素養導向下結合科學思維的單元整體復習案例

作者簡介：胡萍（1980—），女，漢族，浙江長興人，本科，一級教師，研究方向：初中科學。

一、案例背景

“簡單機械”是初中科學中重要的知識模塊，是引導學生在學習“能的形式、轉移與轉化”，形成正確的物質與能量觀、穩態與平衡觀的重要知識載體。近年來，全省各市中考卷試題中“簡單機械”的相關知識在解答題中頻頻出現。調研發現，多數中考卷在考查簡單機械的相關知識時是通過生活工具在真實情境中的使用情況，讓學生建立模型、借助模型分析推理解決實際問題，但是從實際問題抽象成科學模型對學生來說往往比較困難。學生的思維在很大程度上屬于經驗型思維，就事論事的情況比較普遍。教師通過課前的學情調查（主要包括學習態度、學習能力、學習經驗）充分認識學生，在平時的新課教學中幫助學生積累感性認識，使學生在具體問題研究中能從身邊的事例出發，突出主要問題，忽略次要因素。

在這節課中，將“簡單機械”的三個基本模型進行統一整合，形成了學科單元大概念。如在知識梳理中引入“簡單機械三步驟”，旨在解決“杠桿”“滑輪”“斜面”三個模型的應用分析，以此幫助學生形成對簡單機械的分析和應用（如表1）。

表1 “簡單機械三要素”大概念所組單元層級表

二、單元整體復習教學目標

本文根據課標，確定本課主題的核心知識是“杠桿”“滑輪”“斜面”。在具體研究方向上，主要落實在本單元的科學思維教學中，并體現在模型建構、推理論證兩個方面。據此，本文依據《義務教育科學課程標準（2022年版）》，將本單元復習課歸屬于“能的轉化與能量守恒”下的“4.1能的形式、轉移與轉化”，遵從《考試細則》相關內容，圍繞科學觀念、科學思維等設定如下的教學目標：

1.科學觀念：通過前測建構簡單機械中最常見的滑輪組和杠桿、斜面的特點分析，讓學生在各種圖片和案例中知道滑輪組和杠桿在生活中的作用。

2.科學思維：通過分析和作圖，能迅速判斷出杠桿的五要素，讓學生懂得如何構建杠桿模型圖，遇到真實情境能運用杠桿模型解決常見問題。

3.探究實踐：教師通過模擬、分析識別生活中杠桿類型并加以解釋；通過分析、計算利用杠桿平衡條件解決實際情境問題，讓學生掌握基本的科學方法，使其具有初步的實踐探究能力。

4.態度責任：通過對桿秤和投石機的制作，讓學生理解科學、技術、社會之間的關系，使其體會由生活走向科學、由科學走向社會的生活態度。

三、單元整體復習設計基本框架

本復習課利用前測，診斷學情，促進學生對簡單機械的基礎知識進行梳理，同時發現學生的知識誤區和薄弱區。基于所得數據（如哪些知識點學生容易混淆，哪些重難點學生還未掌握），本案例在單元任務中優化教學環節，幫助學生完善知識體系，升級學科觀念，同時打造高效課堂，實現學生核心素養的有效培養，實現學生近期目標和遠期發展的雙贏，實現學生從“已經到達”走向“應該到達”的學業水平。本節課的具體設計思路為：確定主題→確定目標→前測診斷→問題驅動→及時評價。

四、實施過程

（一）梳理知識架構

簡單機械復習課的核心知識是“能量”，具體內容包括杠桿、滑輪組、斜面三個板塊。學生需要理解的核心概念是物質的運動與相互作用、能的轉化與能的守恒。在具體應用中要求學生能分析、解釋模型所涉及的要素與結構，針對真實情境中的簡單問題能運用簡單模型解釋常見現象，解決常見問題；能靈活運用二維方式展示三維空間的物體，呈現事物動態變化的圖景；掌握分析與綜合、比較與分類、抽象與概括、歸納與演繹、聯想與想象等基本思維方式，并能應用科學探究以及技術與工程實踐，解決實際問題。因此，在著手復習前，需要重新梳理“簡單機械”的基礎知識，梳理知識之間的聯系，厘清知識之間的遞進和包含的關系，為后續的運用奠定初步的基礎。同時，為提高復習的有效性，教師可以進行前測診斷，以發現學生的概念迷思和知識漏洞。

學生通過知識梳理發現，主要知識點包括杠桿的支點選擇、力的方向的判斷；斜面的拉力與摩擦力的關系；摩擦力的計算；滑輪組的距離關系和力的關系的判斷，機械效率公式的推導。因此在搭建復習結構時，學生需要從以上內容著手。

（二）尋找實施路徑

核心知識的疏漏體現出學生的科學思維較弱，面對物理模型時分析能力不足，以及對科學知識的遷移能力比較欠缺。因此，教師可以創設生活情境，強化建構模型的過程，提高學生的分析運用能力。

【教學片段1】

問題驅動：如何將建造大蓮花的4萬噸鋼材搬到近60米的高空進行搭建？請設計幫助搬運的工具。

學生可以設計斜面，也可以設計滑輪組，還可以設計杠桿。斜面組在設計中可以要求學生計算斜面長度多少比較合適？滑輪組可以設計多少個滑輪比較合適？分幾次？還要考慮纜繩的承重程度。杠桿組要求如何設置支點，動力的方向和動力的大小需參考資料，結合思考。

三組可以從實用性、有效性、便捷性等方面來綜合評價，從而作出選擇。

解法應用：在實用性方面，教師可讓學生確定斜面的長度，并根據鋼材的重量和摩擦系數計算所需的斜面長度。在有效性方面，讓學生通過設計一個多級滑輪組，由多組滑輪和纜繩將鋼材從地面拉到高空，實現連續搬運。教師可以根據鋼材的重量和纜繩的承重程度，來確定滑輪組的級數和每級滑輪的直徑，然后帶領學生計算每級滑輪的纜繩長度和方向，以確保鋼材能夠被平穩地拉到高處。在便捷性方面，教師考慮到杠桿可以在任意高度設置支點，靈活性較高，可以作為生成性教學資源加以引導。

（設計意圖：從目的出發，讓學生思考如何利用所學知識解決問題。但是在設計的過程中通過一些細節思考，幫助學生意識到實際生活中遇到的情況比理論更復雜。設計思路的評價不是簡單的優與差，而是從哪些方面去比較，很多時候要根據實際情況選擇最優方案。）

【教學片段2】

關于設計裝置能否移動方面，為提高裝置的利用率，教師可以引導學生加裝輪子，聯系生活中的吊車或塔吊，制作這兩個工程車的簡單機械模型，并分析這兩個生活中的模型。特別是塔吊模型，涉及組合機械，可以分別討論。學生可以結合一定的數據，進行適量的計算訓練，加強模型的分析和運用。

解法應用：在實際問題的解決方面，教師可以引導學生分析塔吊的各個部分，如起重臂、平衡臂、塔身等，并討論這些部分如何協同工作，并提供一定的數據，讓學生進行適量的計算訓練，以加強學生對模型的分析和運用能力。而在科學觀念內化方面，教師可以借助該問題引導學生聯系吊車或塔吊等工程車，并要求學生在設計過程中考慮到裝置的移動性、穩定性和安全性等因素，進一步鍛煉學生的高階思維。

（設計意圖：科學觀念作為一種素養，既包括一些具體觀念、本質的認識，又包括科學觀念在解釋自然現象、解決實際問題中的應用。事實上，學生將新形成的科學觀念用于解決實際問題，也促進了科學觀念的內化。在這樣的實際問題分析與解釋中，學生將自己形成的科學觀念合理地遷移到新的問題情境中，同時進行批判性思考，促成高階思維的養成和科學觀念的內化。）

【教學片段3】

以上兩個工程車在使用過程中發現吊車比塔吊的提升力小，結合塔吊思考：能否在吊車上升級迭代加大它的提升力？考慮攜帶配重的起重車。

圖1

解法應用：首先，教師需要帶領學生理解問題的本質，即吊車的提升力不足，需要加大提升力。考慮到塔吊和吊車的結構和工作原理，學生可以通過小組討論的方式思考出“在吊車上增加配重來提高其提升力”的辦法。其次，為了驗證增加配重可以提高吊車的提升力，教師則可以基于層次教學法進行分組實驗設計，按照不同學生的理解能力展開復習工作。比如，針對基礎較為薄弱的學生組，教師可以選擇一定重量的配重，將其連接到吊車上，并記錄吊車在不同配重情況下的提升力。對于基礎較好，但發散性不強的學生，在完成如上操作后，教師可以帶領他們進行實驗并收集數據，通過實踐操作的方式記錄不同配重下吊車的提升力。學生分析數據，找出配重與提升力之間的關系，從而將理論與實踐相結合。對于各個知識點已經完全掌握的學生組，教師可以對其展開進一步的知識點拓展，并提出“如果增加配重確實提高了吊車的提升力，那么我們可以解釋這是因為什么原因增加了重力矩呢？”由此啟發該組學生探討如何讓吊車更加穩定，并嘗試改進吊車的結構設計或使用更強大的動力系統。

（設計意圖：教師通過講解，讓學生具備解決實際疑難問題的能力，進而提升學生的思維創造性，讓其明白生活是科學課堂探究的源泉，解決生活中的問題，是實驗探究的出發點和歸宿。而學生積極展開多元開放的探究，可以讓科學不再只是存在于實驗室、課堂和教科書中深奧、抽象的學科，而是與生活實際密切相關的知識與方法。）

五、后測

作業：（試題來自2023年舟山中考科學真題第28題）

28.投石器是古代的攻城利器，科學小組同學想進一步了解投石器，開展了以下項目化學習研究。

【項目制作】經討論后，利用配重、小石塊、木桿、細繩、網兜等器材，制成投石器，如圖2所示。

圖2

【項目研究】

①松開系繩，配重下降，裝有石塊的一端快速上升，木桿停止后，石塊被投出，記錄石塊投射的距離。

②調整系繩的長度，改變投射角度θ，記錄投射距離，重復實驗，數據如表2所示。

表2

（1）小組同學探究的問題是"" 。

（2）根據表2中的數據，可得出的結論是"""" 。

【項目迭代】為使投石器能將石塊投得更遠，請你寫出一種方法"" 。

六、分析和反思

本案例的實施過程有驚喜也有遺憾。在教學過程中，學生需善于觀察生活中的現象，有一定的計算基礎，能對生活中的單一模型進行建構和分析。但是，學生在運用知識解決問題的過程中暴露出很多問題，這些問題需要在課堂上一一解決，導致課堂預設的進度變慢。希望本研究可以為相關教師帶來一定參考，共同推動我國教育事業的發展。

（作者單位：浙江師范大學附屬杭州筧橋實驗中學）

編輯：陳鮮艷