項目化學習在初中科學中考復習教學中的探索與實踐

【摘" 要】 項目學習是培養學生工程與物理化學核心素養的重要途徑，以“液體密度的特殊測量方法”為主題的項目化研究貫穿整個初中階段，每個階段都圍繞學生所學的不同科學原理展開，在初中科學項目化學習中占據著舉足輕重的地位。文章從梳理基礎知識入手，引出測量過程的本質在于待測量與標準量之間的比較，進而引導學生形成“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，通過將科學模型與數學模型相結合，總結出確定測量工具的“0刻度”“標準點”“刻度變化規律”以及“最小刻度與量程”的方法，并據此構建思維導圖。最后，通過變式練習與知識遷移，引導學生清晰把握測量工具的工程實踐過程與方法，從而有效提升學生的工程與物理化學核心素養。

【關鍵詞】 項目化學習;問題導向;初三復習;核心素養

一、問題背景

項目學習是指學生在一段時間內，對與學科或跨學科相關的驅動性問題進行深入持續的探索。在這一過程中，學生調動所有知識、能力和品質，創造性地解決問題，并形成公開成果，從而深刻理解核心知識和學習歷程，且能夠在新情境中進行知識遷移。制作新型密度測量工具的項目研究課貫穿整個初中階段，教師可以根據學生不同階段所學的科學原理，設計不同的測量方案，并不斷改進、迭代。隨著中考命題立意向核心素養的轉變，項目化研究逐漸成為中考的熱點。通過項目化研究這一載體，中考更注重考查學生的科學觀念、科學思維等核心素養。因此，在初三復習階段，教師需要幫助學生跳出年級框架，打破章節限制，重塑初中三年的知識結構，將教材中零散的知識點關聯起來，通過一個個項目化研究串聯起科學觀念與科學思維、科學原理與應用技術，培養學生的學科素養。

二、教學內容

“制作新型密度測量工具”這一項目研究貫穿整個初中階段。在初中三年里，學生基于密度、力、阿基米德原理、杠桿等不同的科學原理，可以在不同年級設計出不同的密度計測量工具。如圖1所示，教師在不同年級可以實施一系列項目化學習課題。

目前，中考要求學生面對真實的情景和問題，能靈活地運用二維方式表達三維空間的物體。會利用常見工具和材料，設計制作簡單的裝置，開展相關的技術與工程實踐。自制密度計是一道經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，制作并優化工具等多方面的能力。

三、教學策略

要完成自制測量工具的制作，首先需要明確測量的本質：測量是一個將待測量與公認標準進行比較的過程，可以通過等體積比質量或等質量比體積的方法來比較物質的密度。那么，如何實現等體積？如何實現等質量？如何確定測量工具的設計？基于這些在設計過程中需要解決的關鍵知識點，教師可以通過設立基礎問題，面向全體學生，復習科學概念，鞏固低階思維。同時，通過設置進階問題，激發學生的學習興趣，促使學生從低階思維過渡到高階思維。

在教學過程中，采用對比教學法，從科學原理、數學模型等不同角度對設計方案進行對比，引導學生領悟科學原理與應用技術之間的關聯。要實現工程物化，需要多學科、跨學科的結合，特別是函數思想、數形結合等數學思想在工具設計中起著重要作用。

四、教學設計實錄

（一）梳理基礎知識，尋找工具與方法

設計目的：該組問題的設計基于面向全體學生，引導學生從基礎概念出發，認識測量問題的本質是一個比較的過程，引導學生嘗試從不同的角度進行比較。結合初中階段的密度、重力、浮力、杠桿等力學基本知識，尋找物理量之間的聯系，建立起測量工具與待測量之間的關系：“待測量←原理—轉換→測量工具”，明確測量工作的制作原理。

基礎問題：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？

進階問題：還有哪些物理量可以建立與液體密度的聯系？

（二）明確科學原理，整合測量工具制作要素

1. 確定0刻度位置

設計目的：該組問題的設計，為了讓學生明確何為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，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。

基礎問題：嘗試確定各方案中液體密度計0刻度的位置？

進階問題：比較四種方案中0刻度位置的異同，可以得到哪些信息？

學生總結：（1）不是每一種自制密度計都有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，可以根據測量原理及測量工具的規格進行計算。

2. 確定“1”刻度位置

設計目的：標準點“1”的確定對測量工具的制作具有重要意義。質量1千克，長度1米，溫度1攝氏度均是一個公認的標準。液體密度測量通常以水的密度1克/厘米3為標準點。因此，自制液體密度計的1位置就是測量水的密度時，自制密度計刻度所在的位置。由計算可知，不同的自制密度計，0刻度及標準1刻度所在位置存在很大的差異。學生需要明確測量工具所采用的科學原理才能正確確定其刻度位置，是屬于對科學原理較高層級的應用。

基礎問題：確定密度為1克/厘米3刻度線所在位置？

進階問題：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？

學生總結：（1）任何一個測量工具的制作均需要一個標準點。（2）液體密度計的標準點1可能在0刻度的上方，也可能在0刻度下方。（3）標準點1的位置可因原理的改變而改變，也可因測量工具的規格而改變。

3. 確定刻度變化規律

設計目的：定出標準量位置后，確定更多數據與標準量之間的位置關系是對測量工具更深一步的探究。通過科學原理，建立各物理量之間的等量關系即建立物理量之間的科學模型，再結合數學知識，將科學模型轉化為數學模型，更容易辨析因變量與自變量之間的變化規律。這也是確定刻度變化規律的一般方法。在教學的過程中不斷地滲透“科學模型—數學模型”轉化的思想，有利于學生理解這種思想方法。

基礎問題：液體密度為0.9克/厘米3的刻度線應該標與1克/厘米3刻度線的何處？

進階問題1：嘗試通過計算推導出測量值與ρ液之間的數學關系。

學生總結：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液的關系如表2。

進階問題2：上述四種密度計的刻度是否均勻？

學生：方案一、三與方案四中，F拉與ρ液之間均為一次函數關系，可得密度計的刻度是均勻的，方案四中，V液與ρ液之間為反比例函數關系，可得密度計的刻度是不均勻的。

4. 平衡量程與精度

設計目的：測量工具都有一定的量程和精度。從溫度計的使用范圍到量取一定體積液體時量筒的選擇，都表明在選擇測量工具時，量程與精度具有重要意義。在自制測量工具時，需要根據測量需求，進行制作。

基礎問題：確定方案一中，自制密度計的量程（空桶容積為V，質量為G桶，彈簧測力計量程為F最大，最小刻度為F最?。?/p>

根據：F最大=G桶+ρ液最大gV" 可計算出ρ液的最大值。

進階問題1：如何增大該密度計的測量范圍？

當彈簧測力計量程無法改變的前提時，要增大密度計量程，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，增加彈簧測力計的測量范圍。

進階問題2：方案一，如何提高密度計的精度？

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。因此在實際使用時，需要根據具體需求來確定改進的方法。這種情況在實際應用過程中也非常常見，比如比重計與比輕計的設計就需要綜合考慮量程和精度的問題。

綜合以上四點，引導學生進行總結和反思，以思維導圖的形式總結測量工具的制作。如圖3所示。

五、結語

通過將初中階段有關密度測量的項目化學習內容進行整合，將質量、體積、密度、浮力、重力、拉力等物理量緊密聯系起來，同時對天平、量筒、彈簧測力計、密度計、杠桿等測量工具進行了系統復習。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系入手，以測量工具的制作要素為展開點，完成了測量工具制作的思維導圖。通過變式和遷移訓練，學生的科學思維能力得到了發展，思維體系得以拓展。這一課例跳出了初三復習中反復機械練習的怪圈，通過設計科學合理的學習任務，提升了學生的學習興趣，激發了學生自主學習的動力，取得了良好的復習效果。

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