物理常態課融合技術與工程實踐的有效嘗試

摘" 要：以“質量的測量”為例，在物理常態課中融合技術與工程實踐時，教師首先需要明確辨析科學、技術與工程實踐的內涵與范疇，進而建構一個從“理解科學”到建造人工世界、基于物理常態課“技術與工程實踐”教學實踐的模型。這一過程中，技術與工程實踐應著重體現行為學習、社會學習和認知學習三方面的綜合內涵。唯有建立起符合技術與工程實踐自身特征的行為邏輯、社會性建構機制以及認知發展過程，方能使教學目標準確對接科學課程核心素養要求，從而達到有效實踐的教學目的。

關鍵詞：物理常態課；技術與工程實踐；質量的測量；天平

基金項目：本文系溫州市中小學校科技創新項目“‘瓶’繁世界——塑料瓶系列”（課題編號：2020ZXX06）的階段性研究成果。

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）在“培養什么樣的人”方面提出包括科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任

在內的科學課程核心素養［1］，在“怎么培養人”方面提出了13個學科核心概念和4個跨學科概念的課程內容。

在13個學科核心概念中，有2個指向技術與工程實踐，分別是“技術、工程與社會”和“工程設計與物化”，在包括技術與工程實踐在內的13個學科大概念基礎上進一步建構“物質與能量”“結構與功能”“系統與模型”“穩定與變化”4個跨學科概念。［2］《課程標準》在課程目標、課程內容等方面做了較大的改變，包括課程理念、課程結構化的體現方式在內的調整，從課程頂層設計上引領課程實踐變革。STEM教育、社會性科學議題以及當下推進與實踐的項目式學習等，都是學習技術與工程實踐的重要路徑。

物理常態課應

基于學生已有知識經驗和認知水平，綜合利用學科核心概念和跨學科概念，通過跨學科綜合實踐，解決真實情境中的技術與工程問題。［3］

將技術與工程實踐融入基于傳統學科核心概念的常態課中，是學習技術與工程實踐部分的有效路徑。以“質量的測量”為例，浙教版科學七年級上冊第4章第2節“質量的測量”包括“質量的概念”和“天平的使用”兩部分內容［4］，本文旨在通過這一常態課，將技術與工程實踐的理念融入其中。在學習如何測量物體質量的過程中，學生需解決“在受限條件下能驗證物體的質量”這一問題，通過該實踐過程，他們將深刻理解天平主要結構的建構和功能。進一步地，學生通過設計“在受限條件下測量未知不同物體質量”的方案，并對設計方案進行優化，最終解決物體質量的測量問題，從而深刻理解質量的概念和天平的結構與原理。

1" 物理常態課中的STS之間的相互關系

1.1" 辨析STS關系

科學、技術與工程實踐（STS）之間的關系如表1所示。

1.2" 呈現STS實例

在“質量的測量”常態課中，建構質量的概念（包括對天平結構、功能和使用方法的理解）就是對“宏觀物質都具有質量”的物質觀的建構，從而深入理解質量概念的內涵。質量概念的建構，是在真實情境下，通過建構一臺簡易天平作為目標路徑來達成的。在深刻理解質量概念（屬于理解科學范疇）的基礎上，筆者設計了一臺能測量物質質量的天平，并通過設計、制作、實驗探究等方式，最終制作出一臺天平（屬于技術與工程實踐范疇），且能利用其稱量實際物體的質量。

1.3" 構建STS模型

從“理解質量概念”這一對自然世界深入探索的起點出發，本文通過技術與工程實踐，建構起了天平模型，形成了基于物理常態課“技術與工程實踐”的教學實踐模型（見圖1）。

2" 物理常態課中實踐STS的核心素養

2.1" 物理常態課的本質追求

物理常態課基于對科學核心概念的學習，促使學生形成對核心概念本身和學習過程的深度理解，從而指向科學課程核心素養的提高。深度理解科學核心概念及學習過程，需要在真實情境中解決真實問題。《課程標準》中涉及技術與工程實踐部分的兩個學科核心概念，不單是“深度理解”的對象，也是指向提升核心素養的有效學習路徑。［5］

2.2" 科學課程核心素養的目標實踐路徑

科學課程核心素養包括科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任四個維度，四者不是單純的并列關系，而是相互交融、相互依存的關系（見圖2）。

探究實踐是建構科學觀念、發展科學思維、培養態度責任的路徑和載體，而技術與工程實踐活動正是探究實踐的重要形式。因此，技術與工程實踐（如構建天平模型來測量物體的質量）是發展包括探究實踐能力在內的科學課程核心素養的重要路徑。

2.3" 技術與工程實踐的具體目標

“質量的測量”作為物理常態課的重要內容，其核心的課堂學習任務是理解質量概念，包括對質量概念本身的理解和通過有效路徑來理解的過程。雖然通過技術與工程實踐來“建構天平模型”并不是該課時的主要任務；但通過“建構天平模型”活動，學生能深入理解天平的結構特點，并通過理解天平的結構及功能，進一步感受以天平為代表的測量工具在技術發明與工程建造過程中對人們生活、生產以及社會發展帶來的影響。這一過程充分體現了“理解質量概念”與“建構天平模型”之間的關系。當然，通過“建構天平模型”來深度“理解質量概念”，首先需要有明確的問題導向，即建構一個能稱量未知質量物體的裝置；其次，要圍繞問題解決進行深入而持續的探究。后一個過程不僅能調動學生已有的知識和能力，還能讓學生深刻理解質量概念，并深刻理解天平的結構、功能及其使用方法。通過這樣的過程，還能進一步建構“結構與功能”“系統與模型”等跨學科概念。基于技術與工程實踐解決問題的有效路徑，物理常態課中實踐STS的科學課程核心素養目標如表2所示。

3" 物理常態課中的技術與工程實踐

物理常態課通過技術與工程實踐活動來創造一個人工世界，即物化產品。在此過程中，設計與物化是重要環節。技術與工程實踐本身既是學科核心概念，也是課程內容的重要組成部分。同時，它們還是核心概念的學習過程。本文以“質量的測量”為例，通過建構天平模型來幫助學生深刻理解質量概念和天平結構與功能，從而深刻理解學科核心概念。

3.1" 技術與工程實踐的內涵與表達

科學探究在實踐過程中逐漸被窄化為簡單的操作路徑。吸取了前者的經驗教訓后，技術與工程實踐更加關注科學實踐過程中產生知識的具體活動。為了更加清晰地描述科學探究中的活動類型，本文從技術與工程實踐的完整過程出發，根據學習心理學理論，將學生需要參與的活動劃分為行為學習、社會學習和認知學習三個領域，技術與工程實踐的內涵示意圖如圖3所示。

設計與物化的過程指向學生外在的行為學習。在技術與工程實踐活動過程中，我們往往很容易把圖3中行為學習的六大路徑等同于技術與工程實踐的內涵，從而忽略了學習過程最重要的“合作”與“交流”這兩個要素。換言之，技術與工程實踐是通過學生外顯的行為活動來體現的，但這并非技術與工程實踐內涵的全部。技術與工程實踐的本質追求是理解科學概念，或應用科學理論來解釋現象，故還需要在外顯的行為學習活動中凸顯社會性意義建構，激發學生的認知活動，從而達成課程目標。

3.2" 技術與工程實踐的路徑與框架

技術與工程實踐首先要解決的就是界定問題。在“質量的測量”案例中，需要界定的問題是，如何用提供的材料制作一個能測量物體質量的裝置。這個真實的問題需要在受限條件下，利用技術與工程實踐活動去解決。受限條件包括只能利用教師提供的材料、七年級學生尚未系統地學習杠桿知識等。雖然最后物化的天平模型只能夠測量與砝碼質量相等的物體的質量，但可以通過迭代來完善天平模型，以測量與砝碼質量不相等的物體的質量。

基于這樣的任務，學生需要通過合作交流的方式，提出多種可能的解決方案，并在測量過程中發現問題并進行優化，從而確定最佳方案。解決問題的過程，也是將設計方案物化的過程。通過物化天平模型過程，學生做出只能測量與砝碼等質量物體的天平實物模型。如果想要解決“測量與砝碼質量不相同的物體的質量”這一問題，就需要學生通過對問題進行評估，借助學習支架，發現桿秤、臺秤等設計原理，在原有等臂杠桿上添加可移動的“秤砣”，以模擬游碼的功能來解決“小質量”問題。另外，學生還需通過合作與交流來解決“精確度”等問題，不斷對模型進行迭代改進。最后，學生將制作的天平模型與真實的天平進行結構和功能上的對比，從而深刻理解真實天平的結構、功能以及使用方法。

學生通過技術與工程實踐學習“質量的測量”時，不僅能深刻理解質量的概念，還能更好地理解結構與功能、系統與模型等跨學科概念的內涵。基于技術與工程實踐內涵，“質量的測量”的教學實踐可按以下活動框架開展（見表3）。

2設計方案：利用木棒、鐵架臺、細線和刻度尺等設計一個等臂杠桿合作交流：

（1）為什么要調節平衡螺母

（2）巧克力和砝碼掛上杠桿后，證明它們質量相等的證據是什么

（1）理解

調節平衡螺母使杠桿在水平位置平衡的目的

（2）基于對等臂杠桿的了解，理解等量替代的條件與作用

3實施計劃：用刻度尺量出等臂，并用其驗證巧克力的質量（1）小組合作，用提供的器材搭建等臂杠桿，并能從技術上改進以避免物體在杠桿上失衡掉落

（2）小組評價，交流“驗證巧克力的質量為20克”的證據以及操作的要點（1）通過合作與交流，理解等臂的原因

（2）解決疑問：在操作時如何避免物體容易掉落，如何更容易判斷杠桿水平平衡，如何更好地稱量其他物體的質量

4檢驗作品：稱量一個蘋果的質量（1）小組合作，發現用原有天平模型和給定砝碼無法測出蘋果的質量

（2）結合桿秤、臺秤等工具作為學習支架，討論在杠桿上加可移動“秤砣”來解決問題的可能性（1）在檢驗杠桿模型過程中，發現新問題并加以解決，體驗與理解天平中的游碼的結構與功能

（2）基于學生遇到的新問題，教師適當提供學習支架幫助學生解決這些問題5改進細節：改進并迭代天平模型

（1）通過合作與交流，利用已知質量的小物體和“游碼”標定不等臂情況下的刻度

（2）驗證標定刻度的準確性

（3）解決提高天平精確度的迭代設計

（1）在建造天平模型解決測量真實蘋果的質量的過程中發現問題，從學習支架中類比和遷移來解決問題

（2）通過在杠桿上刻質量刻度來解決精確度問題，并提出創造性的解決策略

6發布成果：對比天平模型與真實天平的結構、功能（1）合作學習，建構天平模型與托盤天平結構對照，說出它們的使用方法和相應功能

（2）小組匯報，并向全班匯報與評價（1）在成果匯報過程中進行批判性的評價，提出產品的優點與缺陷，以及評價的證據

（2）通過評價天平模型的結構、功能和使用方法，深刻理解質量概念和天平的原理

3.3" 技術與工程實踐的特征與舉隅

從課程、教師、學生三個角度來看，技術與工程實踐的物理常態課至少有如下四個明顯的特征。

3.3.1" 技術與工程實踐常態課堂的本質追求是理解科學技術與工程實踐的常態課，往往以技術與工程實踐作為載體與路徑，本質上是為了促進學生對科學概念、定律、原理等的理解，或者幫助學生形成科學理論體系去解釋自然或人類世界。如“質量的測量”中利用天平測量物體的質量，本質上就是為了讓學生理解天平的結構、功能及使用方法。

3.3.2" 技術與工程實踐常態課堂的重大關切是重視體驗技術與工程實踐的常態課主要通過開展科學實踐活動，讓學生深刻理解技術與工程實踐本身、對課堂本質上要求理解的科學概念有直接經驗。技術與工程實踐重視體驗，要求學生通過身體與外界進行互動，使得學生能在合作與交流中、在各種親自操作和實踐活動中進行學習。這樣就能使學生的感性因素充分參與課堂活動中，使學生的感性認識與理性認識通過體驗相結合，促進學生的科學理解。

3.3.3" 技術與工程實踐常態課堂的核心路徑是開展實踐科學課程核心素養中的“探究實踐”指向科學探究、技術與工程實踐和自主學習三個關鍵能力。其中

技術與工程實踐能力指向的就是技術與工程實踐，體現在了解技術與工程實踐的一般過程和方法，針對實際需要明確問題，提出有創意的方案，并根據科學原理或限制條件進行篩選；實施計劃，利用工具和材料進行加工制作；根據實際效果進行修改迭代；用自制的簡單裝置及實物模型驗證或展示某些原理、現象和設想。［6］

3.3.4" 技術與工程實踐常態課堂的組織形式是合作交流

建構主義學習理論最終要達成意義建構的目的，需要以真實情境背景下的合作與交流作為課堂活動的中心。［7］本文中的“真實情境”就是指技術與工程實踐，在其背景下通過社會性學習活動來組織常態課堂。課堂中的每個實踐活動都是在合作與交流中發生的。

物理常態課中適應技術與工程實踐、科學實踐的部分，是那些通過儀器或工具的建構進行學習的內容，以及在教材中出現的儀器或工具的基礎上改良、完善與迭代產品。教材中除了天平的建構以外，還有溫度計、彈簧測力計、液體壓強計、密度計、電流表、電壓表、電度表等儀器的建構；還有基于改進與迭代的測酒精度數的儀器、利用各種各樣原理測液體密度的儀器［8］、利用敏感電阻（力敏、光敏、熱敏、濕敏等）和電磁繼電器設計的自動控制電路以及整合上述多種結構建造各種功能的產品等。

參考文獻

［1］［2］［5］［6］中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022：4-6，16，90-111，5．

［3］胡衛平.在探究實踐中培育科學素養——義務教育科學課程標準（2022年版）解讀［J］.基礎教育課程，2022（10）：39-45．

［4］朱清時.義務教育教科書" 科學" 七年級上冊［M］.杭州：浙江教育出版社，2012：129-133．

［7］蔡呈騰.基于“證據—推理”的科學概念建構實踐——以“浮力”教學為例［J］.物理教學，2022，44（9）：42-46，56．

［8］蔡呈騰.基于STEM教育理念的核心概念課程開發舉隅［J］.教學月刊·中學版（教學參考），2019（Z2）：26-31．