項(xiàng)目式學(xué)習(xí)促學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新

郭紀(jì)萌

摘? ?要：隨著社會(huì)科技的飛速發(fā)展，對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)顯得越來(lái)越重要，也是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要方面。為促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展，嘗試以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)任務(wù)為出發(fā)點(diǎn)，以阿基米德原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為例，挖掘改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)“產(chǎn)品”，促進(jìn)學(xué)生提高科學(xué)興趣，拓展科學(xué)知識(shí)，優(yōu)化科學(xué)方法，提升科學(xué)思維，探索出項(xiàng)目式學(xué)習(xí)對(duì)促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展的重要途徑。

關(guān)鍵詞：項(xiàng)目式學(xué)習(xí);科學(xué)素養(yǎng);實(shí)驗(yàn)改進(jìn);創(chuàng)新

1? 項(xiàng)目式學(xué)習(xí)及發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)探索

項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是指教師在教學(xué)過(guò)程中，針對(duì)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)設(shè)出一個(gè)真實(shí)的問(wèn)題情境（即項(xiàng)目），由教師提供學(xué)習(xí)資源和學(xué)習(xí)工具，以項(xiàng)目任務(wù)為驅(qū)動(dòng)，精心預(yù)設(shè)、組織、引導(dǎo)、激發(fā)學(xué)生合作學(xué)習(xí)，探索項(xiàng)目答案并解決的教學(xué)過(guò)程。

基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，以“驗(yàn)證阿基米德原理”為例，需要一個(gè)簡(jiǎn)單直觀的實(shí)驗(yàn)來(lái)探究這個(gè)原理[ 1 ]，經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的改進(jìn)和創(chuàng)新，探索培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展的途徑。

2? “復(fù)原法”改進(jìn)教材實(shí)驗(yàn)——促進(jìn)學(xué)生提高科學(xué)興趣

2.1? “復(fù)原法”項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)器材及項(xiàng)目“產(chǎn)品”設(shè)計(jì)：彈簧測(cè)力計(jì)、鐵架臺(tái)、掛杯、溢水杯、小燒杯、升降臺(tái)、石塊、細(xì)線和水等，再根據(jù)器材組裝“產(chǎn)品”。

（2）項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)操作要求：

①先減：圖1（甲）、（乙）、（丙）、（?。?、（戊）的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，彈簧測(cè)力計(jì)從開(kāi)始稱石塊重力，再到讓石塊慢慢浸入水中，直到浸沒(méi)水中，這個(gè)過(guò)程是先使彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)因水的浮力而減?。ㄗ⒁庥眯占缢幸绯龅乃?

②后加：溢水杯中的水不再溢出之后，把小燒杯中收集的水倒入掛杯中，彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)又逐漸增加了。

（3）項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)觀察：實(shí)驗(yàn)觀察到彈簧測(cè)力計(jì)示數(shù)先減?。‵1→F2→F3 ），后增加（F3→F4→F5）的一個(gè)“復(fù)原”過(guò)程，并且觀察發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)5≈F1。

2.2“復(fù)原法”項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)改進(jìn)之處

在滬科新版等教材中，驗(yàn)證阿基米德原理的操作比較繁瑣，涉及的量較多，已超出了許多初中學(xué)生的認(rèn)知水平[ 2 ]。本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)之處：

（1）教材中實(shí)驗(yàn)用手提彈簧測(cè)力計(jì)，在測(cè)量過(guò)程中手不可避免會(huì)晃動(dòng)，可能導(dǎo)致彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量的示數(shù)不夠準(zhǔn)確。

（2）教材中實(shí)驗(yàn)因手提彈簧測(cè)力計(jì)的抖動(dòng)，還會(huì)導(dǎo)致溢水杯中所溢出的水產(chǎn)生較大誤差。

（3）本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)用鐵架臺(tái)吊掛，使彈簧測(cè)力計(jì)及石塊（含掛杯）保持良好的靜止?fàn)顟B(tài)，用升降臺(tái)的上升來(lái)很好地控制溢水杯中溢出水。

（4）本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中可慢慢提升或暫停升降臺(tái)，能仔細(xì)觀察示數(shù)的變化或讀出彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)，過(guò)程性好，直觀性強(qiáng)。

通過(guò)“復(fù)原法”項(xiàng)目式改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，設(shè)置項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)要求的情境，激發(fā)學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，促進(jìn)學(xué)生提高科學(xué)興趣。

3? “杠桿平衡”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)——促進(jìn)學(xué)生拓展科學(xué)知識(shí)

3.1? “杠桿平衡”項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)器材及項(xiàng)目“產(chǎn)品”設(shè)計(jì)：自制帶托盤的杠桿、鉤碼、砝碼、鐵架臺(tái)、溢水杯、小燒杯、滴管、小石塊、細(xì)線和水等，再根據(jù)器材組裝“產(chǎn)品”。

（2）項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)操作要求：

①調(diào)節(jié)杠桿自身的水平平衡：先對(duì)自制帶托盤的杠桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，刻度盤指針偏左（或右），調(diào)節(jié)左右的兩平衡螺母向右（或向左），直至指針指在中間刻度，即使杠桿水平平衡。

②加物加碼后杠桿水平平衡：調(diào)節(jié)杠桿水平平衡后，在左托盤中放入裝滿水的溢水杯、小燒杯，在右托盤中放入鉤碼（注：因天平量程太小，溢水杯重力較大，所以改造自帶托盤的杠桿代替天平，且選用重力較大鉤碼以達(dá)平衡），后改用砝碼調(diào)節(jié)杠桿水平平衡（注：在反復(fù)調(diào)節(jié)中，溢水杯中可用滴管滴入少許水，直至水不再?gòu)囊缢幸绯?，并把小燒杯中的水清理干?刻度盤上的四個(gè)“限位柱”是為了放溢水杯、鉤碼等物體時(shí)不因杠桿還沒(méi)有水平平衡而往下掉落），如圖2（甲）所示。

③產(chǎn)生浮力后杠桿失去平衡：用鐵架臺(tái)、細(xì)線把小石塊浸入溢水杯中，用小燒杯接入溢出的水。這時(shí)，杠桿失去平衡，如圖2（乙）所示。

④倒掉溢出水后杠桿再平衡：把小燒杯中接入的溢出水倒掉，并把小燒杯放回左托盤中，發(fā)現(xiàn)杠桿恢復(fù)水平平衡，如圖2（丙）所示。

3.2? “杠桿平衡”項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處

（1）創(chuàng)新性地把天平的功能遷移到自制的水平杠桿中，用天平測(cè)量的原理遷移到自制的水平杠桿的測(cè)量中。

（2）用鉤碼與砝碼配合使用，增大杠桿測(cè)量的“量程”，以減少用天平測(cè)量時(shí)因水太少而產(chǎn)生較大的誤差。

（3）圍繞杠桿“平衡”與“失去平衡”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，找出失去平衡和恢復(fù)平衡的原因，從而找出等量關(guān)系。（分析：圖2（乙）小石塊浸入水中產(chǎn)生浮力F浮，此時(shí)對(duì)應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)向下的浮力的反作用力F反，且F反=F浮，使杠桿失去水平平衡。圖2（丙）把小燒杯接入的溢出水倒掉后，杠桿恢復(fù)了水平平衡，可知減少了排開(kāi)水的重力G排，抵消了因浮力的反作用力F反造成的不平衡，即有G排=F反。等量代換可驗(yàn)證F浮=G排）。

（4）實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，對(duì)應(yīng)物理量明確，直接針對(duì)阿基米德原理中的兩個(gè)物理量，即F浮、G排，通過(guò)浮力的反作用力F反作為過(guò)渡，從而最終驗(yàn)證結(jié)論。

“杠桿平衡”項(xiàng)目式創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)化了操作，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行遷移和自制實(shí)驗(yàn)器材， 增強(qiáng)了學(xué)生實(shí)驗(yàn)動(dòng)手能力，促進(jìn)了學(xué)生拓展科學(xué)知識(shí)。

4? “動(dòng)態(tài)等量”對(duì)比實(shí)驗(yàn)——促進(jìn)學(xué)生優(yōu)化科學(xué)方法

4.1? “動(dòng)態(tài)等量”對(duì)比項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)器材及項(xiàng)目“產(chǎn)品”設(shè)計(jì)：彈簧測(cè)力計(jì)、鐵架臺(tái)（2個(gè)）、掛杯、溢水杯（長(zhǎng)嘴）、升降臺(tái)、石塊、細(xì)線和水等，再根據(jù)器材組裝“產(chǎn)品”。

（2）項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)操作要求：

①“校零”：先對(duì)圖3（甲）、（乙）中彈簧測(cè)力計(jì)掛物體后示數(shù)“校零”。

要注意圖3（甲）中彈簧測(cè)力計(jì)的面板刻度是“上大下小”的，選用一重力約5 N的石塊，掛上石塊后，調(diào)節(jié)面板刻度板，使示數(shù)對(duì)齊最下方的零刻度。另外，圖3（乙）中彈簧測(cè)力計(jì)掛上掛杯后，調(diào)節(jié)面板刻度板，使示數(shù)對(duì)齊最上方的零刻度。

此時(shí)，圖3（甲）、（乙）中彈簧測(cè)力計(jì)的“示數(shù)”均為零，即F1=0，F(xiàn)2=0。

②組裝：用2個(gè)鐵架臺(tái)把圖3（甲）、（乙）中已“校零”的彈簧測(cè)力計(jì)，組合為如圖3（丙）所示裝置，下方放升降臺(tái)，升降臺(tái)上放帶有長(zhǎng)嘴的溢水杯（溢水杯中的水已加至最滿且不再滴水）。

③“動(dòng)態(tài)”：把圖3（丙）中的升降臺(tái)緩慢向上升起，石塊開(kāi)始浸入水中產(chǎn)生浮力，此時(shí)彈簧測(cè)力計(jì)的“示數(shù)F3”（注意示數(shù)標(biāo)簽是上大下小，讀數(shù)是要從下往上讀的）即為浮力，且是動(dòng)態(tài)向上變化的;同時(shí)，溢水杯中的水會(huì)從長(zhǎng)嘴中溢出，注意溢水杯的長(zhǎng)嘴要對(duì)準(zhǔn)圖3（?。┲械膾毂也慌鰭毂?，讓水滴入掛杯中。此時(shí)，圖3（?。┲械膹椈蓽y(cè)力計(jì)的“示數(shù)F4”即為排開(kāi)水的重力，且是動(dòng)態(tài)向下變化的。

④“等量”：雖然“示數(shù)F3”與“示數(shù)F4”一直是動(dòng)態(tài)變化的，但升降臺(tái)任何時(shí)候停止上升，待溢水杯長(zhǎng)嘴不再滴水時(shí)，始終有F3=F4的等量關(guān)系。通過(guò)動(dòng)態(tài)等量對(duì)比，即可得出結(jié)論：浸入水中的石塊所受浮力的大小等于石塊排開(kāi)的水所受重力的大小，從而驗(yàn)證阿基米德原理。

4.2? “動(dòng)態(tài)等量”對(duì)比項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處

（1）創(chuàng)新性地把彈簧測(cè)力計(jì)的面板刻度做成“上大下小”，“倒貼”在彈簧測(cè)力計(jì)上，以方便“校零”后，可直接讀出使物體“變輕”的向上托的力的大小，即浮力的大小。

（2）創(chuàng)新性地通過(guò)溢水杯長(zhǎng)嘴，把浮力的大小與排開(kāi)液體的重力大小建立聯(lián)系。

（3）直觀顯示：本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)可直觀并直接地“顯示”浮力的大小與排開(kāi)液體的重力大小。避開(kāi)了繁瑣的實(shí)驗(yàn)步驟，使實(shí)驗(yàn)更加直接直觀。同時(shí)升降臺(tái)的使用便于改變物體浸入液體 的深度，相當(dāng)于多次實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具普適性[ 3 ]。

（4）動(dòng)態(tài)對(duì)比：本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)對(duì)浸入液體中的物體，可動(dòng)態(tài)地停在液體中的任何深度，待溢水杯不再滴水時(shí)，讀出浮力的大小與排開(kāi)液體的重力大小進(jìn)行對(duì)比。

（5）驗(yàn)證等量：本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)在物體浸入液體中產(chǎn)生浮力之后，可動(dòng)態(tài)顯示浮力的大小與排開(kāi)液體的重力大小的等量關(guān)系，從而直接驗(yàn)證了阿基米德原理的正確性，即得出結(jié)論：浸入液體中的物體所受浮力的大小等于物體排開(kāi)的液體所受重力的大小。

“動(dòng)態(tài)等量對(duì)比”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新性把傳統(tǒng)彈簧測(cè)力計(jì)面板刻度“上小下大”改為“上大下小”，簡(jiǎn)化了操作方式，促進(jìn)了學(xué)生優(yōu)化科學(xué)方法。

5? 利用浮漂原理的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)——促進(jìn)學(xué)生提升科學(xué)思維

5.1? “浮漂原理”項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)

（1）實(shí)驗(yàn)器材及項(xiàng)目“產(chǎn)品”設(shè)計(jì)：自制有上下托盤的浮漂、砝碼、鐵架臺(tái)、溢水杯、小燒杯、小石塊、細(xì)線和水等，再根據(jù)器材組裝“產(chǎn)品”。

（2）項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)操作要求：

①將浮漂器放入裝滿水的溢水杯中，將小石塊放在上托盤中（如圖4（甲）所示），這時(shí)浮漂器與小石塊在水中處于漂浮狀態(tài)，讀出此刻浮漂器水位刻度并做好記錄。

②小石塊放入水中的下托盤中，跟圖4（甲）相比，圖4（乙）中的小石塊在水中產(chǎn)生了浮力，打破了原有的漂浮平衡狀態(tài)，會(huì)上浮一些后再處于新的漂浮平衡狀態(tài)，但這時(shí)浮漂器水位刻度示數(shù)變了。

③為了讓浮漂器水位刻度恢復(fù)到原來(lái)的位置，可在圖4乙的上托盤中加砝碼，同時(shí)用小燒杯接收溢水杯中溢出的水，直到水位刻度恢復(fù)到原來(lái)的水位刻度。這時(shí)，砝碼的總重力大小即為小石塊受到的浮力大小，有F浮=G砝碼。

④再把上托盤中的砝碼取下，浮漂器又會(huì)上浮，使水位刻度又發(fā)生變化。把小燒杯中接收的溢出水倒入上托盤中，如圖4（丙）所示，這時(shí)發(fā)現(xiàn)，水位刻度又恢復(fù)到原來(lái)的水位刻度，可見(jiàn)此時(shí)溢出水的總重力（即為排開(kāi)水的重力G排）等于砝碼的總重力，即G排=G砝碼。

⑤比較圖4（乙）、（丙），因F浮=G砝碼，G排=G砝碼，因此有F浮=G排，從而驗(yàn)證了阿基米德原理。

5.2? “浮漂原理”項(xiàng)目式實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新之處

（1）本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)通過(guò)“水位刻度”的比較來(lái)比較浮漂所受的浮力，并不需要具體計(jì)算此時(shí)浮力的大小。

（2）小石塊從上托盤移到下托盤時(shí)浮漂總重力不變，但小石塊從沒(méi)有浸入水中到浸入水中時(shí)，要緊緊抓住浮力從無(wú)到有的思維。再?gòu)牡窒×Φ挠绊?，使“水位刻度”恢?fù)到原來(lái)刻度，找出其中的等量關(guān)系，理解等效替代的科學(xué)思維。

（3）本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)通過(guò)最終找出F浮=G排的等量關(guān)系，直接驗(yàn)證阿基米德原理，操作簡(jiǎn)單，容易理解。

“浮漂原理”創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，避免了通過(guò)具體復(fù)雜的計(jì)算來(lái)驗(yàn)證結(jié)論，只需通過(guò)等效替代的科學(xué)思維，找出等量關(guān)系即可，促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)思維的提升。

從上述四個(gè)基于項(xiàng)目式學(xué)習(xí)的改進(jìn)或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的樂(lè)趣[ 1 ]，激發(fā)了學(xué)生科學(xué)興趣，拓展了科學(xué)知識(shí)，從創(chuàng)新設(shè)計(jì)項(xiàng)目“產(chǎn)品”中優(yōu)化了科學(xué)方法，提升了科學(xué)思維，可見(jiàn)，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)對(duì)促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展有較大的作用。

參考文獻(xiàn)：

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