體現(xiàn)學業(yè)要求 凸顯素養(yǎng)評價

摘" 要：本文對寧波市2023年初中學業(yè)水平考試科學第33題進行分析，就試題如何體現(xiàn)《義務(wù)教育科學課程標準（2022年版）》學科核心概念的學業(yè)要求，以及如何凸顯核心素養(yǎng)的評價做深入的評析。本文以該試題為例，分享相關(guān)問題的多種解法，體現(xiàn)了不同的思維方式，并對學生的錯解進行了分析，指出其素養(yǎng)的缺失。在此基礎(chǔ)上為項目化教學、學科核心概念的融合教學、探究實踐教學給出教學啟示。

關(guān)鍵詞：學科核心概念；核心素養(yǎng)；試題評析；教學啟示

基金項目：本文系浙江省教育科學規(guī)劃2023年度一般規(guī)劃課題“初中科學差異化探究教學的策略研究”（課題編號：2023SC184）及2023年寧波市基礎(chǔ)教育教研課題“初中科學探究實踐作業(yè)設(shè)計與實施的策略研究”（課題編號：LX2023140）的研究成果之一。

1" 試題呈現(xiàn)

學習了項目化課程后，小寧自制一支能測液體密度的儀器。如圖1甲所示，取一根兩端開口、粗細厚薄均勻的勻質(zhì)塑料管MN，N端用合金塊封口，再通過計算在塑料管外壁標上刻度線和刻度值，儀器就制作完成。如圖1乙所示，當儀器豎直漂浮在待測液體中時，液面所對應(yīng)的刻度值就是待測液體的密度大小。已知塑料管長l1＝30 cm，質(zhì)量m1＝3 g，塑料管橫截面的外圓面積S＝1.2 cm2；合金塊高l2＝2 cm，質(zhì)量m2＝18 g。請計算：

（1）該儀器的重力。

（2）該儀器豎直漂浮在水中，受到的浮力大小及浸入水中的深度。

（3）該儀器豎直漂浮在水中，水對該儀器底部的壓強大小。

（4）為了找出該儀器的重心，小寧用細線將它懸掛起來，使其水平平衡，如圖1丙所示。重心О點離N端的距離d為""" cm。

（5）物體浮力作用點位于物體浸入液體部分的幾何中心。該儀器的浮力作用點位于重心及以下時，將會在液體中傾倒，難以測量。從理論上分析，該儀器豎直漂浮在某種液體中時，如果浮力作用點恰好與該儀器重心重合，則該液體的密度為""" g/cm3。（計算結(jié)果精確到0.1 g/cm3）

圖1

2" 試題解答

2.1" 第（1）問解析

該儀器的質(zhì)量為

m總＝m1＋m2＝3 g＋18 g＝21 g＝0.021 kg，故該儀器的重力為

G總＝m總g＝0.021 kg×10 N/kg＝0.21 N。

2.2" 第（2）問解析

該儀器正常工作時處于漂浮狀態(tài)，則所受浮力

F?。紾總＝0.21 N。

【解法一】

由F?。溅阉甮V排，得V排＝F浮ρ水g＝0.21 N1.0×103 kg/m3×10 N/kg＝2.1×10－5 m3，則該儀器浸入水中的深度為

h浸＝V排S＝2.1×10－5 m31.2×10－4 m2＝0.175 m。

【解法二】

該儀器在水中可以受到的最大浮力為

F?。溅阉甮V排＝1.0×103 kg/m3×10 N/kg×1.2×10－4 m2×0.3 m＝0.36 N，實際該儀器在水中漂浮時受到的浮力為0.21 N，由兩次浮力之比等于浸入深度之比，得

0.36 N0.21 N＝30 cmh浸，即h浸＝17.5 cm。

【解法三】

該儀器漂浮在水中時水對該儀器底部的壓強為

p底＝F向上S＝G總S＝0.21 N1.2×10－4 m2＝1750 Pa，根據(jù)p＝ρ水gh浸，得

h浸＝pρ水g＝1750 Pa1.0×103 kg/m3×10 N/kg＝0.175 m。

故該儀器漂浮在水中受到的浮力為0.21 N，浸入水中的深度為0.175 m。

2.3" 第（3）問解析

【解法一】

p底＝F向上S＝G總S＝0.21 N1.2×10－4 m2＝1750 Pa。

【解法二】

根據(jù)p＝ρ水gh浸＝1.0×103 kg/m3×10 N/kg×0.175 m＝1750 Pa。

2.4" 第（4）問解析

設(shè)塑料管重力的力臂為L1，合金塊重力的力臂為L2。

由圖中數(shù)據(jù)，可知L1＝15 cm－d，L2＝d－1 cm，根據(jù)杠桿平衡條件F1L1＝F2L2，得G1L1＝G2L2，即m1gL1＝m2gL2，即m1L1＝m2L2，代入數(shù)據(jù)，有3g×（15 cm－d）＝18g×（d－1 cm），解得d＝3 cm。

2.5" 第（5）問解析

【解法一】

如果浮力作用點恰好與該儀器重心重合，則密度計浸入液體中的深度h＝2d＝2×3 cm＝6 cm。

由于該儀器處于漂浮狀態(tài)，故有F?。紾總，即ρ液gV排＝m總g，得ρ液＝m總V排＝21g6 cm×1.2 cm2≈2.9 g/cm3。

【解法二】

密度計在水中和在某種液體中，均處于漂浮狀態(tài)，故兩次所受浮力大小相等，則F浮水＝F浮液，即ρ水gV排水＝ρ液gV排液，得ρ液＝ρ水V排水V排液＝ρ水Sh水Sh液＝ρ水h水h液＝1 g/cm3×17.5 cm6 cm≈2.9 g/cm3。

3" 試題評析

該試題以“自制密度計”創(chuàng)設(shè)情境，聚焦部分核心概念，融合跨學科概念設(shè)置問題，體現(xiàn)了《義務(wù)教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）的學業(yè)要求，凸顯核心素養(yǎng)的評價（見圖2）。

3.1" 體現(xiàn)學業(yè)要求

《課程標準》指出：科學課程設(shè)置的13個學科核心概念，是所有學生在義務(wù)教育階段應(yīng)該掌握的科學課程的核心內(nèi)容。通過對學科核心概念的學習，理解物質(zhì)與能量、結(jié)構(gòu)與功能、系統(tǒng)與模型、穩(wěn)定與變化4個跨學科概念。［1］同時《課程標準》提出了各學段的13個學科核心概念和4個跨學科概念的內(nèi)容要求和學業(yè)要求。

3.1.1" 聚焦核心概念

該試題聚焦“物質(zhì)的運動與相互作用”“能的轉(zhuǎn)化與能量守恒”“技術(shù)、工程與社會”“工程設(shè)計與物化”4個科學學科核心概念，緊緊圍繞七至九年級學段學業(yè)要求命制。［2］本文整理了試題中各個問題考查的核心、對應(yīng)的學科核心概念及其對應(yīng)學科核心概念下的學業(yè)要求，如表1所示。

表1" 各問題及其對應(yīng)的學科核心概念及學業(yè)要求

問題考查的核心學科核心概念學科核心概念下的學業(yè)要求（部分）

第（1）問根據(jù)塑料管和合金塊的總質(zhì)量，求總重力物質(zhì)的運動與相互作用初步認識常見的幾種力

第（2）問根據(jù)物體呈漂浮狀態(tài)，分析受力，并運用阿基米德原理進行簡單的計算，求浸入的深度物質(zhì)的運動與相互作用解決生活中簡單的力學問題

第（3）問課標不要求根據(jù)p＝ρgh進行計算，而是通過理解浮力和液體壓強的關(guān)系，求壓強大小物質(zhì)的運動與相互作用能用壓強原理解釋阿基米德原理

第（4）問找準杠桿的支點、動力、阻力、動力臂、阻力臂，根據(jù)杠桿平衡條件進行計算，尋找重心能的轉(zhuǎn)化與能量守恒解決簡單機械的相關(guān)問題

第（5）問將物體漂浮時排開液體的質(zhì)量等效于物體的質(zhì)量，或根據(jù)兩種液體的密度比與浸入液體深度成反比的關(guān)系，可求解該液體的密度物質(zhì)的運動與相互作用能用等效替代的方法理解阿基米德原理

綜合密度計的原理、制作、使用、分析技術(shù)、工程與社會；工程設(shè)計與物化能制作把科學原理轉(zhuǎn)化為技術(shù)產(chǎn)品的簡單裝置；對設(shè)計方案進行模擬分析和預(yù)測

3.1.2" 融合跨學科概念

該試題融合“系統(tǒng)與模型”“穩(wěn)定與變化”兩個跨學科概念進行整體設(shè)計?！懊芏扔嬆Ｐ汀必灤┰囶}始終，“杠桿模型”創(chuàng)設(shè)出該試題的難點，兩個模型的原理、使用、分析是解決問題的關(guān)鍵。當學生獨立分析第（4）問時，圖丙所示就是一個系統(tǒng)。這個系統(tǒng)內(nèi)杠桿的支點、動力、阻力、動力臂、阻力臂都會影響杠桿的平衡。在分析儀器和液體時，儀器和液體組成的整體就是一個系統(tǒng)。系統(tǒng)內(nèi)液體的密度、儀器的質(zhì)量、橫截面積等因素會影響儀器的狀態(tài)。該試題存在“橫向”和“縱向”的穩(wěn)定，例如在尋找重心時，運用了杠桿的水平平衡，這是“橫向”穩(wěn)定；而在測量液體的密度時，運用了儀器在豎直方向上的受力平衡，這是“縱向”穩(wěn)定。該試題在穩(wěn)定中又存在變化，例如將水換成另一種液體時，儀器浸入的深度就會發(fā)生變化。教師應(yīng)引導(dǎo)學生在穩(wěn)定中找到規(guī)律，如漂浮狀態(tài)下的二力平衡、杠桿平衡；在變化中發(fā)現(xiàn)不變，如在不同的液體中儀器都處于漂浮狀態(tài)，受力相同。

3.2" 凸顯素養(yǎng)評價

《課程標準》提出，科學課程要培養(yǎng)的學生核心素養(yǎng)包括科學觀念、科學思維、探究實踐、態(tài)度責任等方面。［3］同時，《課程標準》在學業(yè)水平考試命題原則中又提出了強化育人導(dǎo)向，注重考試命題的素養(yǎng)立意，全面考查學生的科學觀念、科學思維、探究實踐和態(tài)度責任。［4］

3.2.1" 重視科學觀念的評價

科學觀念是在理解科學概念、規(guī)律、原理的基礎(chǔ)上形成的對客觀事物的總體認識。［5］科學觀念既包括對科學本質(zhì)的認識，如概念、規(guī)律、原理的理解；也包括科學、技術(shù)與工程領(lǐng)域的一些具體觀念，如物質(zhì)觀、能量觀、變化觀；還包括解釋自然現(xiàn)象、解決實際問題的意識與能力。該試題涉及的科學概念有質(zhì)量、重力、重心、力的作用點、杠桿、密度等；科學規(guī)律有杠桿平衡條件；科學原理有浮力的成因、密度計的測量原理、阿基米德原理。因此，該試題極其重視對學生科學概念、規(guī)律、原理理解的評價。［6］

通過教師閱卷后的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，有同學在第（1）問中混淆了質(zhì)量和重力的概念，對根據(jù)物體質(zhì)量計算重力的方法掌握不清晰，未達到學業(yè)水平考試中的“初步認識常見的幾種力”的要求。有同學在第（5）問中沒有理清題中給出的重心和浮力作用點的關(guān)系，無法準確地求得儀器浸入液體的深度，錯失解決問題的關(guān)鍵點。有同學在第（4）問中難以找準動力臂和阻力臂，產(chǎn)生錯解。［7］有同學在第（2）、（3）問中，對密度計的測量原理、阿基米德原理的理解不深刻，對浮力的成因認識模糊，造成錯解。

學業(yè)水平考試中要求的“用等效替代的方法理解阿基米德原理”在第（5）問體現(xiàn)得尤為清晰，對學生來說具有一定的難度。該試題也重視平衡觀和變化觀的應(yīng)用，如根據(jù)漂浮狀態(tài)，運用平衡觀得出此時浮力與重力的大小相等，運用平衡法尋找儀器的重心；儀器在水中和某種液體中都處于漂浮狀態(tài)，液體密度變化，儀器所受浮力不變，但浸入液體的深度變化，需用平衡觀和變化觀找到解題的路徑。該試題還重視評價學生運用科學觀念解決實際問題的能力，從常規(guī)的考查密度計的應(yīng)用轉(zhuǎn)向考查密度計與杠桿的結(jié)合，另辟蹊徑，增強對學生科學觀念素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3.2.2" 注重科學思維的評價

科學思維是從科學的視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認識方式，主要包括模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維等。［8］該試題評價了學生對密度計模型原理的理解和應(yīng)用，以及描述整個測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、關(guān)系和變化過程的認識程度；評價了杠桿模型的分析能力；評價了由重心推理得到V排的能力；以及從不同角度分析、解決問題的創(chuàng)新思維能力。

有同學在第（2）問中先計算塑料管的體積，由此數(shù)據(jù)直接計算塑料管在水中產(chǎn)生的最大浮力，將此作為儀器漂浮在水中受到的浮力。這種思路顯然是錯誤的，反映出部分同學對密度計模型原理認識的不足，模型建構(gòu)不達標。在第（2）問求儀器浸入水中的深度時，有同學無法根據(jù)F浮計算出V排，進而求得h浸，反映出他們對密度計和液體整個系統(tǒng)內(nèi)部F浮、ρ液、V排、h浸、S之間的關(guān)系不清晰，邏輯思維欠缺。

對于第（4）問中的杠桿系統(tǒng)，有同學對該系統(tǒng)內(nèi)杠桿的五個要素O、F1、F2、L1、L2分析時出現(xiàn)錯誤，陷入解題誤區(qū)，顯示出對杠桿本質(zhì)屬性認識的不足。第（5）問中求解V排是學生思維的主要障礙點，反映出由第（4）問結(jié)合第（5）問試題中給出的重心和浮力作用點重合，推理得到h浸、V排的能力不足。

該試題還為學生創(chuàng)新思維的呈現(xiàn)提供了很好的平臺，如試題解答中第（5）問的解法二具有一定的創(chuàng)新性，因該儀器在水和另一種液體中均漂浮，則兩次所受的浮力的大小相等，液體密度與浸入液體的深度成反比。我們突破思維定勢，快速求解。再如第（2）問的解法二，由物體浸沒之前浸入液體越深浮力越大可知，在該情境下儀器所受浮力與浸入的深度成正比。此解法也展現(xiàn)了學生從不同的角度解決同一問題的創(chuàng)新思維能力。

3.2.3" 關(guān)注探究實踐的引導(dǎo)

探究實踐主要是指在了解和探索自然、獲得科學知識、解決科學問題，以及技術(shù)與工程實踐過程中，形成的科學探究能力、技術(shù)與工程實踐能力和自主學習能力。［9］試題的命制情境是密度計的制作與使用，題中詳細地介紹了材料的選擇、參數(shù)以及制作過程，圍繞密度計自身及基本使用方法，編制了前三個較為常規(guī)的問題。在第（4）、（5）問中，該試題融合了新的探究實踐情境。例如，第（4）問中試題介紹了如何利用懸掛法尋找質(zhì)量不均勻杠桿的重心，設(shè)計了根據(jù)杠桿受力平衡進行分析、計算的問題。該試題的難點不在于計算，而在于尋找重心，找準動力臂和阻力臂。第（5）問說明了當儀器的浮力作用點位于重心及以下時，儀器將會在液體中傾倒，難以測量，明確了密度計可以使用的限制條件，體現(xiàn)了在真實情境中命制試題。因此，試題的整體探究實踐情境是多項目的融合，引導(dǎo)師生在探究實踐中解決真實的情境問題。

3.2.4" 促使態(tài)度責任的形成

態(tài)度責任是在認識科學本質(zhì)及規(guī)律，理解科學、技術(shù)、社會、環(huán)境之間關(guān)系的基礎(chǔ)上，逐漸形成的科學態(tài)度與社會責任。［10］試題根據(jù)物體浮沉條件的應(yīng)用——密度計的制作、使用、分析展開，抓住科學的本質(zhì)，遵循科學的規(guī)律，激發(fā)了學生的好奇心和探究的熱情。第（5）問給出了該儀器使用的限制條件，體現(xiàn)了實事求是的科學態(tài)度。問題的難度層層遞進，有利于培養(yǎng)學生善于思考的科學態(tài)度。

4" 教學啟示

科學教學目前較為提倡大單元的統(tǒng)領(lǐng)，圍繞大單元設(shè)計教學目標，實現(xiàn)目標進階，圍繞大單元設(shè)計教學活動，組織大單元的整體評價。我們從該試題的研究中發(fā)現(xiàn)，在教學中，特別是在復(fù)習教學或?qū)嵺`活動中，教師也要注重學科核心概念的整體教學。《課程標準》提出的13個學科核心概念，每個核心概念下的教學內(nèi)容都不是只以一個單元的形式呈現(xiàn)的。［11］教師應(yīng)研究學科核心概念下的內(nèi)容要求和學業(yè)要求，注重核心概念下多內(nèi)容的結(jié)合，并關(guān)注融合跨學科概念進行教學，提升學生解決綜合性問題的能力。

科學教學目前也較為推崇項目化教學和在真實情境中解決問題。但還廣泛存在以下現(xiàn)象：有豐富的項目化制作，沒有問題或缺乏有思維含量的科學問題；情境教學中情境不真實、單一、沒有價值，情境的深化與遷移不夠，難以生成有深度的科學問題。情境是教學和提升學生素養(yǎng)的載體，教學要善于創(chuàng)設(shè)有價值的情境，生成有意義的問題，才能更大程度提升學生的素養(yǎng)。

參考文獻

［1］［2］［3］［4］［5］［8］［9］［10］［11］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育科學課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022：16-19，34-104，4，123，4，4-5，5，5，17-19.

［6］倪紅飛.注重能力考查" 凸顯核心素養(yǎng)——2018年蘇州市初中畢業(yè)升學考試試卷評析［J］.物理教師，2019，40（4）：53-55．

［7］張麗萍，石巖.聚焦圖象模型認知" 進階科學思維實操——核心素養(yǎng)導(dǎo)向下2022年高考壓軸題評析與啟示［J］.物理教學，2022，44（11）：66-70．