技术课程资源的开发与利用：仪器剖析*

● 杨国海 张增常

技术课程资源的开发与利用：仪器剖析*

● 杨国海 张增常

仪器剖析是通过解剖仪器而进行技术学习的一种学习方式，是技术课程资源开发与利用的一种有效途径，仪器剖析的内容和程序是：主要功能、基本结构、科学原理、技术原理、技术创新、思维拓展。

技术教育；课程资源开发与利用；仪器剖析

课程实施需要丰富的课程资源做支撑，课程资源的开发与利用既为基础教育新课程所倡导，又是学校和教师专业生活的重要内容。作为一门新兴的课程领域，技术课程资源相当匮乏，各级教育机构、学校和广大教师都在为此付诸努力。在技术课程实践中，我们探索出了技术课程资源开发与利用的一种新途径——“仪器剖析”。本文拟在实践经验的基础上，集中回答何为仪器剖析？仪器剖析有何技术教育价值？如何剖析仪器？以此为读者提供一种借鉴。

一、仪器剖析与技术课程资源的开发利用

课程资源有广义和狭义之分，广义的课程资源是指“有利于实现课程目标的各种因素”，[1]或者指“课程设计、实施和评价等整个课程编制过程中可资利用的一切人力、物力及自然资源的总和”。[2]课程资源的开发就是探寻一切有可能进入课程、能够与教育教学活动联系起来的资源，课程资源的利用就是充分挖掘被开发出来的课程资源的教育教学价值，课程资源的开发与利用是密切联系在一起的，开发是利用的前提，利用是开发的目的。可供开发与利用的课程资源多种多样，既有来自于自然界的、也有来自社会的，既有显性的、也有隐性的，既有校内的、也有校外的，既有人力的、也有物力的，既有文字的和实物的、也有活动的和信息化的等等。课程资源的合理开发与有效利用是课程目标顺利达成的必要条件。

《技术》是我国基础教育新课程增设的一个特色课程领域，也是高等教育正在积极开发的一门新课程，技术课程的核心目标定位于提高学生的技术素养。与其它课程相比，技术课程起步较晚，课程资源匮乏，迫切需要课程资源的开发与利用。基于这样的认识，我们在技术课程实践中探索出了技术课程资源开发与利用的一种新途径——“仪器剖析”。仪器是日常生活和生产、学习必需的技术产品而到处都有，废旧仪器更是成为弃之不用的垃圾而随处可见。仪器剖析就是通过对各种仪器特别是废旧仪器进行解剖，了解其主要功能与基本结构、分析其科学原理与技术原理、进而通过研究实现技术改进或创新，以有效提高学生技术素养的一种技术学习活动方式或课程资源开发与利用的方式。

二、仪器剖析的技术教育价值

技术素养是指使用、管理、评价和理解技术的能力，[3]技术素养结构包括：知识（Knowledge)、思考和行为方式（Ways of Thinking and Acting）、能力（Capabilities）。[4]仪器是人类为了改善生活以及提高生产能力和探索未知世界的能力而设计开发出来的技术产品和工具。从技术教育的内在价值看，仪器剖析有利于学生掌握技术知识、发展技术能力、形成正确的技术思考和行为方式；从技术教育的外在价值看，仪器剖析是技术课程资源开发与利用的一种有效途径。

（一）仪器剖析有助于学生对技术知识增强感性认识和深化理解

技术知识是技术素养的基础。技术知识由两部分组成：一是技术内在的知识，包括工具使用、材料加工、产品设计、制作工艺、作业程序、过程控制、产品检测等；二是关于技术的知识，包括技术是什么、技术如何生成、如何改进、如何管理、如何决策以及如何学习技术等。[5]仪器作为技术产品和工具，本身蕴含着丰富而鲜活的技术知识和信息，如：系统、资源、制约条件、优化和权衡、过程和控制等有关技术的重要概念以及结构决定功能、反馈等技术原理，技术发展的历史和最新的技术成果，技术与社会以及其它领域之间的关系理解等。仪器剖析不仅有助于增强学生对技术知识的感性认识，而且有助于深化学生对技术知识的理解和迁移。

（二）仪器剖析有助于学生领悟并运用技术思想和方法

技术思想和方法可以理解为解决技术问题的思维方式和行为方式的总称，既包括作为指导思想的方法论，也包括具体的操作手段、途径和措施等。[6]技术思想和方法是技术素养的灵魂，也是技术课程的目标追求之一。技术思想和方法是人们面对技术时代，负责任、有远见地使用和管理技术的利剑，对培养学生分析和解决问题的能力、创新和实践能力具有重要作用，对学生形成科学的技术观和终身发展具有重要价值。技术思想和方法既高于具体的技术知识，又内隐于具体的技术知识和技术活动之中，这就要求领悟和运用技术思想和方法必然是基于具体的技术知识的学习和技术活动的实践，而仪器剖析则为这种学习和实践提供了一个广阔而有效的平台。

（三）仪器剖析能有效提高学生技术行为能力

技术行为能力是指使用技术和运用技术原理解决技术问题的能力，其内容比较广泛，可以分为操作层面的技术行为能力和思维层面的技术行为能力，是技术素养的核心。[7]操作层面的技术行为能力包括对常见技术工具的熟悉和正确使用与维护，具备一定的动手能力；思维层面的技术行为能力包括运用技术的思想和方法思考、分析和解决技术问题，应用设计过程的能力，对技术和工具做出理性的评价、选择、改进和决策，对待技术的良好习惯等。技术行为能力既需要以技术知识为基础，又离不开技术思想和方法的指导。技术行为能力的形成不能脱离具体的技术实践，仪器剖析不仅提供了这种实践，而且同时从操作和思维两个层面有效提高学生的技术行为能力。

（四）仪器剖析是技术课程资源开发与利用的一种有效途径

仪器剖析不仅能体现其技术教育的内在价值，而且也是技术课程资源开发与利用的一种有效途径，尤其是对废旧仪器的剖析与利用更是具有变废为宝、成本低廉、可普及、可推广的优势，系列化的仪器剖析还可以形成技术教育展馆，从而使技术教育在更大范围内展开或普及，有利于公民技术素养的普遍提高。

三、仪器剖析的内容和程序

仪器剖析是一种有目的、有计划的技术学习活动，因此在仪器剖析之前要进行必要的准备、在头脑中或书面形成一个剖析方案。技术的核心是设计，设计理论有“描述性”（条件→方法→结果）和“规定性”（结果→条件→方法）理论之分。仪器作为技术产品和系统，就是要实现预期的目标或功能，其技术设计具有显著的规定性特征：明确的目的和目标、特定的约束条件、系统化设计、创造性、多种可能的解决方案等。由此，可以确定和实施仪器剖析的内容和程序为：主要功能、基本结构、科学原理、技术原理、技术创新、思维拓展。

（一）主要功能

功能即效能和功效的意思，是事物所发挥的作用的语言体现形式，是事物的本有属性。仪器作为设计和开发出来的技术产品和系统就是要实现其预期的目的和目标，也即仪器的功能。功能有本征功能与非本征功能、主要功能与次要功能、特殊功能与一般功能之分。仪器作为一个技术系统，其输出可能有多个结果，由此产生多种功能，而其主要功能才是技术设计预期的目的和目标。明确了仪器设计的主要功能，仪器系统的结构、技术原理等设计活动和方案才能有的放矢。

（二）基本结构

结构既是一种观念形态，又是物质的一种运动状态，可以理解为主观世界与客观世界的结合构造之意，任何一项技术实体都是由其内在要素构成的具有一定结构形式的有机整体。辨析仪器的基本结构，对于基于仪器剖析的技术学习有着重要意义：一方面，仪器本身是一个技术系统，其中还可能包含若干小系统，但无论是大系统和还是小系统，都是由输入、过程、输出、反馈与控制等要素组成仪器系统的基本结构，识别这种共性的结构有助于从宏观层面理解技术系统和技术设计；另一方面，不同仪器或同类仪器欲实现不同的功能，各自又有其具体的结构，不同的结构决定着不同的功能，不同的功能需要不同的结构，识别这种个性的结构有助于从微观层面理解技术系统和技术设计。同时，仪器剖析作为一种技术学习活动方式，从美国教育心理学家布鲁纳所倡导的“掌握学科的基本结构”的发现学习的方法来看，[8]欲有效剖析仪器就必须注重“发现和掌握仪器的基本结构”。

（三）科学原理

这里的科学原理特指自然科学的原理，它是对自然界本质关系及其普遍规律的理论表征，而技术原理可以定义为关于技术客体内部功能过程及其内在规律的理论描述。[9]科学原理与技术原理本质上都是对物质客体内在规律的理论描述，但它们所描述的对象各有侧重，前者以自然客体为主要对象，后者以技术客体为主要对象。科学原理对于物质客体内在规律性的研究，是把它们看作是某种自然发生的过程和关系，目的在于揭示这种过程和关系；而技术原理则是在科学原理的指导下，侧重从功能角度把握这种过程和关系，其目的是为技术创新和发展服务。技术原理既是技术实践发展的产物，更是科学原理发展的产物。仪器系统的技术设计和技术创新背后都隐含着相应的科学原理，理解这一科学原理，方能为理解仪器系统的技术设计和原理乃至技术创新奠定坚实基础。

（四）技术原理

科学原理向技术原理的转化是沿着两大方向进行的：其一是科学原理转化为技术的核心原理；其二是科学原理转化为技术的辅助性原理，即向部件原理、工序原理和构型规范的转化。[10]科学原理向技术原理转化的这两个不同方向对技术进步的作用虽然不同，但两者总是相互依存、相互转化：没有科学原理向技术核心原理的转化就难以有技术的开创性发明，技术进步就只会停留在量的增长而不会有质的飞跃；没有科学原理向技术辅助性原理的转化，技术的开创性发明便不能完善，更不能从技术的开创性发明中衍生出技术发明的新系列。由此可见，技术原理表现为一个综合体，即由核心原理及在核心原理规定下的辅助原理所组成的有机综合体系，在这一综合体系中，起关键作用或决定仪器系统主要功能的是技术核心原理或称关键技术。

（五）技术创新

技术的核心是设计，设计的本质是创新。技术创新包括原始创新、集成创新和消化吸收再创新，无论哪种创新，都是建立在技术原理发展的基础之上。技术原理的发展有突变式和渐进式两种发展形式：[11]技术原理的突变性发展是指技术核心原理的创生或变革，其结果将导致技术的开创性发明，技术原理的创生或变革源于科学原理的重大发现。例如，只有当科学家们发现了硅、硒等材料的能带理论和导电机制后，晶体管技术原理的产生才成为可能。技术原理的突变式发展必然要连续地引起技术中相关辅助性原理的产生、完善和发展，这是技术原理渐进发展的形式，包括部件原理的构思和改良、工序原理的研究和完善以及构型规范的设计和安排。例如，自从皮希克用永久磁铁制成第一台发电机后，人们又在此基础上发展出它激式和自激式发电机，也就是将电流的磁效应原理向发电机生磁部件的技术原理移植和转化、以电磁铁取代永久磁铁的结果。基于仪器剖析的技术创新，既包括发现和理解前人技术创新的过程，也包括个人的技术创新，明确了技术原理发展的基本形式及其作用，有助于理解前人技术创新或确立个人技术创新的方向和创新点。

（六）思维拓展

能力（Capabilities)是技术素养结构的重要组成部分，而思维能力尤其是创造性思维能力是能力发展的重要内容。创造性思维能力结构由3个层次、12个因子组成：初级层次的思维能力包括观察、实验、模型、等效、类比、逻辑思维（比较与分类、分析与综合、归纳与演绎）等思维能力，中级层次的思维能力包括创造性、发散、直觉、灵感等思维能力，高级层次的思维能力包括美学、哲学等思维能力。[12]仪器剖析的技术学习过程中需要缜密的思维活动，仪器剖析的技术学习活动后期更需要创造性的思维拓展活动，这是技术创新的智慧源泉和不竭动力。因此，思维拓展是仪器剖析这一技术学习活动所追求的可持续发展的高层次学习目标。

四、仪器剖析案例：《微波炉》

（一）主要功能

利用微波电场快速方便地烹饪或加热各类食物。

（二）基本结构

微波炉主要由炉腔、电气电路、磁控管、定时器、功率分配器、联锁微动开关等构成（如图所示）。

1．炉腔：炉腔是一个微波谐振腔，是把微波能变为热能对食品进行加热的空间。

2．炉门：炉门既是食品的进出口，又是炉腔的重要组成部分，要求既能从门外观察炉腔内食品加热的情况，又不能让微波泄漏出来。

3．电气电路：电气电路起输送电能及控制作用，包括低压、高压和控制电路三个部分。

4．磁控管：磁控管是微波炉的核心部件，其作用就是将电能转化为微波能。

5．定时器：定时器用于选择或设定工作时间，以便自动切断微波炉主电路。

6．功率分配器：功率分配器用来调节磁控管的平均工作时间，从而达到调节微波炉平均输出功率的目的。

7．联锁微动开关：联锁微动开关是微波炉的一组重要安全装置，具有多重联锁作用，并且均通过炉门和炉门把手上的开门按键来实施控制。

8．热断路器：热断路器是用来监控磁控管或炉腔工作温度的元件，当工作温度超过某一限定值时，热断路器会立即切断电源，使微波炉停止工作。

（三）科学原理

水分子存在于大多数食物中，水分子属于极性分子 （分子两端带有等量异号电荷），在外电场的作用下，每个极性分子会沿外电场方向形成有序排列，这一过程称为极化，外加电场越强，极化作用也越强。当外加电场的方向改变时，极性分子也随之反向形成有序排列。若外加交变电场，极性分子将被反复交变极化，交变电磁场的频率越高，极性分子反复交变极化的速率也就越快，分子热运动的平均动能也就越大，也就是热能急剧增加，食物的温度也随之升高，于是就完成了电能向热能的转换。由于微波炉磁控管所产生的交变电磁场频率高达2.45KMHZ，故称微波，用微波炉烹饪，食物内外同时被加热，烹饪速度比其它炉灶快4～10倍，热效率高达80%以上。

（四）技术原理

1．技术原理：电气电路将 220V市电提升到3000V以上并送给磁控管，磁控管产生的微波经波导管进入炉腔，波导管端部的搅拌器旋转小叶片将微波完全散布开，炉腔的金属腔壁也不断反射微波，加之旋转的食物托盘，最终使食物均匀受热以达到优质烹饪食物的目的。

2．核心技术：磁控管是微波炉技术系统的核心部件或技术。磁控管由阴极（灯丝）、阳极、环形磁钢、耦合环、天线（即微波能量输出器）、散热器和灯丝插头等组成，工作时需要很高的脉动直流阳极电压和约3~4V的阴极电压，由高压电路和低压电路为磁控管提供满足上述要求的工作电压。

3．辅助技术：磁控管以外的技术均可称为辅助技术，主要包括高低压和控制电路技术、炉门设计技术、联锁微动开关技术等。其中，炉门由金属框架和玻璃观察窗组成，观察窗的玻璃夹层中有一层金属微孔网，既可透过它看到食品，又可防止微波泄漏。玻璃夹层中的金属网的网孔大小是经过精密计算的，完全可以阻挡微波的穿透。

（五）技术创新

普通微波炉具有加热速度快、加热均匀、安全便捷等优点，但缺点是只能对含有水分的食物进行加热和烹饪，尤其是不具有烧烤功能，有必要进行技术改进或创新。目前比较成熟的技术创新表现在两个方面：一是给普通微波炉增加一副烧烤管，通常采用铜管或者石英管，但铜管在加热以后很难在短时间内冷却，容易导致烫伤，而石英管的热效率不太高；二是将烧烤管更换为远红外线卤素灯管（即光波管），光波管能够迅速产生高温高热，冷却速度很快，加热效率更高，而且不会烤焦，从而保证食物色泽，这样的炉灶因此称为光波炉。目前市场上的光波炉都是光波与微波组合炉，在使用中既可单独用微波工作，又可单独用光波工作，还可以用光波与微波组合工作。

（六）思维拓展

1．微波炉的微波是如何产生的？

2．微波炉的电磁波处于什么频段？它会对无线通讯造成干扰吗？

3．在使用微波炉时，应该特别注意哪些问题？

4．微波炉系统内含哪些小系统？辨别各系统结构中的输入、输出、反馈与控制等要素。

5．你认为还可以从哪些方面对微波炉进行技术改进或创新？

6．尝试运用微波炉的核心技术原理设计或制作出其它仪器设备。

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1．全国教育科学“十一五”规划课题：在基础教育中系统开设技术教育课程的研究[课题编号：FHB060316]。2．教育部／财政部人才培养模式创新实验区建设项目：基于技术教育基地的人才培养模式创新实验区[教高函(2009)27号]。

杨国海/襄樊学院物理与电子工程学院副教授，主要从事基础教育课程教学与评价研究、科学与技术教育研究

张增常/襄樊学院物理与电子工程学院教授／院长，主要从事物理教育、技术教育研究

（责任编辑：张 斌）