【摘" 要】 項(xiàng)目學(xué)習(xí)是培養(yǎng)學(xué)生工程與物理化學(xué)核心素養(yǎng)的重要途徑，以“液體密度的特殊測量方法”為主題的項(xiàng)目化研究貫穿整個(gè)初中階段，每個(gè)階段都圍繞學(xué)生所學(xué)的不同科學(xué)原理展開，在初中科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中占據(jù)著舉足輕重的地位。文章從梳理基礎(chǔ)知識入手，引出測量過程的本質(zhì)在于待測量與標(biāo)準(zhǔn)量之間的比較，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生形成“測量原理—測量方法—測量工具”的思維路徑，這也是制作測量工具的首要步驟。接著，通過將科學(xué)模型與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合，總結(jié)出確定測量工具的“0刻度”“標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)”“刻度變化規(guī)律”以及“最小刻度與量程”的方法，并據(jù)此構(gòu)建思維導(dǎo)圖。最后，通過變式練習(xí)與知識遷移，引導(dǎo)學(xué)生清晰把握測量工具的工程實(shí)踐過程與方法，從而有效提升學(xué)生的工程與物理化學(xué)核心素養(yǎng)。

【關(guān)鍵詞】 項(xiàng)目化學(xué)習(xí);問題導(dǎo)向;初三復(fù)習(xí);核心素養(yǎng)

一、問題背景

項(xiàng)目學(xué)習(xí)是指學(xué)生在一段時(shí)間內(nèi)，對與學(xué)科或跨學(xué)科相關(guān)的驅(qū)動性問題進(jìn)行深入持續(xù)的探索。在這一過程中，學(xué)生調(diào)動所有知識、能力和品質(zhì)，創(chuàng)造性地解決問題，并形成公開成果，從而深刻理解核心知識和學(xué)習(xí)歷程，且能夠在新情境中進(jìn)行知識遷移。制作新型密度測量工具的項(xiàng)目研究課貫穿整個(gè)初中階段，教師可以根據(jù)學(xué)生不同階段所學(xué)的科學(xué)原理，設(shè)計(jì)不同的測量方案，并不斷改進(jìn)、迭代。隨著中考命題立意向核心素養(yǎng)的轉(zhuǎn)變，項(xiàng)目化研究逐漸成為中考的熱點(diǎn)。通過項(xiàng)目化研究這一載體，中考更注重考查學(xué)生的科學(xué)觀念、科學(xué)思維等核心素養(yǎng)。因此，在初三復(fù)習(xí)階段，教師需要幫助學(xué)生跳出年級框架，打破章節(jié)限制，重塑初中三年的知識結(jié)構(gòu)，將教材中零散的知識點(diǎn)關(guān)聯(lián)起來，通過一個(gè)個(gè)項(xiàng)目化研究串聯(lián)起科學(xué)觀念與科學(xué)思維、科學(xué)原理與應(yīng)用技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)。

二、教學(xué)內(nèi)容

“制作新型密度測量工具”這一項(xiàng)目研究貫穿整個(gè)初中階段。在初中三年里，學(xué)生基于密度、力、阿基米德原理、杠桿等不同的科學(xué)原理，可以在不同年級設(shè)計(jì)出不同的密度計(jì)測量工具。如圖1所示，教師在不同年級可以實(shí)施一系列項(xiàng)目化學(xué)習(xí)課題。

目前，中考要求學(xué)生面對真實(shí)的情景和問題，能靈活地運(yùn)用二維方式表達(dá)三維空間的物體。會利用常見工具和材料，設(shè)計(jì)制作簡單的裝置，開展相關(guān)的技術(shù)與工程實(shí)踐。自制密度計(jì)是一道經(jīng)典的測量工具制作問題，其中包含了制作原理、器材的選擇、刻度的確定，制作并優(yōu)化工具等多方面的能力。

三、教學(xué)策略

要完成自制測量工具的制作，首先需要明確測量的本質(zhì)：測量是一個(gè)將待測量與公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較的過程，可以通過等體積比質(zhì)量或等質(zhì)量比體積的方法來比較物質(zhì)的密度。那么，如何實(shí)現(xiàn)等體積？如何實(shí)現(xiàn)等質(zhì)量？如何確定測量工具的設(shè)計(jì)？基于這些在設(shè)計(jì)過程中需要解決的關(guān)鍵知識點(diǎn)，教師可以通過設(shè)立基礎(chǔ)問題，面向全體學(xué)生，復(fù)習(xí)科學(xué)概念，鞏固低階思維。同時(shí)，通過設(shè)置進(jìn)階問題，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促使學(xué)生從低階思維過渡到高階思維。

在教學(xué)過程中，采用對比教學(xué)法，從科學(xué)原理、數(shù)學(xué)模型等不同角度對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對比，引導(dǎo)學(xué)生領(lǐng)悟科學(xué)原理與應(yīng)用技術(shù)之間的關(guān)聯(lián)。要實(shí)現(xiàn)工程物化，需要多學(xué)科、跨學(xué)科的結(jié)合，特別是函數(shù)思想、數(shù)形結(jié)合等數(shù)學(xué)思想在工具設(shè)計(jì)中起著重要作用。

四、教學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)錄

（一）梳理基礎(chǔ)知識，尋找工具與方法

設(shè)計(jì)目的：該組問題的設(shè)計(jì)基于面向全體學(xué)生，引導(dǎo)學(xué)生從基礎(chǔ)概念出發(fā)，認(rèn)識測量問題的本質(zhì)是一個(gè)比較的過程，引導(dǎo)學(xué)生嘗試從不同的角度進(jìn)行比較。結(jié)合初中階段的密度、重力、浮力、杠桿等力學(xué)基本知識，尋找物理量之間的聯(lián)系，建立起測量工具與待測量之間的關(guān)系：“待測量←原理—轉(zhuǎn)換→測量工具”，明確測量工作的制作原理。

基礎(chǔ)問題：密度的定義是什么？測量的原理是什么？需要測量哪些物理量？

進(jìn)階問題：還有哪些物理量可以建立與液體密度的聯(lián)系？

（二）明確科學(xué)原理，整合測量工具制作要素

1. 確定0刻度位置

設(shè)計(jì)目的：該組問題的設(shè)計(jì)，為了讓學(xué)生明確何為0刻度，不同的測量工具0刻度代表的意義是不同的。彈簧測力計(jì)的0刻度代表拉力為0，刻度尺的0刻度代表長度為0，而液體密度測量工具的0刻度位置代表無液體時(shí)，測量工具指示的刻度位置。不是每一種液體密度測量工具都有0刻度線。0刻度線不一定位于測量工具的端點(diǎn)。

基礎(chǔ)問題：嘗試確定各方案中液體密度計(jì)0刻度的位置？

進(jìn)階問題：比較四種方案中0刻度位置的異同，可以得到哪些信息？

學(xué)生總結(jié)：（1）不是每一種自制密度計(jì)都有0刻度線。（2）0刻度線與原測量工具0刻度不一定對齊。（3）0刻度線所在位置，可以根據(jù)測量原理及測量工具的規(guī)格進(jìn)行計(jì)算。

2. 確定“1”刻度位置

設(shè)計(jì)目的：標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)“1”的確定對測量工具的制作具有重要意義。質(zhì)量1千克，長度1米，溫度1攝氏度均是一個(gè)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。液體密度測量通常以水的密度1克/厘米3為標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。因此，自制液體密度計(jì)的1位置就是測量水的密度時(shí)，自制密度計(jì)刻度所在的位置。由計(jì)算可知，不同的自制密度計(jì)，0刻度及標(biāo)準(zhǔn)1刻度所在位置存在很大的差異。學(xué)生需要明確測量工具所采用的科學(xué)原理才能正確確定其刻度位置，是屬于對科學(xué)原理較高層級的應(yīng)用。

基礎(chǔ)問題：確定密度為1克/厘米3刻度線所在位置？

進(jìn)階問題：比較四種方案中1克/厘米3刻度位置的異同，可以得到哪些信息？

學(xué)生總結(jié)：（1）任何一個(gè)測量工具的制作均需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)。（2）液體密度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)1可能在0刻度的上方，也可能在0刻度下方。（3）標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)1的位置可因原理的改變而改變，也可因測量工具的規(guī)格而改變。

3. 確定刻度變化規(guī)律

設(shè)計(jì)目的：定出標(biāo)準(zhǔn)量位置后，確定更多數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)量之間的位置關(guān)系是對測量工具更深一步的探究。通過科學(xué)原理，建立各物理量之間的等量關(guān)系即建立物理量之間的科學(xué)模型，再結(jié)合數(shù)學(xué)知識，將科學(xué)模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，更容易辨析因變量與自變量之間的變化規(guī)律。這也是確定刻度變化規(guī)律的一般方法。在教學(xué)的過程中不斷地滲透“科學(xué)模型—數(shù)學(xué)模型”轉(zhuǎn)化的思想，有利于學(xué)生理解這種思想方法。

基礎(chǔ)問題：液體密度為0.9克/厘米3的刻度線應(yīng)該標(biāo)與1克/厘米3刻度線的何處？

進(jìn)階問題1：嘗試通過計(jì)算推導(dǎo)出測量值與ρ液之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

學(xué)生總結(jié)：0.9克/厘米3刻度線位置可能位于1克/厘米3刻度線上方或下方。測量值與ρ液的關(guān)系如表2。

進(jìn)階問題2：上述四種密度計(jì)的刻度是否均勻？

學(xué)生：方案一、三與方案四中，F(xiàn)拉與ρ液之間均為一次函數(shù)關(guān)系，可得密度計(jì)的刻度是均勻的，方案四中，V液與ρ液之間為反比例函數(shù)關(guān)系，可得密度計(jì)的刻度是不均勻的。

4. 平衡量程與精度

設(shè)計(jì)目的：測量工具都有一定的量程和精度。從溫度計(jì)的使用范圍到量取一定體積液體時(shí)量筒的選擇，都表明在選擇測量工具時(shí)，量程與精度具有重要意義。在自制測量工具時(shí)，需要根據(jù)測量需求，進(jìn)行制作。

基礎(chǔ)問題：確定方案一中，自制密度計(jì)的量程（空桶容積為V，質(zhì)量為G桶，彈簧測力計(jì)量程為F最大，最小刻度為F最小）

根據(jù)：F最大=G桶+ρ液最大gV" 可計(jì)算出ρ液的最大值。

進(jìn)階問題1：如何增大該密度計(jì)的測量范圍？

當(dāng)彈簧測力計(jì)量程無法改變的前提時(shí)，要增大密度計(jì)量程，可以減小桶的重力，或減小桶的容積;或在空桶不變的情況下，增加彈簧測力計(jì)的測量范圍。

進(jìn)階問題2：方案一，如何提高密度計(jì)的精度？

要提高精度即增加相鄰刻度間的距離，也就是增大相鄰刻度間的拉力差值。

ΔF=F1-F2=（G桶+ρ1gV）-（G桶+ρ2gV）=（ρ1-ρ2）gV

可見要提高密度計(jì)的精度，需要增大桶的容積。在這里增大精度和增大測量范圍，在桶容積的改變上是矛盾的。因此在實(shí)際使用時(shí)，需要根據(jù)具體需求來確定改進(jìn)的方法。這種情況在實(shí)際應(yīng)用過程中也非常常見，比如比重計(jì)與比輕計(jì)的設(shè)計(jì)就需要綜合考慮量程和精度的問題。

綜合以上四點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行總結(jié)和反思，以思維導(dǎo)圖的形式總結(jié)測量工具的制作。如圖3所示。

五、結(jié)語

通過將初中階段有關(guān)密度測量的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)內(nèi)容進(jìn)行整合，將質(zhì)量、體積、密度、浮力、重力、拉力等物理量緊密聯(lián)系起來，同時(shí)對天平、量筒、彈簧測力計(jì)、密度計(jì)、杠桿等測量工具進(jìn)行了系統(tǒng)復(fù)習(xí)。圍繞密度測量工具的制作這一主題，從剖析如何建立待測量與測量工具之間的關(guān)系入手，以測量工具的制作要素為展開點(diǎn)，完成了測量工具制作的思維導(dǎo)圖。通過變式和遷移訓(xùn)練，學(xué)生的科學(xué)思維能力得到了發(fā)展，思維體系得以拓展。這一課例跳出了初三復(fù)習(xí)中反復(fù)機(jī)械練習(xí)的怪圈，通過設(shè)計(jì)科學(xué)合理的學(xué)習(xí)任務(wù)，提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的動力，取得了良好的復(fù)習(xí)效果。

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