用逆向工程培养学生的STEM素养

刘超 张轶炳

摘   要：“反求工程”是《通用技术》课程中一种基于逆向思维的工程设计分析方法，为了进一步落实跨学科实践，对“反求工程”进行吸收与创新，转变为更加符合中学物理教学实际的“逆向工程”，并结合具体教学案例，培养学生的STEM素养与跨学科实践能力。

关键词：反求工程；STEM素养；跨学科实践；剩余电流动作保护器

引言

STEM是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、和数学（Mathematics）四门学科的简称，强调多学科的交叉融合，并组合形成有机整体，以更好地培养学生的创新精神与实践能力[ 1 ]。STEM教育旨在培养学生的STEM素养，即科学素养、技术素养、工程素养与数学素养。STEM教育的提出使得科学教育的范围不只停留在单一学科的内部，而是拥有更为广阔的视野以审视学科之间的联系。

美国发布了《新一代科学教育标准》[ 2 ]具体阐释了“科学与工程实践”这一概念，用科学实践取代科学探究，并加入了工程实践，要求学生像科学家一样去研究，像工程师一样去设计制造系统。“科学与工程实践”以“科学实践”与“工程实践”为核心，整合了科学、技术、数学与工程等多个学科[ 3 ]，改变了科学探究中知识与技能、理论与实践相分离的现状。

最新颁布的《义务教育物理课程标准（2022版）》[ 4 ]中提出“实验探究”“跨学科实践”等五个一级主题，既强调物理课程的实践性，又侧重体现物理学与日常生活、工程实践、社会发展等方方面面的联系，期望在实践过程中培养学生的STEM素养；《普通高中物理课程标准（2017版）》[ 5 ]中多次强调要提高学生综合运用知识从而解决实际问题的能力，以及能够正确理解将科学应用于技术发明和工程实践中时对自然和社会的影响。

《普通高中通用技术课程标准（2017版）》[ 6 ]中提出了通用技术学科核心素养，即技术意识、工程思维、图样表达、创新设计和物化能力，这与STEM教育中跨学科实践理念相契合。为了贯通科学与技术、工程、数学等学科之间的通道，本文将《通用技术》中的“反求工程”[ 7 ]引入中学物理教学中并转换为更加符合教学实际的“逆向工程”，以作为新的桥梁为学生提供认识整体世界的机会，帮助学生在学习过程中转换“起始点”与“落脚点”，从工程产品出发，进行抽丝剥茧式的原理反推，并在此过程中培养学生的STEM素养。

1  “逆向工程”及STEM素養渗透

中等教育领域的工作者们普遍认为，实践是学生能够立足于未来社会的基石，也是沟通理论与实际的桥梁。传统的正向教学普遍从问题入手，对问题进行概念与原理的解释，并作为最终的教学目的。这样的课堂教学看似从生活实际入手，但却将实践置于可有可无的位置上，本质上仍属于灌输式教学。

为改变这种假实践、真灌输的教学现状，不妨打破传统教学的教学顺序，而采用逆向教学。首先选取合适的案例，从实践的成果与结果开始逆推，分析原理，然后动手制造模型。在逆向教学中，不仅明确了实践的目的和方向，还明确了什么是实践、如何落实实践的问题。因此，同样基于逆向思维展开进程的“反求工程”就进入了中等教育领域工作者的视野之中。

“反求工程”是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的技术设计成果进行剖析、深化和再创造[ 7 ]。“反求工程”的主要目的是在无法轻易获得图纸与信息的情况下，直接从产品入手进行分析，推导出产品的设计原理，总体上是一种基于逆向思维的工程设计分析方法。“反求工程”最突出的优势在于突破了正向思维的局限，为产品的二次开发与创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，对物理实验设备或者生活中与物理原理相关的用品进行逆向研究，即首先通过剖析产品结构，弄清物理原理，画出工程设计物理原理图；其次准备材料，进行符合产品物理原理的模型设计，制作实物模型，测试功能。

对中学生进行“逆向工程”教学，其目的不是制造出高于或者等同于实际产品的模型，而是利用此方法培养学生的STEM素养。中学项目教学中常用的“水火箭”“手摇发电机”等教具其实都使用了“逆向工程”的思路，首先对真实的火箭、小车进行逆向反求，从而制作出有最基础功能的教学用具，其次使用教具对学生进行授课，让学生进行设计与仿制。学生能够分析清楚产品的基本物理原理，设计并制造出能实现其最基本功能的模型，就达到了使用“逆向工程”进行教学的教学目的，同时也体现出了“物理学是一切工程科学的基础”的物理课程性质。

学生在一系列的跨学科实践中能够深刻地认识到科学、数学、技术与工程四者之间的区别与联系，体会到技术与工程的价值，并充分发展对知识的整合、应用能力，以及运用工程思维解决问题的能力。在逆向思维的运用过程中，学生认识到技术与工程设计远比物理原理复杂，物理学习时设想的“理想化”条件在工程实践过程中几乎是不可能成立的，由此，学生的创新意识、批判思维能够得到更进一步的发展。

“逆向工程”共有两个基本阶段，分别是分析阶段和模型制作阶段，设计流程如图1所示。

1.1  分析阶段——由实物挖掘原理

以工程产品为例，进行知识与原理的反向推理，即进行逆向分析及研究。对引进的工程产品进行拆解，对不同结构进行剖析，了解其功能特性、材料工艺；挖掘其中所蕴含的技术要素与原理，并对工程产品作出评估，分析出设计特点以及不足之处。通过对工程产品全方面的了解，以及对关键技术及原理的明确，最终达到知识学习的目的。

1.2  模型制作阶段——由原理设计制作实物模型

在本阶段中，学生已经掌握了相应的科学原理与技术方法，为促使该部分知识由陈述性知识向程序性知识转化，组织学生运用所学知识对工程产品进行测量重构，并模仿制作一个实物模型，在仿制的基础上，对工程产品的不足之处进行改进，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。在制作过程中让学生像工程师一样工作，培养学生尊重实证、谦虚严谨的科学态度，以及专注创新、精益求精的工匠精神。

使用“逆向工程”进行中学物理教学，目的是为了打破物理教学中问题、证据、解释、交流的单向探究路径，从而避免机械的探究学习。为了营造一个具有创新性的学习环境，所选择的工程产品要紧密联系学生生活，并与当前社会发展趋势相适应，不过分超越中学生的能力水平并且具有可迁移的特征。

2  “逆向工程法”应用案例——剩余电流动作保护器

义务教育和高中物理课程标准中都明确要求学生需要了解家庭电路的组成，并且能够将安全用电的知识应用于生活实际。剩余电流动作保护器（俗称漏电保护开关）是一种保护装置，是家庭电路的重要组成部分，并在人教版九年级“家庭电路”一节中进行了简单的介绍。

2.1  产品介绍——工程理念

剩余电流动作保护器，是一种电气安全装置，当电路中出现了漏电故障或触电事故，并且达到了保护器的限定剩余动作电流值时，能够立即自动切断电源的一种保护开关，在家庭电路的安全保护中发挥了巨大的作用。本文将使用DZL18-32电流动作型电子式快速漏电保护电器（图2）作为“逆向工程”的应用案例。

由DZL18-32剩余电流动作保护器的外壳参数可知，此型号适用于交流电壓为220 V、频率50 Hz、额定电流32 A的单相电路，额定剩余动作电流30 mA，分断时间小于0.1 s，其结构原理图如图2所示。剩余电流动作保护器的原理中大量应用了电磁学的知识，其设计中运用了复杂的技术工艺，作为教学用具，既能够连通理论与实践，又不超出中学生的学习范围，有一定的学习必要以及教学价值。

2.2  物理原理与产品评估——科学与数学

剩余电流动作保护器的基本原理是当发生漏电故障时，穿过零序电流互感器中的电流矢量和不为零，当零序电流达到限定值时，脱扣器动作，切断故障电路达到保护作用。其中的元件按照功能可以划分为四部分，控制元件、中间环节、执行机构和试验装置，其工作流程图如图3所示。

（1）物理原理

①检测元件——零序电流互感器——电生磁与磁生电

单相电路中，火线和零线从剩余电流动作保护器的电源侧流入，经过触点，到达零序电流互感器——一种单匝穿心式电流互感器，火线与零线穿过被绝缘胶布包裹的环形铁芯并在铁芯上缠绕了一圈，构成了互感器的一次线圈，在绝缘胶布内部另有两根导线缠绕在环形铁芯上构成了互感器的二次线圈，如图4所示。

由基尔霍夫电流定律可知，所有进入某节点的电流的总和等于所有离开此节点的电流的总和。电路中没有发生漏电、触电故障时，穿过一次线圈N1的电流的矢量和为零，电流IL和IN在零序电流互感器中产生的磁通量的矢量和同样为零，铁芯内没有磁通量的变化，即

+=0（1）

+=0（2）

因此，在二次线圈N2中不会产生感应电流触发后续自动控制的条件，剩余电流动作保护器正常工作。

当发生漏电、触电或者接地故障时，会产生一个故障电流Id，穿过人体或者其他故障点经大地返回电源，此时穿过铁芯的电流IL和IN大小不再相等。穿过一次线圈N1的电流的矢量和不为零，产生了剩余电流I1，铁芯内的磁通量发生了变化，即

+=（3）

+=0（4）

由电磁感应可知，变化的磁场会产生电流，在二次线圈N2中，会产生一个感应电流IG。检测元件的作用是将漏电产生的感应电压的电压信号输出给中间环节。

②中间环节——放大器、比较器——桥式整流

中间环节的作用是利用放大后的电压信号去推动执行机构动作，一般来说零序电流互感器二次线圈输出的电压信号都很小，在1mVA以下，不能直接驱动脱扣器动作，因此有些剩余电流动作保护器就增加了一个放大元件，将二次回路上产生的感应电动势ε1经过放大后施加在脱扣线圈上，并产生一个工作电流，这种剩余电流动作保护器叫做电子式剩余电流动作保护器。

③执行机构——脱扣器——磁生电

脱扣器是剩余电流动作保护器的判断元件，根据接收到的信号，进行分析处理并作出是否动作的判断。电子式剩余电流动作保护器使用的是吸合式脱扣器，在正常工作状态下，吸引线圈中没有电流，铁芯没有磁性不能吸引衔铁，因而衔铁处于常闭状态；当吸引线圈通电后，线圈中有励磁电流通过静铁芯，产生电磁吸力并且达到整定值时，衔铁被迅速吸合，同时带动与衔铁相连的打击臂，利用打击臂在衔铁吸合时的机械冲击力带动触头动作，使开关销扣脱扣由常闭状态转为常开。

④试验装置——试验按钮

如图5所示，试验装置能够检测剩余电流动作保护器是否可以正常工作，需要定时按动进行检测。如果按动试验按钮却发现剩余电流动作保护器不动作，说明剩余电流动作保护器内部出现故障，应该立即停止使用并对剩余电流动作保护器进行检修或者更换。

试验装置是由试验按钮和试验电阻组装起来的，试验按钮的一端连接着火线，另一端串联一个限流电阻后与零线连接，在试验按钮的两端中间是零序电流互感器。按下试验按钮后，整个试验装置的支路通电。在这个支路中，火线上的电流先全部流经零序电流互感器之后到达节点，在节点处，一部分火线上的电流通过试验装置绕过零序电流互感器流回零线，这就导致流经零序电流互感器中IL与IN的矢量和不为零，从而模拟了一次漏电故障，触发了剩余电流动作保护器的保护机制。

（2）产品评估

对剩余电流动作保护器进行了拆解分析之后发现，DZL18-32剩余电流动作保护器只有漏电保护的功能，而家庭电路中常见的故障还有短路故障等，剩余电流动作保护器不能全方位的保障家庭电路的安全。

2.3  模型制作与改进——科学与技术

在模型制作与改进阶段，学生需要利用已经厘清的原理，进行知识拓展、模型制作、模型改进，并且要对DZL18-32剩余电流动作保护器提出改进方案。

（1）模型制作（图6）

①电流互感器模型（图7）

零序电流互感器属于电流互感器的一种，电流互感器由闭合的铁芯和绕组组成。

原线圈中的一次绕组匝数很少，次级线圈中的二次绕组匝数更多。电流互感器在工作时，AB端接入交流电，CD端始终是闭合的，根据电流表中的读数以及互感器公式进行运算，可以得到原线圈中电流大小。

=（5）

②桥式整流模型（图8）

二极管是一种半导体电子器件，具有单向导电性。交变电流的电流方向呈现周期性变化，因此可以利用二极管的单向导电性进行整流，将交流电变为直流电。

③電磁继电器模型

通过拆解分析还发现，脱扣器将高压工作电路中产生的感应电压作为低压电路中的电源，这与电磁继电器利用低压、弱电流电路控制高压、强电流电路的控制原理极其相似，因此可以用电磁继电器代替脱扣器进行模型制作。

④模型组装（图10）

自主设计电路，模拟剩余电流动作保护器的动作机制，并测试其功能。

未接入左边交流电源时，灯泡A发光，灯泡B不发光，电磁继电器不动作；接入交流电源后，模拟漏电过程，交流电首先经过电流互感器放大；其次经过整流桥，观察到LED灯变亮，说明电路中交流电已变为直流电；最后到达电磁继电器，使得电磁继电器动作，切换电路，灯泡A熄灭，灯泡B发光。

（2）模型改进

家庭电路中常把保险丝作为短路保护装置进行使用，但是保险丝寿命短、灵敏度低、只能一次性使用，而热继电器使用期限长，灵敏度高并且可以重复使用，因此可以用热继电器代替保险丝，从而更全面地保障家庭用电的安全。

3  结论

现如今，我国正在大力发展STEM教育，而国内现有的使用跨学科实践培养学生的STEM素养的物理教学案例并不多。在我国分科教学的大背景下，如何在教学中真正落实跨学科实践并培养学生的STEM素养，是值得所有教师思考的问题。本文创新性的使用 “逆向工程法”进行中学物理教学，并以剩余电流动作保护器作为案例进行教学，期望对中学物理教学提供可研究的视角，切实地提升学生跨学科实践的能力，以及在学习过程中能够培养自身的逆向思维以及创新意识。

参考文献：

［1］ 余胜泉，胡翔.STEM教育理念与跨学科整合模式[J].开放教育研究，2015，21（4）：13-22.

［2］ 美国科学教育标准制定委员会.新一代科学教育标准[M].北京：中国科学技术出社，2020：88-100.

［3］ 翁秀平.科学与工程实践：内容、途径与方法[J].教育导刊，2020（2）：91-96.

［4］ 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）[S].北京：人民教育出社，2022.

［5］ 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出社，2018.

［6］ 中华人民共和国教育部.普通高中通用技术课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

［7］ 顾建军.普通高中教学书通用技术选择性必修3：工程设计基础[M].南京：江苏凤凰教育出版社，2020：37.