chuàng)新

普通微波爐具有加熱速度快、加熱均勻、安全便捷等優(yōu)點，但缺點是只能對含有水分的食物進行加熱和烹飪，尤其是不具有燒烤功能，有必要進行技術(shù)改進或創(chuàng)新。目前比較成熟的技術(shù)創(chuàng)新表現(xiàn)在兩個方面：一是給普通微波爐增加一副燒烤管，通常采用銅管或者石英管，但銅管在加熱以后很難在短時間內(nèi)冷卻，容易導(dǎo)致燙傷，而石英管的熱效率不太高；二是將燒烤管更換為遠紅外線鹵素?zé)艄埽垂獠ü埽?，光波管能夠迅速產(chǎn)生高溫高熱，冷卻速度很快，加熱效率更高，而且不會烤焦，從而保證食物色澤，這樣的爐灶因此稱為光波爐。目前市場上的光波爐都是光波與微波組合爐，在使用中既可單獨用微波工作，又可單獨用光波工作，還可以用光波與微波組合工作。

（六）思維拓展

1．微波爐的微波是如何產(chǎn)生的？

2．微波爐的電磁波處于什么頻段？它會對無線通訊造成干擾嗎？

3．在使用微波爐時，應(yīng)該特別注意哪些問題？

4．微波爐系統(tǒng)內(nèi)含哪些小系統(tǒng)？辨別各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的輸入、輸出、反饋與控制等要素。

5．你認為還可以從哪些方面對微波爐進行技術(shù)改進或創(chuàng)新？

6．嘗試運用微波爐的核心技術(shù)原理設(shè)計或制作出其它儀器設(shè)備。

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楊國海/襄樊學(xué)院物理與電子工程學(xué)院副教授，主要從事基礎(chǔ)教育課程教學(xué)與評價研究、科學(xué)與技術(shù)教育研究

張增常/襄樊學(xué)院物理與電子工程學(xué)院教授／院長，主要從事物理教育、技術(shù)教育研究

（責(zé)任編輯：張 斌）