沙立國 夏承俊 楊封友|浙江省杭州市保俶塔實(shí)驗(yàn)學(xué)校

科學(xué)是對自然界和主宰自然界的定律的研究，而技術(shù)則是利用人類的知識來發(fā)明人們所需要的新產(chǎn)品［1］。運(yùn)用科學(xué)知識解決問題，必然需要應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022 年版）》將技術(shù)與工程實(shí)踐能力定為初中生需要具備的關(guān)鍵能力之一。浙教版義務(wù)教育教科書《科學(xué)》（以下簡稱“浙教版《科學(xué)》”）除了在各章節(jié)內(nèi)容中對此有所滲透外，還在部分章節(jié)中專門設(shè)置了“科學(xué)、技術(shù)、社會、環(huán)境”板塊。教學(xué)時(shí)，教師可基于技術(shù)改進(jìn)，建構(gòu)問題解決、技術(shù)和科學(xué)之間的關(guān)聯(lián)，幫助學(xué)生培養(yǎng)技術(shù)與工程實(shí)踐能力，提升問題解決能力，實(shí)現(xiàn)素養(yǎng)發(fā)展。

一、三維問題解決模型的內(nèi)涵

問題解決是一種受目標(biāo)指引的認(rèn)知性操作序列［2］，由此我們可對問題解決作進(jìn)一步的解讀和演繹，其中“目標(biāo)指引”即是一種“需求”，“操作序列”需要“技術(shù)”來實(shí)現(xiàn)，“認(rèn)知性”則需要由“科學(xué)”來支撐。

基于技術(shù)改進(jìn)的實(shí)踐，能有效培養(yǎng)學(xué)生解決問題和應(yīng)對挑戰(zhàn)的能力。同時(shí)在實(shí)踐中，學(xué)生也能加深對科學(xué)原理的理解和應(yīng)用。技術(shù)對科學(xué)有促進(jìn)作用，科學(xué)能為技術(shù)發(fā)明和改進(jìn)指明方向，讓技術(shù)發(fā)明和技術(shù)改進(jìn)更有效率。在技術(shù)改進(jìn)的實(shí)踐中，學(xué)生首先需要明確需求，了解原有技術(shù)，分析其優(yōu)缺點(diǎn)，然后應(yīng)用已有的知識和認(rèn)知設(shè)計(jì)方案，初步彌補(bǔ)原有技術(shù)的不足并探索其中的科學(xué)原理。基于此，學(xué)生可以運(yùn)用科學(xué)原理對初步方案進(jìn)行迭代升級，擴(kuò)大其適用范圍，在一定程度上解決問題。在這個(gè)過程中，學(xué)生會經(jīng)歷回顧、分析、創(chuàng)造、探究、迭代等環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都會推動其思維層次躍升。因此，我們可通過技術(shù)改進(jìn)的實(shí)踐活動，為學(xué)生提供更多機(jī)會鍛煉創(chuàng)新思維，發(fā)展核心素養(yǎng)。這將有助于學(xué)生在未來面對各種問題和挑戰(zhàn)時(shí)，能夠靈活運(yùn)用知識和技能，找到創(chuàng)新的解決方案。

需求往往基于生活或歷史真實(shí)問題出現(xiàn)，是問題解決的具體任務(wù)。在問題解決的過程中，需要涉及技術(shù)的設(shè)計(jì)、實(shí)踐、改進(jìn)等環(huán)節(jié)。而為更好地達(dá)成技術(shù)的迭代升級，則需要了解技術(shù)背后蘊(yùn)藏的科學(xué)原理，并在科學(xué)原理的指導(dǎo)下，有效完成技術(shù)的迭代，擴(kuò)大技術(shù)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用前景。因此，在技術(shù)和科學(xué)的互相印證中，讓學(xué)生經(jīng)歷分析、猜測、實(shí)踐、驗(yàn)證、改進(jìn)等環(huán)節(jié)，可加深其對技術(shù)和相關(guān)科學(xué)觀念的理解，提升核心素養(yǎng)。由此可建構(gòu)三維問題解決模型，其框架如圖1所示。

圖1 三維問題解決模型框架

二、三維問題解決模型的實(shí)踐

浙教版《科學(xué)》九年級上冊第3 章第4 節(jié)《簡單機(jī)械》分為杠桿、滑輪、機(jī)械效率三個(gè)部分，其中杠桿部分為第1課時(shí)，包含杠桿、研究杠桿的平衡、杠桿的應(yīng)用三個(gè)內(nèi)容，教材中的呈現(xiàn)順序?yàn)椋荷钪械某Ｒ姼軛U→尋找杠桿的共同特征→杠桿的定義→杠桿的五要素→人體中的杠桿→杠桿平衡條件→杠桿的分類和計(jì)算。下面，筆者以《簡單機(jī)械》第1課時(shí)為例，具體說明三維問題解決模型在教學(xué)中的實(shí)踐。

（一）融合課標(biāo)要求設(shè)置教學(xué)目標(biāo)

運(yùn)用三維問題解決模型進(jìn)行教學(xué)時(shí)，教師要基于對課標(biāo)的深度解讀和融合來設(shè)置教學(xué)目標(biāo)。由于該課時(shí)涉及技術(shù)和科學(xué)，因此教師既要參考傳統(tǒng)的教學(xué)要求，也要關(guān)注技術(shù)、工程與社會方面的要求。《簡單機(jī)械》第1課時(shí)涉及的課標(biāo)要求如表1所示。

表1 《簡單機(jī)械》第1課時(shí)涉及的課標(biāo)要求

由表1可知，以跨學(xué)科概念“系統(tǒng)與模型”“穩(wěn)定與變化”為引領(lǐng)，立足學(xué)科核心概念“能的轉(zhuǎn)化與能量守恒”“技術(shù)、工程與社會”，并兼顧教材的內(nèi)容設(shè)置，《簡單機(jī)械》第1課時(shí)的教學(xué)目標(biāo)可設(shè)計(jì)如下。

（1）通過桿秤的逐步改進(jìn)，能說出水平平衡杠桿的五要素，初步建構(gòu)杠桿模型。

（2）通過桿秤水平平衡原理探索，掌握杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)的操作，知道杠桿穩(wěn)定與五要素變化的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

（3）通過超量程物體的稱量，學(xué)會利用杠桿模型解決常見的問題，能制作把科學(xué)原理轉(zhuǎn)化為技術(shù)產(chǎn)品的簡單裝置。

（二）結(jié)合模型特點(diǎn)設(shè)置教學(xué)內(nèi)容

在三維問題解決模型中，需求、技術(shù)和科學(xué)之間存在著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)。需求，是技術(shù)和科學(xué)產(chǎn)生的動機(jī)，是問題的具體任務(wù)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)，能為問題解決指引方向，是技術(shù)發(fā)展的理論依據(jù)。因此，對《簡單機(jī)械》第1課時(shí)的教學(xué)內(nèi)容，筆者從需求、技術(shù)和科學(xué)三個(gè)維度來落實(shí)，其框架如圖2所示。

圖2 《簡單機(jī)械》第1課時(shí)教學(xué)內(nèi)容框架

（三）依托模型要素引導(dǎo)學(xué)習(xí)過程

1.需求解決是建構(gòu)三維問題解決模型的線索引領(lǐng)

三維問題解決模型是圍繞著問題解決而建構(gòu)的。該模型通過將大問題轉(zhuǎn)化為大需求，再分解為小需求，并在科學(xué)指導(dǎo)下運(yùn)用技術(shù)解決小需求，從而實(shí)現(xiàn)大問題的解決。

該課時(shí)涉及的核心知識是杠桿五要素、杠桿平衡條件，核心問題是交易公平的推廣。教學(xué)時(shí)，筆者從交易公平的需求出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生從使用方便、測量范圍等方面探索天平在日常交易中無法推廣的原因，引發(fā)其改進(jìn)天平的需求。然后，筆者要求學(xué)生根據(jù)無法推廣的原因，在沒有科學(xué)依據(jù)的情況下，根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)，將天平改進(jìn)為桿秤，并解決改進(jìn)過程中出現(xiàn)的各種需求。

2.實(shí)踐體驗(yàn)是建構(gòu)三維問題解決模型的推進(jìn)方式

三維問題解決模型的核心是問題解決，問題必須在實(shí)踐中解決。只有通過實(shí)踐，我們才能知道設(shè)想是否正確、方案是否可行、預(yù)測是否準(zhǔn)確，而實(shí)踐又是技術(shù)的具體體現(xiàn)。在實(shí)踐體驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)技術(shù)的不足，學(xué)生就會產(chǎn)生改進(jìn)技術(shù)的需求，并明確技術(shù)改進(jìn)的方向，尋找并發(fā)現(xiàn)問題解決的途徑。

根據(jù)教學(xué)內(nèi)容框架，筆者通過四個(gè)實(shí)踐推進(jìn)教學(xué)，具體如下。

實(shí)踐一：在學(xué)生提出桿秤的模型之后，運(yùn)用由長桿、書包（作為秤砣）、麻繩（作為提紐）等材料自制的簡易桿秤測量某學(xué)生的質(zhì)量。

實(shí)踐二：發(fā)現(xiàn)桿秤可以實(shí)現(xiàn)水平平衡，但由于沒有刻度，無法進(jìn)行讀數(shù)，進(jìn)而進(jìn)入刻度標(biāo)注環(huán)節(jié)，并借助砝碼進(jìn)行刻度標(biāo)注。

實(shí)踐三：標(biāo)注刻度后，測量鉤碼質(zhì)量。

實(shí)踐四：測量蘋果質(zhì)量。（讓學(xué)生在實(shí)踐體驗(yàn)中解決當(dāng)前需求并觸發(fā)新需求，不斷推進(jìn)教學(xué)）

3.雙重評價(jià)是建構(gòu)三維問題解決模型的實(shí)踐標(biāo)準(zhǔn)

對三維問題解決模型課堂中的實(shí)踐開展過程，可通過量表進(jìn)行過程性評價(jià)，量表的種類可根據(jù)課堂需求選擇。對實(shí)踐開展的結(jié)果性評價(jià)，可通過實(shí)際的使用進(jìn)行評判，若發(fā)現(xiàn)實(shí)踐結(jié)果與預(yù)期不符，則應(yīng)尋找原因，再次設(shè)計(jì)并實(shí)踐、檢驗(yàn)，直至合理。

該課時(shí)的評價(jià)可運(yùn)用量表和實(shí)踐兩種方式分別進(jìn)行過程性評價(jià)和結(jié)果性評價(jià)，具體如下。

量表評價(jià)：在學(xué)生進(jìn)行刻度標(biāo)注的過程中，對“需要標(biāo)注哪些刻度”“怎樣的標(biāo)注才算合適”等問題，學(xué)生的思路并不清晰，此時(shí)教師可借助量表（如表2所示），指引學(xué)生明確刻度標(biāo)注的要求，從而完成刻度的標(biāo)注，并評價(jià)自己的標(biāo)注是否恰當(dāng)。

表2 “標(biāo)注桿秤刻度”評價(jià)量表

實(shí)踐評價(jià)：在完成刻度標(biāo)注后，為評價(jià)每個(gè)學(xué)生的標(biāo)注是否正確，可讓所有小組測量相同質(zhì)量的鉤碼，當(dāng)所有小組測量得出的數(shù)據(jù)均與真實(shí)質(zhì)量一致時(shí)，則說明刻度標(biāo)注是正確的。

通過以上雙重評價(jià)，學(xué)生可明確問題解決的方法，并評判解決的結(jié)果。

4.科學(xué)原理是建構(gòu)三維問題解決模型的理論依據(jù)

在三維問題解決模型中，學(xué)生學(xué)習(xí)的直接目的是解決實(shí)際問題，教學(xué)目標(biāo)是核心素養(yǎng)的提升?？茖W(xué)原理既是核心素養(yǎng)的載體，又能為問題解決提供理論指導(dǎo)。在科學(xué)原理的指導(dǎo)下，我們能更便捷、精準(zhǔn)、高效地找到問題的解決途徑。

在使用各自標(biāo)注的桿秤測量相同鉤碼的質(zhì)量后，筆者引導(dǎo)學(xué)生通過比對各自的標(biāo)注發(fā)現(xiàn)“量程不同、最小刻度不同，相同示數(shù)所在位置不同”，然后提出問題“在不同標(biāo)注的情況下，卻可以得到相同且正確的測量結(jié)果，這背后蘊(yùn)藏的科學(xué)原理是什么呢”，讓學(xué)生對桿秤水平平衡的條件進(jìn)行猜想和驗(yàn)證。在使用桿秤進(jìn)行第一次驗(yàn)證時(shí)，由于零刻度不在提紐處，檢驗(yàn)后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)結(jié)果與猜想不符，由此引出對“排除桿秤自重對實(shí)驗(yàn)的影響”的研究。在排除桿秤自重影響后，學(xué)生重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（為簡化計(jì)算，改用鉤碼進(jìn)行實(shí)驗(yàn)），進(jìn)而得出桿秤水平平衡時(shí)的條件：“m1l1＝m2l2”。隨后，學(xué)生使用自制桿秤測量一個(gè)蘋果的質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)量程不足，由此引發(fā)新需求：“增大自制桿秤的量程”。在“m1l1＝m2l2”這一科學(xué)原理的指引下，學(xué)生發(fā)現(xiàn)增大量程有三種方法：增大m2、增大l2、減小l1。在兼顧使用與攜帶方便的情況下，學(xué)生選擇了“減小l1”這一方法。由此可見，運(yùn)用科學(xué)原理指導(dǎo)技術(shù)改進(jìn)，可使學(xué)生明確迭代方向。

三、三維問題解決模型的價(jià)值

（一）活動上的真實(shí)性

真實(shí)的活動有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使其在解決劣構(gòu)情境問題的過程中，引發(fā)探索改進(jìn)的需求。如學(xué)生在利用桿秤進(jìn)行杠桿平衡條件實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)失敗的原因是桿秤自重對實(shí)驗(yàn)造成了干擾，明確了排除重力干擾對實(shí)驗(yàn)的重要性，進(jìn)而思考排除重力對實(shí)驗(yàn)干擾的方式。在真實(shí)的情境中，經(jīng)過試錯(cuò)、分析、改進(jìn)，學(xué)生可提升思維水平。

（二）思維上的連貫性

連貫的課堂，不僅需要連貫的情境，更需要學(xué)生思維的連貫。運(yùn)用三維問題解決模型進(jìn)行的課堂教學(xué)，從需求切入，在技術(shù)的不斷迭代中，引導(dǎo)學(xué)生不斷思考、不斷深入。它以技術(shù)迭代為線，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷由分析到歸納再到建模，最后到應(yīng)用模型解決問題的過程，能實(shí)現(xiàn)思維上的連貫性。

（三）理解上的深刻性

概念、原理的理解是學(xué)生學(xué)習(xí)的主要目標(biāo)之一。在運(yùn)用三維問題解決模型進(jìn)行課堂教學(xué)時(shí)，學(xué)生在需求的引領(lǐng)下，通過技術(shù)的設(shè)計(jì)、實(shí)踐，探索與應(yīng)用科學(xué)原理，經(jīng)歷概念建立和原理獲得的過程，挖掘出科學(xué)原理的內(nèi)涵，最終形成對概念和原理的深刻理解。