物理常态课融合技术与工程实践的有效尝试

摘" 要：以“质量的测量”为例，在物理常态课中融合技术与工程实践时，教师首先需要明确辨析科学、技术与工程实践的内涵与范畴，进而建构一个从“理解科学”到建造人工世界、基于物理常态课“技术与工程实践”教学实践的模型。这一过程中，技术与工程实践应着重体现行为学习、社会学习和认知学习三方面的综合内涵。唯有建立起符合技术与工程实践自身特征的行为逻辑、社会性建构机制以及认知发展过程，方能使教学目标准确对接科学课程核心素养要求，从而达到有效实践的教学目的。

关键词：物理常态课；技术与工程实践；质量的测量；天平

基金项目：本文系温州市中小学校科技创新项目“‘瓶’繁世界——塑料瓶系列”（课题编号：2020ZXX06）的阶段性研究成果。

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）在“培养什么样的人”方面提出包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任

在内的科学课程核心素养［1］，在“怎么培养人”方面提出了13个学科核心概念和4个跨学科概念的课程内容。

在13个学科核心概念中，有2个指向技术与工程实践，分别是“技术、工程与社会”和“工程设计与物化”，在包括技术与工程实践在内的13个学科大概念基础上进一步建构“物质与能量”“结构与功能”“系统与模型”“稳定与变化”4个跨学科概念。［2］《课程标准》在课程目标、课程内容等方面做了较大的改变，包括课程理念、课程结构化的体现方式在内的调整，从课程顶层设计上引领课程实践变革。STEM教育、社会性科学议题以及当下推进与实践的项目式学习等，都是学习技术与工程实践的重要路径。

物理常态课应

基于学生已有知识经验和认知水平，综合利用学科核心概念和跨学科概念，通过跨学科综合实践，解决真实情境中的技术与工程问题。［3］

将技术与工程实践融入基于传统学科核心概念的常态课中，是学习技术与工程实践部分的有效路径。以“质量的测量”为例，浙教版科学七年级上册第4章第2节“质量的测量”包括“质量的概念”和“天平的使用”两部分内容［4］，本文旨在通过这一常态课，将技术与工程实践的理念融入其中。在学习如何测量物体质量的过程中，学生需解决“在受限条件下能验证物体的质量”这一问题，通过该实践过程，他们将深刻理解天平主要结构的建构和功能。进一步地，学生通过设计“在受限条件下测量未知不同物体质量”的方案，并对设计方案进行优化，最终解决物体质量的测量问题，从而深刻理解质量的概念和天平的结构与原理。

1" 物理常态课中的STS之间的相互关系

1.1" 辨析STS关系

科学、技术与工程实践（STS）之间的关系如表1所示。

1.2" 呈现STS实例

在“质量的测量”常态课中，建构质量的概念（包括对天平结构、功能和使用方法的理解）就是对“宏观物质都具有质量”的物质观的建构，从而深入理解质量概念的内涵。质量概念的建构，是在真实情境下，通过建构一台简易天平作为目标路径来达成的。在深刻理解质量概念（属于理解科学范畴）的基础上，笔者设计了一台能测量物质质量的天平，并通过设计、制作、实验探究等方式，最终制作出一台天平（属于技术与工程实践范畴），且能利用其称量实际物体的质量。

1.3" 构建STS模型

从“理解质量概念”这一对自然世界深入探索的起点出发，本文通过技术与工程实践，建构起了天平模型，形成了基于物理常态课“技术与工程实践”的教学实践模型（见图1）。

2" 物理常态课中实践STS的核心素养

2.1" 物理常态课的本质追求

物理常态课基于对科学核心概念的学习，促使学生形成对核心概念本身和学习过程的深度理解，从而指向科学课程核心素养的提高。深度理解科学核心概念及学习过程，需要在真实情境中解决真实问题。《课程标准》中涉及技术与工程实践部分的两个学科核心概念，不单是“深度理解”的对象，也是指向提升核心素养的有效学习路径。［5］

2.2" 科学课程核心素养的目标实践路径

科学课程核心素养包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任四个维度，四者不是单纯的并列关系，而是相互交融、相互依存的关系（见图2）。

探究实践是建构科学观念、发展科学思维、培养态度责任的路径和载体，而技术与工程实践活动正是探究实践的重要形式。因此，技术与工程实践（如构建天平模型来测量物体的质量）是发展包括探究实践能力在内的科学课程核心素养的重要路径。

2.3" 技术与工程实践的具体目标

“质量的测量”作为物理常态课的重要内容，其核心的课堂学习任务是理解质量概念，包括对质量概念本身的理解和通过有效路径来理解的过程。虽然通过技术与工程实践来“建构天平模型”并不是该课时的主要任务；但通过“建构天平模型”活动，学生能深入理解天平的结构特点，并通过理解天平的结构及功能，进一步感受以天平为代表的测量工具在技术发明与工程建造过程中对人们生活、生产以及社会发展带来的影响。这一过程充分体现了“理解质量概念”与“建构天平模型”之间的关系。当然，通过“建构天平模型”来深度“理解质量概念”，首先需要有明确的问题导向，即建构一个能称量未知质量物体的装置；其次，要围绕问题解决进行深入而持续的探究。后一个过程不仅能调动学生已有的知识和能力，还能让学生深刻理解质量概念，并深刻理解天平的结构、功能及其使用方法。通过这样的过程，还能进一步建构“结构与功能”“系统与模型”等跨学科概念。基于技术与工程实践解决问题的有效路径，物理常态课中实践STS的科学课程核心素养目标如表2所示。

3" 物理常态课中的技术与工程实践

物理常态课通过技术与工程实践活动来创造一个人工世界，即物化产品。在此过程中，设计与物化是重要环节。技术与工程实践本身既是学科核心概念，也是课程内容的重要组成部分。同时，它们还是核心概念的学习过程。本文以“质量的测量”为例，通过建构天平模型来帮助学生深刻理解质量概念和天平结构与功能，从而深刻理解学科核心概念。

3.1" 技术与工程实践的内涵与表达

科学探究在实践过程中逐渐被窄化为简单的操作路径。吸取了前者的经验教训后，技术与工程实践更加关注科学实践过程中产生知识的具体活动。为了更加清晰地描述科学探究中的活动类型，本文从技术与工程实践的完整过程出发，根据学习心理学理论，将学生需要参与的活动划分为行为学习、社会学习和认知学习三个领域，技术与工程实践的内涵示意图如图3所示。

设计与物化的过程指向学生外在的行为学习。在技术与工程实践活动过程中，我们往往很容易把图3中行为学习的六大路径等同于技术与工程实践的内涵，从而忽略了学习过程最重要的“合作”与“交流”这两个要素。换言之，技术与工程实践是通过学生外显的行为活动来体现的，但这并非技术与工程实践内涵的全部。技术与工程实践的本质追求是理解科学概念，或应用科学理论来解释现象，故还需要在外显的行为学习活动中凸显社会性意义建构，激发学生的认知活动，从而达成课程目标。

3.2" 技术与工程实践的路径与框架

技术与工程实践首先要解决的就是界定问题。在“质量的测量”案例中，需要界定的问题是，如何用提供的材料制作一个能测量物体质量的装置。这个真实的问题需要在受限条件下，利用技术与工程实践活动去解决。受限条件包括只能利用教师提供的材料、七年级学生尚未系统地学习杠杆知识等。虽然最后物化的天平模型只能够测量与砝码质量相等的物体的质量，但可以通过迭代来完善天平模型，以测量与砝码质量不相等的物体的质量。

基于这样的任务，学生需要通过合作交流的方式，提出多种可能的解决方案，并在测量过程中发现问题并进行优化，从而确定最佳方案。解决问题的过程，也是将设计方案物化的过程。通过物化天平模型过程，学生做出只能测量与砝码等质量物体的天平实物模型。如果想要解决“测量与砝码质量不相同的物体的质量”这一问题，就需要学生通过对问题进行评估，借助学习支架，发现杆秤、台秤等设计原理，在原有等臂杠杆上添加可移动的“秤砣”，以模拟游码的功能来解决“小质量”问题。另外，学生还需通过合作与交流来解决“精确度”等问题，不断对模型进行迭代改进。最后，学生将制作的天平模型与真实的天平进行结构和功能上的对比，从而深刻理解真实天平的结构、功能以及使用方法。

学生通过技术与工程实践学习“质量的测量”时，不仅能深刻理解质量的概念，还能更好地理解结构与功能、系统与模型等跨学科概念的内涵。基于技术与工程实践内涵，“质量的测量”的教学实践可按以下活动框架开展（见表3）。

2设计方案：利用木棒、铁架台、细线和刻度尺等设计一个等臂杠杆合作交流：

（1）为什么要调节平衡螺母

（2）巧克力和砝码挂上杠杆后，证明它们质量相等的证据是什么

（1）理解

调节平衡螺母使杠杆在水平位置平衡的目的

（2）基于对等臂杠杆的了解，理解等量替代的条件与作用

3实施计划：用刻度尺量出等臂，并用其验证巧克力的质量（1）小组合作，用提供的器材搭建等臂杠杆，并能从技术上改进以避免物体在杠杆上失衡掉落

（2）小组评价，交流“验证巧克力的质量为20克”的证据以及操作的要点（1）通过合作与交流，理解等臂的原因

（2）解决疑问：在操作时如何避免物体容易掉落，如何更容易判断杠杆水平平衡，如何更好地称量其他物体的质量

4检验作品：称量一个苹果的质量（1）小组合作，发现用原有天平模型和给定砝码无法测出苹果的质量

（2）结合杆秤、台秤等工具作为学习支架，讨论在杠杆上加可移动“秤砣”来解决问题的可能性（1）在检验杠杆模型过程中，发现新问题并加以解决，体验与理解天平中的游码的结构与功能

（2）基于学生遇到的新问题，教师适当提供学习支架帮助学生解决这些问题5改进细节：改进并迭代天平模型

（1）通过合作与交流，利用已知质量的小物体和“游码”标定不等臂情况下的刻度

（2）验证标定刻度的准确性

（3）解决提高天平精确度的迭代设计

（1）在建造天平模型解决测量真实苹果的质量的过程中发现问题，从学习支架中类比和迁移来解决问题

（2）通过在杠杆上刻质量刻度来解决精确度问题，并提出创造性的解决策略

6发布成果：对比天平模型与真实天平的结构、功能（1）合作学习，建构天平模型与托盘天平结构对照，说出它们的使用方法和相应功能

（2）小组汇报，并向全班汇报与评价（1）在成果汇报过程中进行批判性的评价，提出产品的优点与缺陷，以及评价的证据

（2）通过评价天平模型的结构、功能和使用方法，深刻理解质量概念和天平的原理

3.3" 技术与工程实践的特征与举隅

从课程、教师、学生三个角度来看，技术与工程实践的物理常态课至少有如下四个明显的特征。

3.3.1" 技术与工程实践常态课堂的本质追求是理解科学技术与工程实践的常态课，往往以技术与工程实践作为载体与路径，本质上是为了促进学生对科学概念、定律、原理等的理解，或者帮助学生形成科学理论体系去解释自然或人类世界。如“质量的测量”中利用天平测量物体的质量，本质上就是为了让学生理解天平的结构、功能及使用方法。

3.3.2" 技术与工程实践常态课堂的重大关切是重视体验技术与工程实践的常态课主要通过开展科学实践活动，让学生深刻理解技术与工程实践本身、对课堂本质上要求理解的科学概念有直接经验。技术与工程实践重视体验，要求学生通过身体与外界进行互动，使得学生能在合作与交流中、在各种亲自操作和实践活动中进行学习。这样就能使学生的感性因素充分参与课堂活动中，使学生的感性认识与理性认识通过体验相结合，促进学生的科学理解。

3.3.3" 技术与工程实践常态课堂的核心路径是开展实践科学课程核心素养中的“探究实践”指向科学探究、技术与工程实践和自主学习三个关键能力。其中

技术与工程实践能力指向的就是技术与工程实践，体现在了解技术与工程实践的一般过程和方法，针对实际需要明确问题，提出有创意的方案，并根据科学原理或限制条件进行筛选；实施计划，利用工具和材料进行加工制作；根据实际效果进行修改迭代；用自制的简单装置及实物模型验证或展示某些原理、现象和设想。［6］

3.3.4" 技术与工程实践常态课堂的组织形式是合作交流

建构主义学习理论最终要达成意义建构的目的，需要以真实情境背景下的合作与交流作为课堂活动的中心。［7］本文中的“真实情境”就是指技术与工程实践，在其背景下通过社会性学习活动来组织常态课堂。课堂中的每个实践活动都是在合作与交流中发生的。

物理常态课中适应技术与工程实践、科学实践的部分，是那些通过仪器或工具的建构进行学习的内容，以及在教材中出现的仪器或工具的基础上改良、完善与迭代产品。教材中除了天平的建构以外，还有温度计、弹簧测力计、液体压强计、密度计、电流表、电压表、电度表等仪器的建构；还有基于改进与迭代的测酒精度数的仪器、利用各种各样原理测液体密度的仪器［8］、利用敏感电阻（力敏、光敏、热敏、湿敏等）和电磁继电器设计的自动控制电路以及整合上述多种结构建造各种功能的产品等。

参考文献

［1］［2］［5］［6］中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022：4-6，16，90-111，5．

［3］胡卫平.在探究实践中培育科学素养——义务教育科学课程标准（2022年版）解读［J］.基础教育课程，2022（10）：39-45．

［4］朱清时.义务教育教科书" 科学" 七年级上册［M］.杭州：浙江教育出版社，2012：129-133．

［7］蔡呈腾.基于“证据—推理”的科学概念建构实践——以“浮力”教学为例［J］.物理教学，2022，44（9）：42-46，56．

［8］蔡呈腾.基于STEM教育理念的核心概念课程开发举隅［J］.教学月刊·中学版（教学参考），2019（Z2）：26-31．