關(guān)聯(lián)技術(shù)與科學(xué)的初中物理跨學(xué)科實踐研究

摘 要：“物理學(xué)與工程實踐”是《義務(wù)教育物理課程標準（2022年版）》提出的二級主題，屬于“跨學(xué)科實踐”這一一級主題，是提升學(xué)生核心素養(yǎng)的重要方式。在教學(xué)中，教師可通過明確需求、革新技術(shù)、探索原理、迭代升級等實踐過程，讓學(xué)生在學(xué)習科學(xué)概念的同時，經(jīng)歷質(zhì)疑、批判、創(chuàng)新等思維過程，理解技術(shù)與科學(xué)之間的關(guān)系，從而豐富創(chuàng)新人才培育的素材。

關(guān)鍵詞：技術(shù)；科學(xué)；跨學(xué)科實踐

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

1 歷史背景

交易是人們生活中不可或缺的環(huán)節(jié)。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(quán)衡作為稱重器具。權(quán)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(cè)掛被稱物，另一側(cè)掛權(quán)。每一副權(quán)衡都有一組權(quán)，改變權(quán)的重量，可以稱量不同物品的重量。然而，權(quán)衡的使用過程較為耗時，且權(quán)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(quán)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(fā)，為了確保交易的公平，自制了當時的“桿秤”。數(shù)百年后，古希臘的阿基米德發(fā)現(xiàn)了杠桿平衡原理，而幾乎同時，中國的《墨經(jīng)》也探討了力學(xué)，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(fā)現(xiàn)以及《墨經(jīng)》的智慧，共同構(gòu)成了人類文明史上關(guān)于公平與智慧的璀璨篇章。

2 教學(xué)實踐

需求、技術(shù)和科學(xué)，三者之間本身存在著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)。需求是技術(shù)和科學(xué)產(chǎn)生的動機，是問題的具體體現(xiàn)；技術(shù)是科學(xué)和需求之間的橋梁，是問題解決的手段；科學(xué)是技術(shù)發(fā)展的理論依據(jù)，為技術(shù)改進指明方向。^［2］“制作桿秤”的教學(xué)內(nèi)容框架如圖1所示。

2.1 分析天平初質(zhì)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(dǎo)學(xué)生回顧天平的結(jié)構(gòu)及其使用方法，根據(jù)杠桿的原理分析天平的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，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(dǎo)學(xué)生思考：“既然使用天平進行交易能實現(xiàn)公平，那么為什么它不被人們廣泛使用呢？”通過討論，學(xué)生得出結(jié)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(zhì)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(shù)量，擴大測量范圍”的技術(shù)改進方向。

設(shè)計意圖：因為學(xué)生對杠桿的認知參差不齊，教師創(chuàng)設(shè)情境讓學(xué)生主動參與學(xué)習。教師引導(dǎo)學(xué)生回憶天平的使用及其主要結(jié)構(gòu)，以統(tǒng)一學(xué)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(huán)境，帶領(lǐng)學(xué)生走入課題，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合當時的歷史背景，運用批判性思維分析天平的優(yōu)劣。這旨在讓學(xué)生理解技術(shù)發(fā)展的需求和必然，激活自身已有經(jīng)驗，以需求探索技術(shù)的發(fā)展。

2.2 應(yīng)對需求初改進，革新技術(shù)

根據(jù)天平存在的問題，教師提出“改進天平以測量一個人的質(zhì)量”的任務(wù)。學(xué)生根據(jù)之前分析所明確的技術(shù)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(xué)生的質(zhì)量。測量時可以實現(xiàn)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(shù)，由此引發(fā)“標刻度”任務(wù)。學(xué)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(xué)生使用自己標注刻度的桿秤進行驗證測量。

設(shè)計意圖：依據(jù)生活經(jīng)驗和對杠桿相關(guān)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(wù)，讓學(xué)生體驗技術(shù)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(xué)生可以直觀感受到杠桿五要素之間的聯(lián)系，進而實現(xiàn)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(xù)杠桿平衡條件的提出做鋪墊，也可以讓學(xué)生初步感受到技術(shù)背后蘊含著科學(xué)。

2.3 真實體驗引沖突，探究科學(xué)

教師由“大家的測量結(jié)果是相同的”這一實驗結(jié)果引導(dǎo)學(xué)生思考：“大家的刻度標注情況是一樣的嗎？”通過對比發(fā)現(xiàn)，不同小組所標注刻度每10克之間的間距不盡相同，由此學(xué)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(jié)果，這背后隱藏著什么科學(xué)原理呢？”學(xué)生通過回憶天平的結(jié)構(gòu)、桿秤改進的設(shè)計、標注刻度時的體驗這三個方面的內(nèi)容，猜想物體的質(zhì)量m_a、物體到提紐的距離lAO、秤砣的質(zhì)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(guān)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(xué)生直接用已標注刻度的桿秤進行實驗并記錄，分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)“m_a×lAO＝m_b×lBO”不成立。學(xué)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(xué)生運用所得結(jié)論分析“不法商販用拉拽物體的方式使讀數(shù)變大”，從而認識到影響桿秤平衡的不是質(zhì)量，而是力。在使用彎曲的桿秤測量一個鉤碼的質(zhì)量時，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)測得的數(shù)據(jù)偏大，進而，教師引導(dǎo)學(xué)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(yīng)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(xué)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(xué)生可以認識到桿秤這一技術(shù)產(chǎn)品背后的科學(xué)原理是杠桿平衡條件。

設(shè)計意圖：教師充分利用測量結(jié)果相同而刻度標注不同這一事實，引發(fā)學(xué)生認知沖突，激發(fā)學(xué)生探索技術(shù)背后所蘊藏的科學(xué)的興趣，并讓學(xué)生體會技術(shù)與科學(xué)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。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(xué)生了解到實驗中排除桿秤自重的重要性，并實現(xiàn)從力到作用點的距離至力臂的有效進階，從而建構(gòu)杠桿平衡的模型，完善關(guān)于杠桿的認知體系。巧妙地利用技術(shù)手段探究科學(xué)原理，并且利用探知的科學(xué)原理修正技術(shù)，這一過程展示了技術(shù)能幫助科學(xué)發(fā)現(xiàn)，科學(xué)能指導(dǎo)技術(shù)的修正。

2.4 依托科學(xué)再升級，迭代技術(shù)

在完成桿秤制作并探明其背后蘊含的科學(xué)原理之后，教師讓學(xué)生使用自制的桿秤測量一個蘋果的質(zhì)量。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，由于桿秤量程過小，無法測出一個蘋果的質(zhì)量。這引發(fā)了“升級桿秤”的需求?；诟軛U平衡條件，學(xué)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(xué)生可以發(fā)現(xiàn)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(dǎo)致秤砣質(zhì)量過大，不便于攜帶；而增大lBO，會導(dǎo)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(zhì)量”這一任務(wù)，即“將桿秤改得更精準”的需求。學(xué)生通過思考討論后得出：應(yīng)當增大lAO和減小m_b。依據(jù)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(xué)生通過總結(jié)，梳理杠桿知識，領(lǐng)會技術(shù)和科學(xué)之間的關(guān)系。

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

3 反思

技術(shù)、工程、科學(xué)之間存在著緊密的聯(lián)系。簡單技術(shù)的出現(xiàn)可能無需科學(xué)的指引，但復(fù)雜技術(shù)的實現(xiàn)則需要在科學(xué)的指引下進行。在實際教學(xué)中，課堂上難以完成復(fù)雜技術(shù)的設(shè)計和實施，因此教師可引導(dǎo)學(xué)生在科學(xué)原理指導(dǎo)下，對簡單技術(shù)進行改進和創(chuàng)新，幫助學(xué)生厘清技術(shù)與科學(xué)之間的關(guān)系。在關(guān)注概念本身的建構(gòu)、技術(shù)和工程本身的教學(xué)的同時，教師還應(yīng)注意依托技術(shù)與工程實踐，落實物理概念教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，將物理課程變成一個有機的整體，借力技術(shù)與工程的載體，有效培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

參考文獻

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

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