劉超 張軼炳

摘? ?要：“反求工程”是《通用技術(shù)》課程中一種基于逆向思維的工程設(shè)計(jì)分析方法，為了進(jìn)一步落實(shí)跨學(xué)科實(shí)踐，對(duì)“反求工程”進(jìn)行吸收與創(chuàng)新，轉(zhuǎn)變?yōu)楦臃现袑W(xué)物理教學(xué)實(shí)際的“逆向工程”，并結(jié)合具體教學(xué)案例，培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)與跨學(xué)科實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：反求工程；STEM素養(yǎng)；跨學(xué)科實(shí)踐；剩余電流動(dòng)作保護(hù)器

引言

STEM是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡(jiǎn)稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科的交叉融合，并組合形成有機(jī)整體，以更好地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力[ 1 ]。STEM教育旨在培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)，即科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)、工程素養(yǎng)與數(shù)學(xué)素養(yǎng)。STEM教育的提出使得科學(xué)教育的范圍不只停留在單一學(xué)科的內(nèi)部，而是擁有更為廣闊的視野以審視學(xué)科之間的聯(lián)系。

美國發(fā)布了《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》[ 2 ]具體闡釋了“科學(xué)與工程實(shí)踐”這一概念，用科學(xué)實(shí)踐取代科學(xué)探究，并加入了工程實(shí)踐，要求學(xué)生像科學(xué)家一樣去研究，像工程師一樣去設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)?！翱茖W(xué)與工程實(shí)踐”以“科學(xué)實(shí)踐”與“工程實(shí)踐”為核心，整合了科學(xué)、技術(shù)、數(shù)學(xué)與工程等多個(gè)學(xué)科[ 3 ]，改變了科學(xué)探究中知識(shí)與技能、理論與實(shí)踐相分離的現(xiàn)狀。

最新頒布的《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022版）》[ 4 ]中提出“實(shí)驗(yàn)探究”“跨學(xué)科實(shí)踐”等五個(gè)一級(jí)主題，既強(qiáng)調(diào)物理課程的實(shí)踐性，又側(cè)重體現(xiàn)物理學(xué)與日常生活、工程實(shí)踐、社會(huì)發(fā)展等方方面面的聯(lián)系，期望在實(shí)踐過程中培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)；《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》[ 5 ]中多次強(qiáng)調(diào)要提高學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)從而解決實(shí)際問題的能力，以及能夠正確理解將科學(xué)應(yīng)用于技術(shù)發(fā)明和工程實(shí)踐中時(shí)對(duì)自然和社會(huì)的影響。

《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》[ 6 ]中提出了通用技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)，即技術(shù)意識(shí)、工程思維、圖樣表達(dá)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和物化能力，這與STEM教育中跨學(xué)科實(shí)踐理念相契合。為了貫通科學(xué)與技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)等學(xué)科之間的通道，本文將《通用技術(shù)》中的“反求工程”[ 7 ]引入中學(xué)物理教學(xué)中并轉(zhuǎn)換為更加符合教學(xué)實(shí)際的“逆向工程”，以作為新的橋梁為學(xué)生提供認(rèn)識(shí)整體世界的機(jī)會(huì)，幫助學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中轉(zhuǎn)換“起始點(diǎn)”與“落腳點(diǎn)”，從工程產(chǎn)品出發(fā)，進(jìn)行抽絲剝繭式的原理反推，并在此過程中培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。

1? “逆向工程”及STEM素養(yǎng)滲透

中等教育領(lǐng)域的工作者們普遍認(rèn)為，實(shí)踐是學(xué)生能夠立足于未來社會(huì)的基石，也是溝通理論與實(shí)際的橋梁。傳統(tǒng)的正向教學(xué)普遍從問題入手，對(duì)問題進(jìn)行概念與原理的解釋，并作為最終的教學(xué)目的。這樣的課堂教學(xué)看似從生活實(shí)際入手，但卻將實(shí)踐置于可有可無的位置上，本質(zhì)上仍屬于灌輸式教學(xué)。

為改變這種假實(shí)踐、真灌輸?shù)慕虒W(xué)現(xiàn)狀，不妨打破傳統(tǒng)教學(xué)的教學(xué)順序，而采用逆向教學(xué)。首先選取合適的案例，從實(shí)踐的成果與結(jié)果開始逆推，分析原理，然后動(dòng)手制造模型。在逆向教學(xué)中，不僅明確了實(shí)踐的目的和方向，還明確了什么是實(shí)踐、如何落實(shí)實(shí)踐的問題。因此，同樣基于逆向思維展開進(jìn)程的“反求工程”就進(jìn)入了中等教育領(lǐng)域工作者的視野之中。

“反求工程”是以設(shè)計(jì)方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種專業(yè)人員的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和創(chuàng)新思維，對(duì)已有的技術(shù)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行剖析、深化和再創(chuàng)造[ 7 ]。“反求工程”的主要目的是在無法輕易獲得圖紙與信息的情況下，直接從產(chǎn)品入手進(jìn)行分析，推導(dǎo)出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理，總體上是一種基于逆向思維的工程設(shè)計(jì)分析方法?！胺辞蠊こ獭弊钔怀龅膬?yōu)勢(shì)在于突破了正向思維的局限，為產(chǎn)品的二次開發(fā)與創(chuàng)新提供了更多的可能性。

本文使用的“逆向工程”沿用了“反求工程”的思路，對(duì)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備或者生活中與物理原理相關(guān)的用品進(jìn)行逆向研究，即首先通過剖析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，弄清物理原理，畫出工程設(shè)計(jì)物理原理圖；其次準(zhǔn)備材料，進(jìn)行符合產(chǎn)品物理原理的模型設(shè)計(jì)，制作實(shí)物模型，測(cè)試功能。

對(duì)中學(xué)生進(jìn)行“逆向工程”教學(xué)，其目的不是制造出高于或者等同于實(shí)際產(chǎn)品的模型，而是利用此方法培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)。中學(xué)項(xiàng)目教學(xué)中常用的“水火箭”“手搖發(fā)電機(jī)”等教具其實(shí)都使用了“逆向工程”的思路，首先對(duì)真實(shí)的火箭、小車進(jìn)行逆向反求，從而制作出有最基礎(chǔ)功能的教學(xué)用具，其次使用教具對(duì)學(xué)生進(jìn)行授課，讓學(xué)生進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿制。學(xué)生能夠分析清楚產(chǎn)品的基本物理原理，設(shè)計(jì)并制造出能實(shí)現(xiàn)其最基本功能的模型，就達(dá)到了使用“逆向工程”進(jìn)行教學(xué)的教學(xué)目的，同時(shí)也體現(xiàn)出了“物理學(xué)是一切工程科學(xué)的基礎(chǔ)”的物理課程性質(zhì)。

學(xué)生在一系列的跨學(xué)科實(shí)踐中能夠深刻地認(rèn)識(shí)到科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)與工程四者之間的區(qū)別與聯(lián)系，體會(huì)到技術(shù)與工程的價(jià)值，并充分發(fā)展對(duì)知識(shí)的整合、應(yīng)用能力，以及運(yùn)用工程思維解決問題的能力。在逆向思維的運(yùn)用過程中，學(xué)生認(rèn)識(shí)到技術(shù)與工程設(shè)計(jì)遠(yuǎn)比物理原理復(fù)雜，物理學(xué)習(xí)時(shí)設(shè)想的“理想化”條件在工程實(shí)踐過程中幾乎是不可能成立的，由此，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、批判思維能夠得到更進(jìn)一步的發(fā)展。

“逆向工程”共有兩個(gè)基本階段，分別是分析階段和模型制作階段，設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

1.1? 分析階段——由實(shí)物挖掘原理

以工程產(chǎn)品為例，進(jìn)行知識(shí)與原理的反向推理，即進(jìn)行逆向分析及研究。對(duì)引進(jìn)的工程產(chǎn)品進(jìn)行拆解，對(duì)不同結(jié)構(gòu)進(jìn)行剖析，了解其功能特性、材料工藝；挖掘其中所蘊(yùn)含的技術(shù)要素與原理，并對(duì)工程產(chǎn)品作出評(píng)估，分析出設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及不足之處。通過對(duì)工程產(chǎn)品全方面的了解，以及對(duì)關(guān)鍵技術(shù)及原理的明確，最終達(dá)到知識(shí)學(xué)習(xí)的目的。

1.2? 模型制作階段——由原理設(shè)計(jì)制作實(shí)物模型

在本階段中，學(xué)生已經(jīng)掌握了相應(yīng)的科學(xué)原理與技術(shù)方法，為促使該部分知識(shí)由陳述性知識(shí)向程序性知識(shí)轉(zhuǎn)化，組織學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)對(duì)工程產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量重構(gòu)，并模仿制作一個(gè)實(shí)物模型，在仿制的基礎(chǔ)上，對(duì)工程產(chǎn)品的不足之處進(jìn)行改進(jìn)，以制作出功能相近，但又不完全一樣的產(chǎn)品。在制作過程中讓學(xué)生像工程師一樣工作，培養(yǎng)學(xué)生尊重實(shí)證、謙虛嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，以及專注創(chuàng)新、精益求精的工匠精神。

使用“逆向工程”進(jìn)行中學(xué)物理教學(xué)，目的是為了打破物理教學(xué)中問題、證據(jù)、解釋、交流的單向探究路徑，從而避免機(jī)械的探究學(xué)習(xí)。為了營造一個(gè)具有創(chuàng)新性的學(xué)習(xí)環(huán)境，所選擇的工程產(chǎn)品要緊密聯(lián)系學(xué)生生活，并與當(dāng)前社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)相適應(yīng)，不過分超越中學(xué)生的能力水平并且具有可遷移的特征。

2? “逆向工程法”應(yīng)用案例——剩余電流動(dòng)作保護(hù)器

義務(wù)教育和高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)中都明確要求學(xué)生需要了解家庭電路的組成，并且能夠?qū)踩秒姷闹R(shí)應(yīng)用于生活實(shí)際。剩余電流動(dòng)作保護(hù)器（俗稱漏電保護(hù)開關(guān)）是一種保護(hù)裝置，是家庭電路的重要組成部分，并在人教版九年級(jí)“家庭電路”一節(jié)中進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。

2.1? 產(chǎn)品介紹——工程理念

剩余電流動(dòng)作保護(hù)器，是一種電氣安全裝置，當(dāng)電路中出現(xiàn)了漏電故障或觸電事故，并且達(dá)到了保護(hù)器的限定剩余動(dòng)作電流值時(shí)，能夠立即自動(dòng)切斷電源的一種保護(hù)開關(guān)，在家庭電路的安全保護(hù)中發(fā)揮了巨大的作用。本文將使用DZL18-32電流動(dòng)作型電子式快速漏電保護(hù)電器（圖2）作為“逆向工程”的應(yīng)用案例。

由DZL18-32剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的外殼參數(shù)可知，此型號(hào)適用于交流電壓為220 V、頻率50 Hz、額定電流32 A的單相電路，額定剩余動(dòng)作電流30 mA，分?jǐn)鄷r(shí)間小于0.1 s，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的原理中大量應(yīng)用了電磁學(xué)的知識(shí)，其設(shè)計(jì)中運(yùn)用了復(fù)雜的技術(shù)工藝，作為教學(xué)用具，既能夠連通理論與實(shí)踐，又不超出中學(xué)生的學(xué)習(xí)范圍，有一定的學(xué)習(xí)必要以及教學(xué)價(jià)值。

2.2? 物理原理與產(chǎn)品評(píng)估——科學(xué)與數(shù)學(xué)

剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的基本原理是當(dāng)發(fā)生漏電故障時(shí)，穿過零序電流互感器中的電流矢量和不為零，當(dāng)零序電流達(dá)到限定值時(shí)，脫扣器動(dòng)作，切斷故障電路達(dá)到保護(hù)作用。其中的元件按照功能可以劃分為四部分，控制元件、中間環(huán)節(jié)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和試驗(yàn)裝置，其工作流程圖如圖3所示。

（1）物理原理

①檢測(cè)元件——零序電流互感器——電生磁與磁生電

單相電路中，火線和零線從剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的電源側(cè)流入，經(jīng)過觸點(diǎn)，到達(dá)零序電流互感器——一種單匝穿心式電流互感器，火線與零線穿過被絕緣膠布包裹的環(huán)形鐵芯并在鐵芯上纏繞了一圈，構(gòu)成了互感器的一次線圈，在絕緣膠布內(nèi)部另有兩根導(dǎo)線纏繞在環(huán)形鐵芯上構(gòu)成了互感器的二次線圈，如圖4所示。

由基爾霍夫電流定律可知，所有進(jìn)入某節(jié)點(diǎn)的電流的總和等于所有離開此節(jié)點(diǎn)的電流的總和。電路中沒有發(fā)生漏電、觸電故障時(shí)，穿過一次線圈N1的電流的矢量和為零，電流IL和IN在零序電流互感器中產(chǎn)生的磁通量的矢量和同樣為零，鐵芯內(nèi)沒有磁通量的變化，即

+=0（1）

+=0（2）

因此，在二次線圈N2中不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流觸發(fā)后續(xù)自動(dòng)控制的條件，剩余電流動(dòng)作保護(hù)器正常工作。

當(dāng)發(fā)生漏電、觸電或者接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)故障電流Id，穿過人體或者其他故障點(diǎn)經(jīng)大地返回電源，此時(shí)穿過鐵芯的電流IL和IN大小不再相等。穿過一次線圈N1的電流的矢量和不為零，產(chǎn)生了剩余電流I1，鐵芯內(nèi)的磁通量發(fā)生了變化，即

+=（3）

+=0（4）

由電磁感應(yīng)可知，變化的磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生電流，在二次線圈N2中，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流IG。檢測(cè)元件的作用是將漏電產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的電壓信號(hào)輸出給中間環(huán)節(jié)。

②中間環(huán)節(jié)——放大器、比較器——橋式整流

中間環(huán)節(jié)的作用是利用放大后的電壓信號(hào)去推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，一般來說零序電流互感器二次線圈輸出的電壓信號(hào)都很小，在1mVA以下，不能直接驅(qū)動(dòng)脫扣器動(dòng)作，因此有些剩余電流動(dòng)作保護(hù)器就增加了一個(gè)放大元件，將二次回路上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε1經(jīng)過放大后施加在脫扣線圈上，并產(chǎn)生一個(gè)工作電流，這種剩余電流動(dòng)作保護(hù)器叫做電子式剩余電流動(dòng)作保護(hù)器。

③執(zhí)行機(jī)構(gòu)——脫扣器——磁生電

脫扣器是剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的判斷元件，根據(jù)接收到的信號(hào)，進(jìn)行分析處理并作出是否動(dòng)作的判斷。電子式剩余電流動(dòng)作保護(hù)器使用的是吸合式脫扣器，在正常工作狀態(tài)下，吸引線圈中沒有電流，鐵芯沒有磁性不能吸引銜鐵，因而銜鐵處于常閉狀態(tài)；當(dāng)吸引線圈通電后，線圈中有勵(lì)磁電流通過靜鐵芯，產(chǎn)生電磁吸力并且達(dá)到整定值時(shí)，銜鐵被迅速吸合，同時(shí)帶動(dòng)與銜鐵相連的打擊臂，利用打擊臂在銜鐵吸合時(shí)的機(jī)械沖擊力帶動(dòng)觸頭動(dòng)作，使開關(guān)銷扣脫扣由常閉狀態(tài)轉(zhuǎn)為常開。

④試驗(yàn)裝置——試驗(yàn)按鈕

如圖5所示，試驗(yàn)裝置能夠檢測(cè)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器是否可以正常工作，需要定時(shí)按動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)。如果按動(dòng)試驗(yàn)按鈕卻發(fā)現(xiàn)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器不動(dòng)作，說明剩余電流動(dòng)作保護(hù)器內(nèi)部出現(xiàn)故障，應(yīng)該立即停止使用并對(duì)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器進(jìn)行檢修或者更換。

試驗(yàn)裝置是由試驗(yàn)按鈕和試驗(yàn)電阻組裝起來的，試驗(yàn)按鈕的一端連接著火線，另一端串聯(lián)一個(gè)限流電阻后與零線連接，在試驗(yàn)按鈕的兩端中間是零序電流互感器。按下試驗(yàn)按鈕后，整個(gè)試驗(yàn)裝置的支路通電。在這個(gè)支路中，火線上的電流先全部流經(jīng)零序電流互感器之后到達(dá)節(jié)點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)處，一部分火線上的電流通過試驗(yàn)裝置繞過零序電流互感器流回零線，這就導(dǎo)致流經(jīng)零序電流互感器中IL與IN的矢量和不為零，從而模擬了一次漏電故障，觸發(fā)了剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的保護(hù)機(jī)制。

（2）產(chǎn)品評(píng)估

對(duì)剩余電流動(dòng)作保護(hù)器進(jìn)行了拆解分析之后發(fā)現(xiàn)，DZL18-32剩余電流動(dòng)作保護(hù)器只有漏電保護(hù)的功能，而家庭電路中常見的故障還有短路故障等，剩余電流動(dòng)作保護(hù)器不能全方位的保障家庭電路的安全。

2.3? 模型制作與改進(jìn)——科學(xué)與技術(shù)

在模型制作與改進(jìn)階段，學(xué)生需要利用已經(jīng)厘清的原理，進(jìn)行知識(shí)拓展、模型制作、模型改進(jìn)，并且要對(duì)DZL18-32剩余電流動(dòng)作保護(hù)器提出改進(jìn)方案。

（1）模型制作（圖6）

①電流互感器模型（圖7）

零序電流互感器屬于電流互感器的一種，電流互感器由閉合的鐵芯和繞組組成。

原線圈中的一次繞組匝數(shù)很少，次級(jí)線圈中的二次繞組匝數(shù)更多。電流互感器在工作時(shí)，AB端接入交流電，CD端始終是閉合的，根據(jù)電流表中的讀數(shù)以及互感器公式進(jìn)行運(yùn)算，可以得到原線圈中電流大小。

=（5）

②橋式整流模型（圖8）

二極管是一種半導(dǎo)體電子器件，具有單向?qū)щ娦?。交變電流的電流方向呈現(xiàn)周期性變化，因此可以利用二極管的單向?qū)щ娦赃M(jìn)行整流，將交流電變?yōu)橹绷麟姟?/p>

③電磁繼電器模型

通過拆解分析還發(fā)現(xiàn)，脫扣器將高壓工作電路中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓作為低壓電路中的電源，這與電磁繼電器利用低壓、弱電流電路控制高壓、強(qiáng)電流電路的控制原理極其相似，因此可以用電磁繼電器代替脫扣器進(jìn)行模型制作。

④模型組裝（圖10）

自主設(shè)計(jì)電路，模擬剩余電流動(dòng)作保護(hù)器的動(dòng)作機(jī)制，并測(cè)試其功能。

未接入左邊交流電源時(shí)，燈泡A發(fā)光，燈泡B不發(fā)光，電磁繼電器不動(dòng)作；接入交流電源后，模擬漏電過程，交流電首先經(jīng)過電流互感器放大；其次經(jīng)過整流橋，觀察到LED燈變亮，說明電路中交流電已變?yōu)橹绷麟?；最后到達(dá)電磁繼電器，使得電磁繼電器動(dòng)作，切換電路，燈泡A熄滅，燈泡B發(fā)光。

（2）模型改進(jìn)

家庭電路中常把保險(xiǎn)絲作為短路保護(hù)裝置進(jìn)行使用，但是保險(xiǎn)絲壽命短、靈敏度低、只能一次性使用，而熱繼電器使用期限長(zhǎng)，靈敏度高并且可以重復(fù)使用，因此可以用熱繼電器代替保險(xiǎn)絲，從而更全面地保障家庭用電的安全。

3? 結(jié)論

現(xiàn)如今，我國正在大力發(fā)展STEM教育，而國內(nèi)現(xiàn)有的使用跨學(xué)科實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)的物理教學(xué)案例并不多。在我國分科教學(xué)的大背景下，如何在教學(xué)中真正落實(shí)跨學(xué)科實(shí)踐并培養(yǎng)學(xué)生的STEM素養(yǎng)，是值得所有教師思考的問題。本文創(chuàng)新性的使用 “逆向工程法”進(jìn)行中學(xué)物理教學(xué)，并以剩余電流動(dòng)作保護(hù)器作為案例進(jìn)行教學(xué)，期望對(duì)中學(xué)物理教學(xué)提供可研究的視角，切實(shí)地提升學(xué)生跨學(xué)科實(shí)踐的能力，以及在學(xué)習(xí)過程中能夠培養(yǎng)自身的逆向思維以及創(chuàng)新意識(shí)。

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