關聯技術與科學的初中物理跨學科實踐研究

摘 要：“物理學與工程實踐”是《義務教育物理課程標準（2022年版）》提出的二級主題，屬于“跨學科實踐”這一一級主題，是提升學生核心素養的重要方式。在教學中，教師可通過明確需求、革新技術、探索原理、迭代升級等實踐過程，讓學生在學習科學概念的同時，經歷質疑、批判、創新等思維過程，理解技術與科學之間的關系，從而豐富創新人才培育的素材。

關鍵詞：技術；科學；跨學科實踐

中共中央、國務院印發的《中國教育現代化2035》中指出，當代教育要加強創新人才特別是拔尖創新人才培養，加大應用型、復合型、技術技能型人才培養比重。在進行工程實踐和科學探究的過程中，創新思維的參與至關重要，因此，工程實踐和科學探究是培養創新人才的重要方式。《義務教育物理課程標準（2022年版）》新增一級主題“跨學科實踐”，該主題倡導利用跨學科學習，將相關學科內容進行有機整合，立足學科又超越學科，進而提高學生分析和解決問題的能力，并發展學生的核心素養。^［1］“物理學與工程實踐”是“跨學科實踐”下的二級主題，工程實踐常常需要技術的支撐。技術促進科學，科學指導技術。那么，在真實的歷史中，是先有技術，還是先有科學？在教學中，又如何讓學生深刻體會技術和科學出現的先后順序，并厘清二者之間的關系？筆者以“制作桿秤”為例，進行了相關的實踐研究。

1 歷史背景

交易是人們生活中不可或缺的環節。早在幾千年前，人們就對交易的公平性提出了要求。在夏代，中國開始用權衡作為稱重器具。權相當于砝碼，衡指的是杠桿。杠桿正中有一小孔作為支點，兩端各懸有一個掛鉤，一側掛被稱物，另一側掛權。每一副權衡都有一組權，改變權的重量，可以稱量不同物品的重量。然而，權衡的使用過程較為耗時，且權衡不方便攜帶，加之古代市場在室外，這不利于古代商販的搬運，因此權衡未能在日常交易中普及。

在春秋時期，范蠡受打水桔槔啟發，為了確保交易的公平，自制了當時的“桿秤”。數百年后，古希臘的阿基米德發現了杠桿平衡原理，而幾乎同時，中國的《墨經》也探討了力學，包括杠桿原理。三位不同時代的智者，雖未直接相連，卻都在探索與利用自然界的平衡之道。范蠡的桿秤、阿基米德的發現以及《墨經》的智慧，共同構成了人類文明史上關于公平與智慧的璀璨篇章。

2 教學實踐

需求、技術和科學，三者之間本身存在著內在的關聯。需求是技術和科學產生的動機，是問題的具體體現；技術是科學和需求之間的橋梁，是問題解決的手段；科學是技術發展的理論依據，為技術改進指明方向。^［2］“制作桿秤”的教學內容框架如圖1所示。

2.1 分析天平初質疑，明確需求

教師引入古代人們的交易場景，提出交易公平的需求，進而引導學生回顧天平的結構及其使用方法，根據杠桿的原理分析天平的關鍵結構，指出支點O，懸掛點A和B（見圖2）。通過回顧天平使用的過程，教師可以引導學生思考：“既然使用天平進行交易能實現公平，那么為什么它不被人們廣泛使用呢？”通過討論，學生得出結論：天平主要存在砝碼多、測量范圍小的問題。用它測量速度慢且無法測量質量較大的物體，因此未被廣泛使用。教師進而提出“減少砝碼數量，擴大測量范圍”的技術改進方向。

設計意圖：因為學生對杠桿的認知參差不齊，教師創設情境讓學生主動參與學習。教師引導學生回憶天平的使用及其主要結構，以統一學生的認知，讓他們站在同一起跑線。通過介紹古代天平及其使用環境，帶領學生走入課題，引導學生結合當時的歷史背景，運用批判性思維分析天平的優劣。這旨在讓學生理解技術發展的需求和必然，激活自身已有經驗，以需求探索技術的發展。

2.2 應對需求初改進，革新技術

根據天平存在的問題，教師提出“改進天平以測量一個人的質量”的任務。學生根據之前分析所明確的技術改進方向，提出將天平改進為桿秤的方案，并初步判斷改進是否可行。師生共同合作，使用由長桿、書包（作為秤砣）、麻繩（作為提紐）等材料制成的簡易桿秤測量一位學生的質量。測量時可以實現簡易桿秤水平平衡，但由于簡易桿秤沒有刻度，無法進行讀數，由此引發“標刻度”任務。學生動手實踐，利用砝碼、簡易桿秤等裝置，進行“0”“10克”“30克”“50克”的刻度標注，如圖3所示。標注完成后，各組學生使用自己標注刻度的桿秤進行驗證測量。

設計意圖：依據生活經驗和對杠桿相關知識的理解，教師立足需求，提出將天平初步改進為桿秤的任務，讓學生體驗技術對需求的影響，并理解模型與實際工具之間的映射。通過刻度標注的需求和實踐，學生可以直觀感受到杠桿五要素之間的聯系，進而實現從具體的支點、用力點、阻力點到抽象的支點、動力、阻力、動力臂、阻力臂概念的進階。這為后續杠桿平衡條件的提出做鋪墊，也可以讓學生初步感受到技術背后蘊含著科學。

2.3 真實體驗引沖突，探究科學

教師由“大家的測量結果是相同的”這一實驗結果引導學生思考：“大家的刻度標注情況是一樣的嗎？”通過對比發現，不同小組所標注刻度每10克之間的間距不盡相同，由此學生可得知各組桿秤標注情況不盡相同。教師進而提出“不同的標注，卻有相同的測量結果，這背后隱藏著什么科學原理呢？”學生通過回憶天平的結構、桿秤改進的設計、標注刻度時的體驗這三個方面的內容，猜想物體的質量m_a、物體到提紐的距離lAO、秤砣的質量m_b和秤砣到提紐的距離lBO可能會影響桿秤的平衡，進一步分析提出可能存在“m_a×lAO＝m_b×lBO”或“m_a＋lAO＝m_b＋lBO”的關系。通過分析可知，“m_a＋lAO＝m_b＋lBO”明顯是錯誤的，因為不同單位的物理量不能相加減。學生直接用已標注刻度的桿秤進行實驗并記錄，分析實驗數據發現“m_a×lAO＝m_b×lBO”不成立。學生分析原因，提出實驗中需要排除桿秤自重對實驗的影響，然后采取去除秤盤、移動支點等操作，使秤桿在兩端未加任何物體時保持水平，再使用鉤碼進行實驗后（見圖4），得出“m_a×lAO＝m_b×lBO”的猜想是正確的。

學生運用所得結論分析“不法商販用拉拽物體的方式使讀數變大”，從而認識到影響桿秤平衡的不是質量，而是力。在使用彎曲的桿秤測量一個鉤碼的質量時，學生會發現測得的數據偏大，進而，教師引導學生使用彎曲的桿秤重新實驗，可以得出需對lBO進行重新定義，即lBO應為支點到力的作用線的距離。這樣平衡條件才成立，即F1l1＝F2l2。在得到杠桿平衡條件之后，學生通過分析桿秤和天平的橫梁的共同點，歸納出杠桿的概念。由此，學生可以認識到桿秤這一技術產品背后的科學原理是杠桿平衡條件。

設計意圖：教師充分利用測量結果相同而刻度標注不同這一事實，引發學生認知沖突，激發學生探索技術背后所蘊藏的科學的興趣，并讓學生體會技術與科學的內在關聯。通過使用自制的桿秤和彎曲的桿秤進行實驗來探究杠桿平衡條件，學生了解到實驗中排除桿秤自重的重要性，并實現從力到作用點的距離至力臂的有效進階，從而建構杠桿平衡的模型，完善關于杠桿的認知體系。巧妙地利用技術手段探究科學原理，并且利用探知的科學原理修正技術，這一過程展示了技術能幫助科學發現，科學能指導技術的修正。

2.4 依托科學再升級，迭代技術

在完成桿秤制作并探明其背后蘊含的科學原理之后，教師讓學生使用自制的桿秤測量一個蘋果的質量。學生發現，由于桿秤量程過小，無法測出一個蘋果的質量。這引發了“升級桿秤”的需求。基于杠桿平衡條件，學生很快提出減小lAO、增大m_b和增大lBO等改進思路。通過實踐，學生可以發現這三種方法均可行，且減小lAO的方法相對比較方便。因為增大m_b，會導致秤砣質量過大，不便于攜帶；而增大lBO，會導致秤桿過長，同樣不便于攜帶；而減小lAO則不會有上述兩個問題。

完成增大桿秤量程的改進之后，教師提出“精準測量金戒指的質量”這一任務，即“將桿秤改得更精準”的需求。學生通過思考討論后得出：應當增大lAO和減小m_b。依據是杠桿平衡條件，減小lBO只會減小量程，并不能使測量更精準。最后，學生通過總結，梳理杠桿知識，領會技術和科學之間的關系。

設計意圖：當學生直接使用自制桿秤無法測得一個蘋果的質量，也無法精準測量一個金戒指的質量時，會激發他們進一步改進桿秤的需求。在杠桿平衡條件這一科學原理的指導下，學生能夠快速且準確找到多種改進的方法，對產品再次進行精準迭代。這可以與之前測量人的質量時無科學指引的模糊改進形成對比。通過這些過程，學生可以領悟科學對技術的指導作用，形成對科學、技術之間關系的整體認知。

3 反思

技術、工程、科學之間存在著緊密的聯系。簡單技術的出現可能無需科學的指引，但復雜技術的實現則需要在科學的指引下進行。在實際教學中，課堂上難以完成復雜技術的設計和實施，因此教師可引導學生在科學原理指導下，對簡單技術進行改進和創新，幫助學生厘清技術與科學之間的關系。在關注概念本身的建構、技術和工程本身的教學的同時，教師還應注意依托技術與工程實踐，落實物理概念教學，培養學生的科學思維，將物理課程變成一個有機的整體，借力技術與工程的載體，有效培養學生的核心素養。

參考文獻

［1］中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022：33-38.

［2］胡衛平，劉守印.義務教育科學課程標準（2022年版）解讀［M］. 北京：高等教育出版社，2022：209.