基于技术改进的三维问题解决模型实践研究*——以《简单机械》第1课时为例

沙立国 夏承俊 杨封友|浙江省杭州市保俶塔实验学校

科学是对自然界和主宰自然界的定律的研究，而技术则是利用人类的知识来发明人们所需要的新产品［1］。运用科学知识解决问题，必然需要应用相关的技术。《义务教育科学课程标准（2022 年版）》将技术与工程实践能力定为初中生需要具备的关键能力之一。浙教版义务教育教科书《科学》（以下简称“浙教版《科学》”）除了在各章节内容中对此有所渗透外，还在部分章节中专门设置了“科学、技术、社会、环境”板块。教学时，教师可基于技术改进，建构问题解决、技术和科学之间的关联，帮助学生培养技术与工程实践能力，提升问题解决能力，实现素养发展。

一、三维问题解决模型的内涵

问题解决是一种受目标指引的认知性操作序列［2］，由此我们可对问题解决作进一步的解读和演绎，其中“目标指引”即是一种“需求”，“操作序列”需要“技术”来实现，“认知性”则需要由“科学”来支撑。

基于技术改进的实践，能有效培养学生解决问题和应对挑战的能力。同时在实践中，学生也能加深对科学原理的理解和应用。技术对科学有促进作用，科学能为技术发明和改进指明方向，让技术发明和技术改进更有效率。在技术改进的实践中，学生首先需要明确需求，了解原有技术，分析其优缺点，然后应用已有的知识和认知设计方案，初步弥补原有技术的不足并探索其中的科学原理。基于此，学生可以运用科学原理对初步方案进行迭代升级，扩大其适用范围，在一定程度上解决问题。在这个过程中，学生会经历回顾、分析、创造、探究、迭代等环节，每个环节都会推动其思维层次跃升。因此，我们可通过技术改进的实践活动，为学生提供更多机会锻炼创新思维，发展核心素养。这将有助于学生在未来面对各种问题和挑战时，能够灵活运用知识和技能，找到创新的解决方案。

需求往往基于生活或历史真实问题出现，是问题解决的具体任务。在问题解决的过程中，需要涉及技术的设计、实践、改进等环节。而为更好地达成技术的迭代升级，则需要了解技术背后蕴藏的科学原理，并在科学原理的指导下，有效完成技术的迭代，扩大技术的应用范围和应用前景。因此，在技术和科学的互相印证中，让学生经历分析、猜测、实践、验证、改进等环节，可加深其对技术和相关科学观念的理解，提升核心素养。由此可建构三维问题解决模型，其框架如图1所示。

图1 三维问题解决模型框架

二、三维问题解决模型的实践

浙教版《科学》九年级上册第3 章第4 节《简单机械》分为杠杆、滑轮、机械效率三个部分，其中杠杆部分为第1课时，包含杠杆、研究杠杆的平衡、杠杆的应用三个内容，教材中的呈现顺序为：生活中的常见杠杆→寻找杠杆的共同特征→杠杆的定义→杠杆的五要素→人体中的杠杆→杠杆平衡条件→杠杆的分类和计算。下面，笔者以《简单机械》第1课时为例，具体说明三维问题解决模型在教学中的实践。

（一）融合课标要求设置教学目标

运用三维问题解决模型进行教学时，教师要基于对课标的深度解读和融合来设置教学目标。由于该课时涉及技术和科学，因此教师既要参考传统的教学要求，也要关注技术、工程与社会方面的要求。《简单机械》第1课时涉及的课标要求如表1所示。

表1 《简单机械》第1课时涉及的课标要求

由表1可知，以跨学科概念“系统与模型”“稳定与变化”为引领，立足学科核心概念“能的转化与能量守恒”“技术、工程与社会”，并兼顾教材的内容设置，《简单机械》第1课时的教学目标可设计如下。

（1）通过杆秤的逐步改进，能说出水平平衡杠杆的五要素，初步建构杠杆模型。

（2）通过杆秤水平平衡原理探索，掌握杠杆平衡条件实验的操作，知道杠杆稳定与五要素变化的内在关联。

（3）通过超量程物体的称量，学会利用杠杆模型解决常见的问题，能制作把科学原理转化为技术产品的简单装置。

（二）结合模型特点设置教学内容

在三维问题解决模型中，需求、技术和科学之间存在着内在的关联。需求，是技术和科学产生的动机，是问题的具体任务体现；技术，是科学和需求之间的桥梁，是问题解决的手段；科学，能为问题解决指引方向，是技术发展的理论依据。因此，对《简单机械》第1课时的教学内容，笔者从需求、技术和科学三个维度来落实，其框架如图2所示。

图2 《简单机械》第1课时教学内容框架

（三）依托模型要素引导学习过程

1.需求解决是建构三维问题解决模型的线索引领

三维问题解决模型是围绕着问题解决而建构的。该模型通过将大问题转化为大需求，再分解为小需求，并在科学指导下运用技术解决小需求，从而实现大问题的解决。

该课时涉及的核心知识是杠杆五要素、杠杆平衡条件，核心问题是交易公平的推广。教学时，笔者从交易公平的需求出发，引导学生从使用方便、测量范围等方面探索天平在日常交易中无法推广的原因，引发其改进天平的需求。然后，笔者要求学生根据无法推广的原因，在没有科学依据的情况下，根据生活经验，将天平改进为杆秤，并解决改进过程中出现的各种需求。

2.实践体验是建构三维问题解决模型的推进方式

三维问题解决模型的核心是问题解决，问题必须在实践中解决。只有通过实践，我们才能知道设想是否正确、方案是否可行、预测是否准确，而实践又是技术的具体体现。在实践体验中发现技术的不足，学生就会产生改进技术的需求，并明确技术改进的方向，寻找并发现问题解决的途径。

根据教学内容框架，笔者通过四个实践推进教学，具体如下。

实践一：在学生提出杆秤的模型之后，运用由长杆、书包（作为秤砣）、麻绳（作为提纽）等材料自制的简易杆秤测量某学生的质量。

实践二：发现杆秤可以实现水平平衡，但由于没有刻度，无法进行读数，进而进入刻度标注环节，并借助砝码进行刻度标注。

实践三：标注刻度后，测量钩码质量。

实践四：测量苹果质量。（让学生在实践体验中解决当前需求并触发新需求，不断推进教学）

3.双重评价是建构三维问题解决模型的实践标准

对三维问题解决模型课堂中的实践开展过程，可通过量表进行过程性评价，量表的种类可根据课堂需求选择。对实践开展的结果性评价，可通过实际的使用进行评判，若发现实践结果与预期不符，则应寻找原因，再次设计并实践、检验，直至合理。

该课时的评价可运用量表和实践两种方式分别进行过程性评价和结果性评价，具体如下。

量表评价：在学生进行刻度标注的过程中，对“需要标注哪些刻度”“怎样的标注才算合适”等问题，学生的思路并不清晰，此时教师可借助量表（如表2所示），指引学生明确刻度标注的要求，从而完成刻度的标注，并评价自己的标注是否恰当。

表2 “标注杆秤刻度”评价量表

实践评价：在完成刻度标注后，为评价每个学生的标注是否正确，可让所有小组测量相同质量的钩码，当所有小组测量得出的数据均与真实质量一致时，则说明刻度标注是正确的。

通过以上双重评价，学生可明确问题解决的方法，并评判解决的结果。

4.科学原理是建构三维问题解决模型的理论依据

在三维问题解决模型中，学生学习的直接目的是解决实际问题，教学目标是核心素养的提升。科学原理既是核心素养的载体，又能为问题解决提供理论指导。在科学原理的指导下，我们能更便捷、精准、高效地找到问题的解决途径。

在使用各自标注的杆秤测量相同钩码的质量后，笔者引导学生通过比对各自的标注发现“量程不同、最小刻度不同，相同示数所在位置不同”，然后提出问题“在不同标注的情况下，却可以得到相同且正确的测量结果，这背后蕴藏的科学原理是什么呢”，让学生对杆秤水平平衡的条件进行猜想和验证。在使用杆秤进行第一次验证时，由于零刻度不在提纽处，检验后，学生发现结果与猜想不符，由此引出对“排除杆秤自重对实验的影响”的研究。在排除杆秤自重影响后，学生重新进行实验（为简化计算，改用钩码进行实验），进而得出杆秤水平平衡时的条件：“m1l1＝m2l2”。随后，学生使用自制杆秤测量一个苹果的质量，发现量程不足，由此引发新需求：“增大自制杆秤的量程”。在“m1l1＝m2l2”这一科学原理的指引下，学生发现增大量程有三种方法：增大m2、增大l2、减小l1。在兼顾使用与携带方便的情况下，学生选择了“减小l1”这一方法。由此可见，运用科学原理指导技术改进，可使学生明确迭代方向。

三、三维问题解决模型的价值

（一）活动上的真实性

真实的活动有利于激发学生的学习兴趣，使其在解决劣构情境问题的过程中，引发探索改进的需求。如学生在利用杆秤进行杠杆平衡条件实验时，发现失败的原因是杆秤自重对实验造成了干扰，明确了排除重力干扰对实验的重要性，进而思考排除重力对实验干扰的方式。在真实的情境中，经过试错、分析、改进，学生可提升思维水平。

（二）思维上的连贯性

连贯的课堂，不仅需要连贯的情境，更需要学生思维的连贯。运用三维问题解决模型进行的课堂教学，从需求切入，在技术的不断迭代中，引导学生不断思考、不断深入。它以技术迭代为线，引导学生经历由分析到归纳再到建模，最后到应用模型解决问题的过程，能实现思维上的连贯性。

（三）理解上的深刻性

概念、原理的理解是学生学习的主要目标之一。在运用三维问题解决模型进行课堂教学时，学生在需求的引领下，通过技术的设计、实践，探索与应用科学原理，经历概念建立和原理获得的过程，挖掘出科学原理的内涵，最终形成对概念和原理的深刻理解。