項目式學習促學生科學素養發展的實驗改進與創新

郭紀萌

摘? ?要：隨著社會科技的飛速發展，對學生科學素養的培養顯得越來越重要，也是發展學生核心素養的重要方面。為促進學生科學素養發展，嘗試以項目式學習任務為出發點，以阿基米德原理驗證實驗為例，挖掘改進教材實驗、創新設計項目式實驗“產品”，促進學生提高科學興趣，拓展科學知識，優化科學方法，提升科學思維，探索出項目式學習對促進學生科學素養發展的重要途徑。

關鍵詞：項目式學習;科學素養;實驗改進;創新

1? 項目式學習及發展學生科學素養的實驗探索

項目式學習是指教師在教學過程中，針對教學內容創設出一個真實的問題情境（即項目），由教師提供學習資源和學習工具，以項目任務為驅動，精心預設、組織、引導、激發學生合作學習，探索項目答案并解決的教學過程。

基于項目式學習，以“驗證阿基米德原理”為例，需要一個簡單直觀的實驗來探究這個原理[ 1 ]，經歷實驗項目的改進和創新，探索培養學生的科學素養發展的途徑。

2? “復原法”改進教材實驗——促進學生提高科學興趣

2.1? “復原法”項目式實驗

（1）實驗器材及項目“產品”設計：彈簧測力計、鐵架臺、掛杯、溢水杯、小燒杯、升降臺、石塊、細線和水等，再根據器材組裝“產品”。

（2）項目實驗操作要求：

①先減：圖1（甲）、（乙）、（丙）、（丁）、（戊）的動態過程中，彈簧測力計從開始稱石塊重力，再到讓石塊慢慢浸入水中，直到浸沒水中，這個過程是先使彈簧測力計示數因水的浮力而減小（注意用小燒杯收集溢水杯中溢出的水）;

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，彈簧測力計示數又逐漸增加了。

（3）項目實驗觀察：實驗觀察到彈簧測力計示數先減小（F1→F2→F3 ），后增加（F3→F4→F5）的一個“復原”過程，并且觀察發現，F5≈F1。

2.2“復原法”項目式實驗改進之處

在滬科新版等教材中，驗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生的認知水平[ 2 ]。本實驗改進之處：

（1）教材中實驗用手提彈簧測力計，在測量過程中手不可避免會晃動，可能導致彈簧測力計測量的示數不夠準確。

（2）教材中實驗因手提彈簧測力計的抖動，還會導致溢水杯中所溢出的水產生較大誤差。

（3）本改進實驗用鐵架臺吊掛，使彈簧測力計及石塊（含掛杯）保持良好的靜止狀態，用升降臺的上升來很好地控制溢水杯中溢出水。

（4）本改進實驗中可慢慢提升或暫停升降臺，能仔細觀察示數的變化或讀出彈簧測力計的示數，過程性好，直觀性強。

通過“復原法”項目式改進實驗，設置項目式實驗要求的情境，激發學生對科學實驗的興趣，促進學生提高科學興趣。

3? “杠桿平衡”創新實驗——促進學生拓展科學知識

3.1? “杠桿平衡”項目式實驗

（1）實驗器材及項目“產品”設計：自制帶托盤的杠桿、鉤碼、砝碼、鐵架臺、溢水杯、小燒杯、滴管、小石塊、細線和水等，再根據器材組裝“產品”。

（2）項目實驗操作要求：

①調節杠桿自身的水平平衡：先對自制帶托盤的杠桿進行調節，刻度盤指針偏左（或右），調節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：調節杠桿水平平衡后，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平衡），后改用砝碼調節杠桿水平平衡（注：在反復調節中，溢水杯中可用滴管滴入少許水，直至水不再從溢水杯中溢出，并把小燒杯中的水清理干凈;刻度盤上的四個“限位柱”是為了放溢水杯、鉤碼等物體時不因杠桿還沒有水平平衡而往下掉落），如圖2（甲）所示。

③產生浮力后杠桿失去平衡：用鐵架臺、細線把小石塊浸入溢水杯中，用小燒杯接入溢出的水。這時，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，發現杠桿恢復水平平衡，如圖2（丙）所示。

3.2? “杠桿平衡”項目式實驗創新之處

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

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

（3）圍繞杠桿“平衡”與“失去平衡”進行實驗，找出失去平衡和恢復平衡的原因，從而找出等量關系。（分析：圖2（乙）小石塊浸入水中產生浮力F浮，此時對應產生一個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，杠桿恢復了水平平衡，可知減少了排開水的重力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。等量代換可驗證F浮=G排）。

（4）實驗操作簡單，對應物理量明確，直接針對阿基米德原理中的兩個物理量，即F浮、G排，通過浮力的反作用力F反作為過渡，從而最終驗證結論。

“杠桿平衡”項目式創新實驗，簡化了操作，引導學生根據實驗原理進行遷移和自制實驗器材， 增強了學生實驗動手能力，促進了學生拓展科學知識。

4? “動態等量”對比實驗——促進學生優化科學方法

4.1? “動態等量”對比項目式實驗

（1）實驗器材及項目“產品”設計：彈簧測力計、鐵架臺（2個）、掛杯、溢水杯（長嘴）、升降臺、石塊、細線和水等，再根據器材組裝“產品”。

（2）項目實驗操作要求：

①“校零”：先對圖3（甲）、（乙）中彈簧測力計掛物體后示數“校零”。

要注意圖3（甲）中彈簧測力計的面板刻度是“上大下小”的，選用一重力約5 N的石塊，掛上石塊后，調節面板刻度板，使示數對齊最下方的零刻度。另外，圖3（乙）中彈簧測力計掛上掛杯后，調節面板刻度板，使示數對齊最上方的零刻度。

此時，圖3（甲）、（乙）中彈簧測力計的“示數”均為零，即F1=0，F2=0。

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

③“動態”：把圖3（丙）中的升降臺緩慢向上升起，石塊開始浸入水中產生浮力，此時彈簧測力計的“示數F3”（注意示數標簽是上大下小，讀數是要從下往上讀的）即為浮力，且是動態向上變化的;同時，溢水杯中的水會從長嘴中溢出，注意溢水杯的長嘴要對準圖3（丁）中的掛杯且不碰掛杯，讓水滴入掛杯中。此時，圖3（丁）中的彈簧測力計的“示數F4”即為排開水的重力，且是動態向下變化的。

④“等量”：雖然“示數F3”與“示數F4”一直是動態變化的，但升降臺任何時候停止上升，待溢水杯長嘴不再滴水時，始終有F3=F4的等量關系。通過動態等量對比，即可得出結論：浸入水中的石塊所受浮力的大小等于石塊排開的水所受重力的大小，從而驗證阿基米德原理。

4.2? “動態等量”對比項目式實驗創新之處

（1）創新性地把彈簧測力計的面板刻度做成“上大下小”，“倒貼”在彈簧測力計上，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）創新性地通過溢水杯長嘴，把浮力的大小與排開液體的重力大小建立聯系。

（3）直觀顯示：本創新實驗可直觀并直接地“顯示”浮力的大小與排開液體的重力大小。避開了繁瑣的實驗步驟，使實驗更加直接直觀。同時升降臺的使用便于改變物體浸入液體 的深度，相當于多次實驗，使實驗結果更具普適性[ 3 ]。

（4）動態對比：本創新實驗對浸入液體中的物體，可動態地停在液體中的任何深度，待溢水杯不再滴水時，讀出浮力的大小與排開液體的重力大小進行對比。

（5）驗證等量：本創新實驗在物體浸入液體中產生浮力之后，可動態顯示浮力的大小與排開液體的重力大小的等量關系，從而直接驗證了阿基米德原理的正確性，即得出結論：浸入液體中的物體所受浮力的大小等于物體排開的液體所受重力的大小。

“動態等量對比”創新實驗，創新性把傳統彈簧測力計面板刻度“上小下大”改為“上大下小”，簡化了操作方式，促進了學生優化科學方法。

5? 利用浮漂原理的創新實驗——促進學生提升科學思維

5.1? “浮漂原理”項目式實驗

（1）實驗器材及項目“產品”設計：自制有上下托盤的浮漂、砝碼、鐵架臺、溢水杯、小燒杯、小石塊、細線和水等，再根據器材組裝“產品”。

（2）項目實驗操作要求：

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），這時浮漂器與小石塊在水中處于漂浮狀態，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生了浮力，打破了原有的漂浮平衡狀態，會上浮一些后再處于新的漂浮平衡狀態，但這時浮漂器水位刻度示數變了。

③為了讓浮漂器水位刻度恢復到原來的位置，可在圖4乙的上托盤中加砝碼，同時用小燒杯接收溢水杯中溢出的水，直到水位刻度恢復到原來的水位刻度。這時，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，浮漂器又會上浮，使水位刻度又發生變化。把小燒杯中接收的溢出水倒入上托盤中，如圖4（丙）所示，這時發現，水位刻度又恢復到原來的水位刻度，可見此時溢出水的總重力（即為排開水的重力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，從而驗證了阿基米德原理。

5.2? “浮漂原理”項目式實驗創新之處

（1）本創新實驗通過“水位刻度”的比較來比較浮漂所受的浮力，并不需要具體計算此時浮力的大小。

（2）小石塊從上托盤移到下托盤時浮漂總重力不變，但小石塊從沒有浸入水中到浸入水中時，要緊緊抓住浮力從無到有的思維。再從抵消浮力的影響，使“水位刻度”恢復到原來刻度，找出其中的等量關系，理解等效替代的科學思維。

（3）本創新實驗通過最終找出F浮=G排的等量關系，直接驗證阿基米德原理，操作簡單，容易理解。

“浮漂原理”創新實驗，避免了通過具體復雜的計算來驗證結論，只需通過等效替代的科學思維，找出等量關系即可，促進了學生科學思維的提升。

從上述四個基于項目式學習的改進或創新實驗帶來的樂趣[ 1 ]，激發了學生科學興趣，拓展了科學知識，從創新設計項目“產品”中優化了科學方法，提升了科學思維，可見，項目式學習對促進學生科學素養發展有較大的作用。

參考文獻：

[1] 王正蛟.驗證阿基米德原理的幾種實驗對比[J].物理通報，2017（5）：85-88.

[2] 邢紅軍，朱南，陳清梅.介紹一種新型的阿基米德原理演示儀[J].物理教師，2003，24（7）：23-24.

[3] 何姜玲，楊墦.浮力秤及其對阿基米德原理實驗裝置的改進[J].湖南中學物理，2017，32（7）：66-67.