● 楊國海 張增常

技術課程資源的開發(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學習的一種學習方式，是技術課程資源開發(fā)與利用的一種有效途徑，儀器剖析的內容和程序是：主要功能、基本結構、科學原理、技術原理、技術創(chuàng)新、思維拓展。

技術教育；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)與利用既為基礎教育新課程所倡導，又是學校和教師專業(yè)生活的重要內容。作為一門新興的課程領域，技術課程資源相當匱乏，各級教育機構、學校和廣大教師都在為此付諸努力。在技術課程實踐中，我們探索出了技術課程資源開發(fā)與利用的一種新途徑——“儀器剖析”。本文擬在實踐經驗的基礎上，集中回答何為儀器剖析？儀器剖析有何技術教育價值？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。可供開發(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》是我國基礎教育新課程增設的一個特色課程領域，也是高等教育正在積極開發(fā)的一門新課程，技術課程的核心目標定位于提高學生的技術素養(yǎng)。與其它課程相比，技術課程起步較晚，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，我們在技術課程實踐中探索出了技術課程資源開發(fā)與利用的一種新途徑——“儀器剖析”。儀器是日常生活和生產、學習必需的技術產品而到處都有，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構、分析其科學原理與技術原理、進而通過研究實現(xiàn)技術改進或創(chuàng)新，以有效提高學生技術素養(yǎng)的一種技術學習活動方式或課程資源開發(fā)與利用的方式。

二、儀器剖析的技術教育價值

技術素養(yǎng)是指使用、管理、評價和理解技術的能力，[3]技術素養(yǎng)結構包括：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能力和探索未知世界的能力而設計開發(fā)出來的技術產品和工具。從技術教育的內在價值看，儀器剖析有利于學生掌握技術知識、發(fā)展技術能力、形成正確的技術思考和行為方式；從技術教育的外在價值看，儀器剖析是技術課程資源開發(fā)與利用的一種有效途徑。

（一）儀器剖析有助于學生對技術知識增強感性認識和深化理解

技術知識是技術素養(yǎng)的基礎。技術知識由兩部分組成：一是技術內在的知識，包括工具使用、材料加工、產品設計、制作工藝、作業(yè)程序、過程控制、產品檢測等；二是關于技術的知識，包括技術是什么、技術如何生成、如何改進、如何管理、如何決策以及如何學習技術等。[5]儀器作為技術產品和工具，本身蘊含著豐富而鮮活的技術知識和信息，如：系統(tǒng)、資源、制約條件、優(yōu)化和權衡、過程和控制等有關技術的重要概念以及結構決定功能、反饋等技術原理，技術發(fā)展的歷史和最新的技術成果，技術與社會以及其它領域之間的關系理解等。儀器剖析不僅有助于增強學生對技術知識的感性認識，而且有助于深化學生對技術知識的理解和遷移。

（二）儀器剖析有助于學生領悟并運用技術思想和方法

技術思想和方法可以理解為解決技術問題的思維方式和行為方式的總稱，既包括作為指導思想的方法論，也包括具體的操作手段、途徑和措施等。[6]技術思想和方法是技術素養(yǎng)的靈魂，也是技術課程的目標追求之一。技術思想和方法是人們面對技術時代，負責任、有遠見地使用和管理技術的利劍，對培養(yǎng)學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，對學生形成科學的技術觀和終身發(fā)展具有重要價值。技術思想和方法既高于具體的技術知識，又內隱于具體的技術知識和技術活動之中，這就要求領悟和運用技術思想和方法必然是基于具體的技術知識的學習和技術活動的實踐，而儀器剖析則為這種學習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生技術行為能力

技術行為能力是指使用技術和運用技術原理解決技術問題的能力，其內容比較廣泛，可以分為操作層面的技術行為能力和思維層面的技術行為能力，是技術素養(yǎng)的核心。[7]操作層面的技術行為能力包括對常見技術工具的熟悉和正確使用與維護，具備一定的動手能力；思維層面的技術行為能力包括運用技術的思想和方法思考、分析和解決技術問題，應用設計過程的能力，對技術和工具做出理性的評價、選擇、改進和決策，對待技術的良好習慣等。技術行為能力既需要以技術知識為基礎，又離不開技術思想和方法的指導。技術行為能力的形成不能脫離具體的技術實踐，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生的技術行為能力。

（四）儀器剖析是技術課程資源開發(fā)與利用的一種有效途徑

儀器剖析不僅能體現(xiàn)其技術教育的內在價值，而且也是技術課程資源開發(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教育展館，從而使技術教育在更大范圍內展開或普及，有利于公民技術素養(yǎng)的普遍提高。

三、儀器剖析的內容和程序

儀器剖析是一種有目的、有計劃的技術學習活動，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。技術的核心是設計，設計理論有“描述性”（條件→方法→結果）和“規(guī)定性”（結果→條件→方法）理論之分。儀器作為技術產品和系統(tǒng)，就是要實現(xiàn)預期的目標或功能，其技術設計具有顯著的規(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容和程序為：主要功能、基本結構、科學原理、技術原理、技術創(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。儀器作為設計和開發(fā)出來的技術產品和系統(tǒng)就是要實現(xiàn)其預期的目的和目標，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。儀器作為一個技術系統(tǒng)，其輸出可能有多個結果，由此產生多種功能，而其主要功能才是技術設計預期的目的和目標。明確了儀器設計的主要功能，儀器系統(tǒng)的結構、技術原理等設計活動和方案才能有的放矢。

（二）基本結構

結構既是一種觀念形態(tài)，又是物質的一種運動狀態(tài)，可以理解為主觀世界與客觀世界的結合構造之意，任何一項技術實體都是由其內在要素構成的具有一定結構形式的有機整體。辨析儀器的基本結構，對于基于儀器剖析的技術學習有著重要意義：一方面，儀器本身是一個技術系統(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)的基本結構，識別這種共性的結構有助于從宏觀層面理解技術系統(tǒng)和技術設計；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構，不同的結構決定著不同的功能，不同的功能需要不同的結構，識別這種個性的結構有助于從微觀層面理解技術系統(tǒng)和技術設計。同時，儀器剖析作為一種技術學習活動方式，從美國教育心理學家布魯納所倡導的“掌握學科的基本結構”的發(fā)現(xiàn)學習的方法來看，[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構”。

（三）科學原理

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

（四）技術原理

科學原理向技術原理的轉化是沿著兩大方向進行的：其一是科學原理轉化為技術的核心原理；其二是科學原理轉化為技術的輔助性原理，即向部件原理、工序原理和構型規(guī)范的轉化。[10]科學原理向技術原理轉化的這兩個不同方向對技術進步的作用雖然不同，但兩者總是相互依存、相互轉化：沒有科學原理向技術核心原理的轉化就難以有技術的開創(chuàng)性發(fā)明，技術進步就只會停留在量的增長而不會有質的飛躍；沒有科學原理向技術輔助性原理的轉化，技術的開創(chuàng)性發(fā)明便不能完善，更不能從技術的開創(chuàng)性發(fā)明中衍生出技術發(fā)明的新系列。由此可見，技術原理表現(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，起關鍵作用或決定儀器系統(tǒng)主要功能的是技術核心原理或稱關鍵技術。

（五）技術創(chuàng)新

技術的核心是設計，設計的本質是創(chuàng)新。技術創(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，都是建立在技術原理發(fā)展的基礎之上。技術原理的發(fā)展有突變式和漸進式兩種發(fā)展形式：[11]技術原理的突變性發(fā)展是指技術核心原理的創(chuàng)生或變革，其結果將導致技術的開創(chuàng)性發(fā)明，技術原理的創(chuàng)生或變革源于科學原理的重大發(fā)現(xiàn)。例如，只有當科學家們發(fā)現(xiàn)了硅、硒等材料的能帶理論和導電機制后，晶體管技術原理的產生才成為可能。技術原理的突變式發(fā)展必然要連續(xù)地引起技術中相關輔助性原理的產生、完善和發(fā)展，這是技術原理漸進發(fā)展的形式，包括部件原理的構思和改良、工序原理的研究和完善以及構型規(guī)范的設計和安排。例如，自從皮?？擞糜谰么盆F制成第一臺發(fā)電機后，人們又在此基礎上發(fā)展出它激式和自激式發(fā)電機，也就是將電流的磁效應原理向發(fā)電機生磁部件的技術原理移植和轉化、以電磁鐵取代永久磁鐵的結果?；趦x器剖析的技術創(chuàng)新，既包括發(fā)現(xiàn)和理解前人技術創(chuàng)新的過程，也包括個人的技術創(chuàng)新，明確了技術原理發(fā)展的基本形式及其作用，有助于理解前人技術創(chuàng)新或確立個人技術創(chuàng)新的方向和創(chuàng)新點。

（六）思維拓展

能力（Capabilities)是技術素養(yǎng)結構的重要組成部分，而思維能力尤其是創(chuàng)造性思維能力是能力發(fā)展的重要內容。創(chuàng)造性思維能力結構由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、哲學等思維能力。[12]儀器剖析的技術學習過程中需要縝密的思維活動，儀器剖析的技術學習活動后期更需要創(chuàng)造性的思維拓展活動，這是技術創(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學習活動所追求的可持續(xù)發(fā)展的高層次學習目標。

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）基本結構

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)鎖微動開關等構成（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化為微波能。

5．定時器：定時器用于選擇或設定工作時間，以便自動切斷微波爐主電路。

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

7．聯(lián)鎖微動開關：聯(lián)鎖微動開關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，極性分子將被反復交變極化，交變電磁場的頻率越高，極性分子反復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換。由于微波爐磁控管所產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）技術原理

1．技術原理：電氣電路將 220V市電提升到3000V以上并送給磁控管，磁控管產生的微波經波導管進入爐腔，波導管端部的攪拌器旋轉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，加之旋轉的食物托盤，最終使食物均勻受熱以達到優(yōu)質烹飪食物的目的。

2．核心技術：磁控管是微波爐技術系統(tǒng)的核心部件或技術。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：磁控管以外的技術均可稱為輔助技術，主要包括高低壓和控制電路技術、爐門設計技術、聯(lián)鎖微動開關技術等。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，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的網孔大小是經過精密計算的，完全可以阻擋微波的穿透。

（五）技術創(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，有必要進行技術改進或創(chuàng)新。目前比較成熟的技術創(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冷卻，容易導致燙傷，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燈管（即光波管），光波管能夠迅速產生高溫高熱，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，應該特別注意哪些問題？

4．微波爐系統(tǒng)內含哪些小系統(tǒng)？辨別各系統(tǒng)結構中的輸入、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改進或創(chuàng)新？

6．嘗試運用微波爐的核心技術原理設計或制作出其它儀器設備。

[1]鐘啟泉，崔允漷，張華．為了中華民族的復興 為了每位學生的發(fā)展—《基礎教育課程改革綱要（試行）》解讀[M].華東師范大學出版社，2001.

[2]徐繼存等.論課程資源及其開發(fā)利用[J].學科教育，2002，(2).1.

[3]國際技術教育協(xié)會著，黃軍英譯.美國國家技術教育標準：技術學習內容[M].科學出版社，2003.1.1-9.

[4]National Technological Literacy Council,National Academy of Engineering,National Research Council. Technically Speaking:Why all Americans need to know more about technology.National Academy Press,Washington,D.C,2002.

[5]顧建軍.技術知識的特性及其對職業(yè)教育的影響[J].教育與職業(yè)，2004，(29).16.

[6]高茹．技術課程中的技術思想和方法及其價值分析[J].教育研究與評論，2009，(3).6.

[7]王秀紅．普通高中學生技術素養(yǎng)現(xiàn)狀調查及教育對策研究[D].南京師范大學碩士論文.2005.3.7.

[8]施良方.學習論[M].人民教育出版社，2001.212.

[9][10][11]朱志宏．論科學原理向技術原理的轉化[J].山西高等學校社會科學學報，1995，(1).35-37.

[12]喬際平，劉甲珉．物理創(chuàng)造思維能力的培養(yǎng)[M].首都師范出版社，1998.4.

1．全國教育科學“十一五”規(guī)劃課題：在基礎教育中系統(tǒng)開設技術教育課程的研究[課題編號：FHB060316]。2．教育部／財政部人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)建設項目：基于技術教育基地的人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)[教高函(2009)27號]。

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

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

（責任編輯：張 斌）