一种科技创新的教学设计——兼谈创新教学方法，本文主要内容关键词为：教学方法论文,教学设计论文,科技创新论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
科技创新教学是培养青少年创新能力的主阵地，是目前培养学生创新能力和实践能力的最有效的手段。但它没有现成的教学课题，也没有固定的教学方法，它需要捕捉灵感，然后再把直观启发式教学、科学探究教学等方法糅合起来并灵活地运用到具体的教学过程中，才能获得意想不到的教学效果。下面通过总结一例科技创新教学的过程，谈谈这种教学方法的运用。
一、发现问题，提出问题
做电流的磁效应实验时，我们常用小磁针；为了做个演示实验，我自制了一个很大的磁针。在玩具两叶红色“竹蜻蜓”的叶片上固定一根长的磁化过的钢丝，N极部分保留红色，S极涂成蓝色，将它插在一块橡皮泥上（图1）。
图1
图2
将直导线沿南北方向架起，下方放自制的磁针。不通电时磁针指向南北，通电以后，开始向东西方向偏转。由于转轴较粗，摩擦力矩较大，磁针的N极在东南方向停了下来。学生得出结论：通电导体周围存在磁场。这时，我将电流方向对调，学生发现N极指向西北，学生又得出结论：通电导体周围的磁场方向与电流方向有关。在研究通电直导线周围的磁场方向是否是以导线为圆心的同心圆时，问题发现了：因为磁针在南北方向力矩的代数和为零，正下方磁感线的切线方向指向东西方向，而实验时出现了一个很大的“磁偏角”，这是阻力矩引起的。为了克服它的影响，调节滑动变阻器，增大电流强度。让学生注意观察，随电流值的增大，指针也随着偏转，慢慢接近东西方向。接着我又用自制的磁针沿如图2的虚拟圆的四周依次旋转来检验：通电直导线周围的磁场方向为以导线上某点为圆心的同心圆。最后我提出问题：根据磁针的指向，我们可得出什么结论？我请了一位同学回答这一问题。这位同学的结论是：磁针的偏转角度随电流的增大而增大。我没有否定他的结论，也没有将这个实验进行修正，而让学生得出教学设计所要得出的结论，顺着该生的思路表扬道：根据你的发现，得出的结论是正确的，而且你的结论有很大的应用价值。请同学们分析一下，这一现象和他的结论有什么用？能否由此选定一个新课题，制作一件新产品？
二、分析思考，确定课题
提出问题是科技创新的前提，而对问题的分析与回答才是发现创新课题的关键之处。那么怎样找到一个合适的创新课题呢？这需要从两个或几个不同现象间的关系来找启示。我们反复对实验出现的情境进行回顾，原来调节滑动变阻器的目的是增大直导线中的电流，电流增大了，磁针的偏角也增大了。磁针的偏角与电流的大小有关，那么能不能用磁针的偏角来显示电流的大小呢？如果两者都是连续变化的，那就可以。它又能解决什么问题呢？同学们很快想到可用磁针来制作一种测电流大小的仪表。很显然，用磁针自制测电流的仪表，是利用电流的磁效应工作的；而电流表是利用通电线圈在磁场里受力转动的原理制成的，它符合独创性。
能否找到它的先进性呢？原来电流表有两个量程，三个接线柱，并且要将它串联接入电路才能测出电流的大小。如果用磁针制作测电流的仪表，它可放在直导线的上方或下方，则不需将导线切断与仪表串联，这就是它的先进性。所以制作磁针式电流表是有价值的，可以作为我们的创新课题。
那么如何给这个即将发明的作品命名？命名往往是根据作品的特点、优点或用途来取名，这种电流表是不需要接线的，我们先给它命名为无接线电流表。考虑到磁针的偏转方向与电流方向有关，这需要在静止指针的两侧都标注刻度，这样测量时就可不分极性，再修正命名为“无接线型电流表”，就这样确定了创新课题。
三、理论推测，论证方案
课题确定了，设计实验仍是一件复杂和艰巨的过程。首先是设计实验方案，而设计实验方案本身就是创新过程中最难的一个环节。先要进行理论分析，找出电流的大小与磁针受磁力的大小的关系。
图3
如图3，设一直导线上的电流方向指向读者向外，则磁感线是以导线为圆心的同心圆，方向为逆时针。若在它的正下方沿水平方向放置一小磁针，则磁针的最终指向如图3所示。小磁针在旋转过程中力矩代数和始终为零。若在小磁针的转轴上安装一个同电流表内部一样的旋转弹簧，那么小磁针在电流磁场中受到的磁力矩在某一位置时可能与弹簧弹力产生的力矩相等。设导线中不通电流时，即I=0，此时小磁针正好指向南北方向。当在转轴上安装上旋转弹簧后，当导线中通5A的电流，导线与小磁针转轴的距离为r时，小磁针正好转至东西方向。由于磁场强度
，可见当r一定时，B与I成正比。如图4所示小磁针扫过的轨迹是以导线上某点为顶点的圆锥底部的圆。它到顶点的距离是相等的，可见磁场强度相等，可视为如图5所示的磁场，当小磁针指示南北方向时（图中实线位置）所受磁力的力矩最大；当旋转到虚线位置时（东西方向）所受磁力的力矩等于零。而弹簧的旋转力矩是定值，这样小磁针N极或S极所移动的轨迹与所对应的电流值的分布不是均匀的，将它运动轨迹转换成对应电流值的刻度将是先密后稀的。如果用它来显示电流大小，在电流较小时无法准确读数。
图4
图5
要使该电流表的刻度均匀，只有让磁针在旋转过程中受磁力的力矩始终不变。怎样才能做到这一点呢？仔细分析图2，可知只有磁针与导线共轴时，才能使它所受磁力矩的大小不变，而磁针受到的磁力正好与电流大小成正比，此时力矩的大小便与电流的大小成正比。如果此时让磁针受到的阻力矩与偏角成正比，我们便可用偏角的大小来均匀显示电流。但仔细观察发现，S极与N极正好在圆的两侧，磁感应线方向正好相反，所以N极和S极受力方向是相同的，如图6所示，这样无论磁针在何处，力矩代数和都为零。这一制作设想又走不通。为了解决这一难题，除了另找实验方案外，必须使磁针两极受力不相等。做到这一点很容易，只要使磁针的两极到导线的距离不相等即磁针的转轴不处于磁针的中点，这一难题便解决了。但是，要让磁针与导线共轴，必须将转轴制成空心的，而且要在空心轴筒上开一道狭缝，让导线从狭缝穿入。这样导线便可与磁针共轴，从而实现磁力矩与电流大小成正比，再用偏转角的大小来表示电流的大小。
图6
四、制作模型，检验方案
取一钢片，在车床上制成如下页图7所示的形状，将它插入一个螺线管内，通以较强的直流电，将其磁化。取一个外径略小于磁针上圆孔的塑料管插入孔内，安装后要保证磁针能自由转动，若不能自由转动，则将圆孔略放大些，直到能自由转动为止（最后涂点润滑油），用锉刀在塑料管上开一缝隙。取一圆形塑料板，用钻头在圆心处开一孔，孔的直径应略小于塑料管的外径，在塑料管外涂点润滑油，再将它插入塑料板的圆孔内；并旋转塑料管，让它的缝隙与磁针的缝隙重合。在指针与转轴上分别固定旋转弹簧的两个端点（用微小钻头开孔）。
图7
接下来就是标注刻度。先将表盘放在水平桌面上，在磁针周围没有通电导体时，它静止时所指的位置（正北方向）标注刻线，并注“0”。将一导线从中轴穿过，与滑动变阻器、电源、开关、电流表组成一电路，让直导线在垂直塑料板面内拉长约20cm呈竖直状态。闭合开关（直导线中电流竖直向上），调节滑动变阻器，使电流表为1A。当磁针静止时，在磁针所指的位置标一刻度，并注上“1”；用同样的方法进行刻度，并注明“2”“3”“4”“5”。最后在每——大格间均匀分为10小格，则每格为0.1A。为了方便测不同方向的电流，在表盘的逆时针方向也同样标注刻度。制作好后，我们用它来测导线中的电流，发现穿线不方便，同时表盘很难放水平，也很难将表针对准南北方向，另外导线要竖直，很难办到，从而导致测量结果不准确。
图8
五、评估矫正，升华创新
该电流表在制作时表盘处于水平位置，而且电流为零时指针指向正北，直导线呈竖直状态；而实际测时，很难同时满足这些条件，显然它没有实用价值。经分析发现，磁针是受地磁场的作用，而此力在水平方向。如果表盘不在水平方向上，磁针对表盘或转轴肯定产生压力；而且表盘的倾角不同，压力矩大小也不同，这样无法从零误差校正。考虑到导线一般呈水平状态多，这样测量时表盘要竖直放置，在不通电时，指针受南北方向的力，而此时与转轴平行，不会使指针偏转，该电流表在通电时就不受地磁场的影响，而且此时地磁场对磁针产生的力矩是恒定的，我们便可从零误差上进行抵消。怎样抵消呢？最后想到在指针上内外将一金属滑环将它夹住，如图8虚线位置所示，这样便可平衡地磁力的影响。另外，每次测量时都要从转轴内穿线，很麻烦。如果将导线靠近磁针转轴，那么磁感应线的轨迹和磁针转动的轨迹如图9所示，可见在图中上半圆的三分之一和三分之二之间，磁针受力基本上是均匀的，我们只要把“0”定在三分之一处，把最大值定在三分二处，这样刻度基本上是均匀的。刻度的方法与原来相同。这样，我们将表盘制成如图10所示形状。将两个大半圆透明塑料板相隔3cm，下方粘合一块透明塑料板，其中的磁针固定在两透明塑料板中间，透明塑料板的两面都标刻度作为表盘。塑料板的下表面上刻一条直的凹槽，它与表盘垂直。测量时，先将导线放在水平桌面上，再将导线压在该电表下方的凹槽下。根据正常电表顺时针旋转的特点，该电流表也采用顺时针计数，如果指针反转，可将表盘反过面来测量。
图9
图10
一般来说，科技创新教学是三步教学过程：发现问题，提出课题、论证课题；设计实验，实践课题；分析评估，矫正提升。教学过程中，选题时要灵活地运用发明创造的各种方法，在具体的教学过程中要运用直观启发式教学，同时要把科学探究这一教学方式用活，不能千篇一律；只能根据实际，灵活地选取不同的教学方法，才能提高创新教学的水平。