基于學科核心概念的物理項目式教學
——以“汽車冷卻液項目”為例

顏石珍

（杭州市文海實驗學校，浙江 杭州 310018）

1 項目主題分析

1.1 主題內(nèi)容分析

“物態(tài)變化”這一主題的教學內(nèi)容包括熔化與凝固、汽化與液化、升華與凝華3個板塊.課標中關(guān)于物態(tài)變化的學習要求為“知道物質(zhì)的三態(tài)及其變化的特點，并能用圖像描述這些特點；知道物態(tài)變化伴隨吸熱和放熱”.[1]需要理解的核心概念有物態(tài)是變化的、能量是轉(zhuǎn)化與守恒的、物質(zhì)性質(zhì)決定物質(zhì)的用途.在具體應用中要求學生能運用物態(tài)變化的知識解釋自然現(xiàn)象、解決實際問題.因此構(gòu)建了物態(tài)變化知識與核心概念關(guān)系框架圖，如圖1所示.

圖1 物態(tài)變化知識與核心概念關(guān)系框架圖

1.2 項目主題構(gòu)思

指向?qū)W科核心概念的教學是指在構(gòu)思科學教育的目標時，在知識方面不是一堆事實和理論，而是趨向于核心概念.這些核心概念及進展過程可以幫助學生理解與他們在校以及離開學校以后的生活有關(guān)的一些事件與現(xiàn)象.[2]

物態(tài)變化在生活中的應用常見于冰箱、空調(diào)、汽車等制冷（熱）系統(tǒng)或冷卻系統(tǒng).以汽車為例，在維修保養(yǎng)時師傅會檢查冷卻液的剩余量，因為發(fā)動機在工作時會發(fā)熱，需要及時冷卻，若冷卻液不足有損壞發(fā)動機的風險.市場上售賣的汽車冷卻液通常是在水中加入乙二醇，也叫防凍液.有人宣傳汽車防凍液純度越高越好，因此有人可能會花更高的價格購買高純度的防凍液，這樣的選擇合理嗎？想要回答這些問題需要具備物態(tài)變化和物質(zhì)的性質(zhì)等相關(guān)知識.基于以上分析，故將“物態(tài)變化”內(nèi)容學習轉(zhuǎn)化為“汽車冷卻液探究與正確選擇”的項目學習.

項目式教學通過設(shè)置一個真實情境的驅(qū)動性問題，學生作為項目學習的主體主動分析與拆解問題并轉(zhuǎn)化為科學問題進行探究，在完成項目任務(wù)過程中提升高階思維能力和問題解決能力，進一步理解核心概念，從而發(fā)展其核心素養(yǎng).

2 項目教學目標

根據(jù)課程標準相關(guān)主題的內(nèi)容要求，結(jié)合學生具體情況，制定項目教學目標如下.

（1）通過項目問題分析和任務(wù)拆解，學生能初步建立分析問題的一般思路與方法，同時學會將生活問題轉(zhuǎn)化為科學問題.

（2）利用觀察和實驗的方法對物質(zhì)的凝固點沸點等性質(zhì)進行研究，學會用圖像的方法分析物態(tài)變化規(guī)律，并能利用微觀解釋原因.

（3）通過對不同物質(zhì)的變化和性質(zhì)的研究，理解物態(tài)是變化的、能量是轉(zhuǎn)化與守恒的、物質(zhì)性質(zhì)決定物質(zhì)的用途等核心概念.

（4）通過各種調(diào)查和實驗研究提升收集與處理信息、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、科學論證、科學解釋等科學探究能力.

3 項目任務(wù)和教學流程

依據(jù)項目式教學活動設(shè)計特點和教學目標，本項目以“汽車冷卻液探究與正確選擇”為活動載體，引導學生調(diào)查了解冷卻液的性質(zhì)，分析冷卻液的使用需要考慮哪些因素？各種因素關(guān)聯(lián)液體哪些性質(zhì)；探究常見物質(zhì)的凝固點、沸點等性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)規(guī)律；測量與比較不同濃度乙二醇的沸點；綜合信息為用戶撰寫“冷卻液正確選擇的說明書”以及做好宣傳.表1為本項目的教學環(huán)節(jié)、學習任務(wù)與學生的學習目標、學習成果.

表1 項目教學環(huán)節(jié)

4 項目實施過程及學習結(jié)果

4.1 入項活動

項目引出：生活中用于冷卻物體時通常選擇水作為冷卻液，經(jīng)濟實惠高效.那么給汽車發(fā)動機配制的冷卻液可不可以也用水呢？

課前調(diào)查：學生通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)汽車發(fā)動機冷卻液不是水，而是乙二醇的水溶液.

資料卡：乙二醇是一種無色微粘的液體，沸點是197.4℃，冰點是-11.5℃，能與水任意比例混合.混合后由于改變了冷卻水的蒸汽壓，冰點顯著降低.當乙二醇的含量為60%時，冰點可降低至-48.3℃，超過這個極限時，冰點反而要上升.毒性：大鼠經(jīng)口LD50=5.8mL／kg，小鼠經(jīng)口LD50=1.31—13.8mL／kg.侵入途徑：吸入、食入、經(jīng)皮吸收.

驅(qū)動性問題：為保障汽車發(fā)動機正常運轉(zhuǎn)需要使用合適的冷卻液，作為一名科普工作者，如何科學指導我國南方和北方的汽車之友正確選擇冷卻液（防凍液）？有人說汽車防凍液純度越高越好，如何設(shè)計實驗證明該觀點的可靠性？根據(jù)調(diào)查研究結(jié)果寫一份關(guān)于“如何正確選擇汽車冷卻液”的說明書，廣而告之.

分析與拆解問題：按照問題解決的線索需要解決的問題有：① 冷卻液的使用需要考慮哪些因素？②各種因素與液體哪種性質(zhì)有關(guān)聯(lián)？③ 不同濃度乙二醇冷卻液性質(zhì)有哪些不同？如何設(shè)計實驗進行研究？④如何設(shè)計關(guān)于正確選擇冷卻液的說明書？

4.2 項目實踐

子任務(wù)1為調(diào)查研究：了解冷卻液的性質(zhì)和分析選擇依據(jù).

教師提問：冷卻液的使用需要考慮哪些因素？各種因素關(guān)聯(lián)液體哪些性質(zhì)？

小組討論：考慮冷卻液使用的環(huán)境，南方和北方主要是冬天最低氣溫的區(qū)別，還要考慮發(fā)動機的溫度對冷卻液的要求.

研究結(jié)果：天氣因素決定冷卻液的凝固點要相對較低，發(fā)動機的溫度決定冷卻液的沸點不能太低，冷卻液的比熱容會影響散熱效果，在管道中流動的液體，黏性不亦過大.表2為各種因素與冷卻液性質(zhì)的關(guān)聯(lián).

表2 各種因素與冷卻液性質(zhì)關(guān)聯(lián)

學生總結(jié)：乙二醇的冰點是-11.5℃，沸點是197.4℃，完全能滿足冷卻液的需求，稀釋的冷卻液也可以滿足要求，具體的濃度需要研究.用戶可根據(jù)氣溫和散熱等需求，結(jié)合冷卻液的冰點、沸點等性質(zhì)綜合判斷與選擇.

追問：常見的汽車冷卻液是乙二醇的水溶液，若為了滿足北方足夠低的氣溫，你認為乙二醇的濃度高一點合適還是低一點合適？

學生解釋：乙二醇的濃度高一點合適，隨著乙二醇濃度的提高，冰點應該會降低，沸點會提高.

學生活動：通過網(wǎng)絡(luò)搜索關(guān)于不同濃度的乙二醇冷卻液性質(zhì)，信息篩選整理如表3所示.

表3 不同濃度乙二醇的冰點與沸點

教師提問：觀察不同濃度乙二醇冷卻液的冰點和沸點，和預期是否一致？

學生總結(jié)：冷卻液主要成分由乙二醇和水的混合而成，不同濃度混合物的性質(zhì)不同.和我們的預期有出入，預期冷卻液的冰點是隨著濃度的增加而降低，而科學研究表明當冷卻液濃度達到60%時出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，非常神奇.

教師補充：由于乙二醇有一定的毒性，實驗室研究需要更高要求，所以我們先選擇水、鹽水、酒精等常見物質(zhì)進行研究.這些物質(zhì)的性質(zhì)會研究了，類似的方法可以遷移到乙二醇冷卻液研究中.

子任務(wù)2為基礎(chǔ)探究：比較常見物質(zhì)的凝固點、沸點.

實驗探究1：比較水和鹽水的凝固情況，發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

方案設(shè)計：將純凈水、濃鹽水放入冰箱中，每隔12h觀察溶液的凝固情況.

實驗數(shù)據(jù)：學生實驗操作采集數(shù)據(jù)并記錄，見表4.

表4 純凈水與濃鹽水對比

結(jié)果分析：發(fā)現(xiàn)鹽水結(jié)冰比水要慢.將其取出測量固液共存態(tài)時的溫度，冰水混合物在0℃，如圖2所示.而鹽水的固液混合物的溫度為-6℃.

圖2 水的凝固點測量

實驗結(jié)論：水的凝固點為0℃，鹽水凝固點比水低.

生活現(xiàn)象：下雪的時候，人們會在公路上撒鹽以防路面結(jié)冰，請解釋為什么？

科學解釋：因為鹽水凝固點比水低，在冰雪上撒鹽使其凝固點降低，雨雪就不易結(jié)冰了.

實驗探究2：比較水和鹽水的凝固情況，發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

方案設(shè)計：配置濃度分別為5%、10%、15%、20%的酒精溶液100g；放入冰箱中12h后取出，觀察凝固情況和測量混合物的溫度.

實驗操作：如圖3所示.

圖3 不同濃度酒精溶液冰點測量

實驗結(jié)果：學生實驗操作采集數(shù)據(jù)并記錄，見表5.

表5 不同質(zhì)量分數(shù)酒精溶液的冰點

實驗結(jié)論：隨著酒精濃度的增加，凝固點降低.

實驗探究3：探究水的沸點，發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

設(shè)計操作：加熱一杯50g的水，觀察沸騰前和沸騰時的現(xiàn)象，測量溫度.

實驗結(jié)果：學生實驗操作采集數(shù)據(jù)并記錄，見表6.

表6 水的溫度

教師提問：如何給沸騰下定義？

下定義：沸騰是液體內(nèi)部和表面同時進行的劇烈汽化現(xiàn)象.

繪制圖像如圖4所示.

圖4 水沸騰溫度

發(fā)現(xiàn)規(guī)律：沸騰前，水的溫度不斷升高，沸騰時，溫度保持不變.

教師提問：如何解釋沸騰時溫度保持不變這一現(xiàn)象，能量是如何轉(zhuǎn)化的，是否意味著能量不守恒？

科學解釋：在沸騰過程中，水需要吸收熱量，吸收的能量并沒有表現(xiàn)在溫度的升高上.以分子運動的觀點看，分子間的距離在增加，水變?yōu)樗魵獾倪^程需要能量是分子克服分子之間的引力使其距離消耗的能量.

子任務(wù)3為深度探究：研究不同濃度溶液的沸點.

問題提出：由于乙二醇有一定的毒性，和探究水的沸點一樣的探究裝置可行嗎？存在哪些問題？

師生討論：擔心氣體蒸發(fā)需要密封系統(tǒng)，但密封系統(tǒng)在加熱過程中會因氣壓過大而不安全，那么如何減小氣壓呢？我們可以利用將氣體冷卻液化的方法.科學上可以利用冷凝裝置來實現(xiàn).

查閱資料：研究三口燒瓶和冷凝管的使用方法和注意事項.

實驗探究1：探究不同濃度酒精溶液的沸點，發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

提出問題：為了比較不同濃度酒精的沸點，該如何設(shè)計實驗？

方案設(shè)計：配置濃度分別為20%、30%、40%、50%的酒精溶液若干，加熱至沸騰，測量溫度.

實驗結(jié)果：學生實驗操作采集數(shù)據(jù)并記錄，見表7.

表7 不同質(zhì)量分數(shù)酒精溶液的沸點

繪制圖像如圖5所示.

圖5 不同濃度酒精溶液的沸點

實驗結(jié)論：酒精溶液的濃度越高，沸點越低.

類比推理：冷卻液中乙二醇的濃度越高，沸點越低.

實驗探究2：探究不同濃度乙二醇溶液的沸點，發(fā)現(xiàn)規(guī)律.

方案設(shè)計：配置濃度分別為30%、40%、50%、60%的冷卻液若干，加熱至沸騰，測量溫度.

實驗操作：如圖6所示.

圖6 不同濃度乙二醇溶液的沸點測量

實驗結(jié)果：學生實驗操作采集數(shù)據(jù)并記錄，見表8.

表8 不同質(zhì)量分數(shù)乙二醇溶液的沸點

繪制圖像如圖7所示.

圖7 不同濃度乙二醇溶液的沸點

實驗結(jié)論：冷卻液中乙二醇的濃度越高，沸點越高.

子任務(wù)4為決策評價：如何正確選擇防凍液？

查閱資料了解黏度系數(shù)，水的黏度為0.404，30%的乙二醇的黏度為0.76，50%時為1.17，黏度系數(shù)明顯上升.隨著乙二醇水溶液濃度的提升，動力黏度不斷增加，冷卻液的對流換熱能力會降低.因此在南方地區(qū)等環(huán)境溫度較高的情況下，對冷卻液的冰點要求較低時，可采用乙二醇濃度較低的冷卻液，有利于提高散熱性能，同時降低使用成本.隨著乙二醇的濃度增加，水溶液的冰點不斷降低，最低可達零下48℃，使得散熱器的冷卻液不易結(jié)冰.總之，要根據(jù)氣溫和發(fā)動機溫度和散熱需求，結(jié)合冷卻液的冰點、沸點、黏度系數(shù)等性質(zhì)綜合判斷與選擇.

項目反思：談?wù)劚卷椖康氖斋@與反思？

學生收獲1：科學與生活緊密相連，原來冷卻液包含了這么多科學知識，冷卻液的選擇和物質(zhì)的性質(zhì)相關(guān)，科學知識會給人們帶來這么多用處，感受到學習科學有價值.

學生收獲2：科學方法很重要，在研究冷卻液性質(zhì)的過程時我學會了組裝儀器，認真觀察、精準記錄和數(shù)據(jù)處理，通過圖像發(fā)現(xiàn)規(guī)律等方法.要根據(jù)物質(zhì)特點選擇和創(chuàng)造儀器進行實驗，確保安全可行.

學生收獲3：科學研究需要嚴謹?shù)膽B(tài)度和持之以恒，我學會設(shè)計實驗方案，經(jīng)歷了重復多次才成功，感受到科學研究不容易，也能培養(yǎng)了我的毅力.

經(jīng)過了科學調(diào)查和科學探究，了解了冷卻液的性質(zhì)以及分析了選擇依據(jù)，學生設(shè)計“如何正確選擇冷卻液”的說明書.