“科學(xué)史+模型建構(gòu)”雙視角下的項目化學(xué)習(xí)

摘 要：探討了在“質(zhì)量的測量”新課教學(xué)中實施項目化學(xué)習(xí)的策略，通過融合“科學(xué)史+模型建構(gòu)”的方法，突出教學(xué)主線，并促進科學(xué)思維的發(fā)展。通過“固托盤—定底座—加螺母—設(shè)砝碼—添游碼—標(biāo)刻度”等步驟，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)質(zhì)量測量儀器，從而深入理解天平的構(gòu)造及其在質(zhì)量測量中的關(guān)鍵作用。

關(guān)鍵詞：科學(xué)史；模型建構(gòu)；項目化學(xué)習(xí)；質(zhì)量測量

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2024）8-0083-5

項目化學(xué)習(xí)強調(diào)在真實情境中提出問題，通過“核心知識—驅(qū)動性問題—高階認(rèn)知—學(xué)習(xí)實踐—公開成果—全程評價”的設(shè)計框架，實現(xiàn)知識的建構(gòu)，完成項目目標(biāo)，并培育核心素養(yǎng)。然而，缺乏明確的教學(xué)主線和高階思維的引導(dǎo)，項目化學(xué)習(xí)可能會流于形式，難以突破教學(xué)難點，也無法促進學(xué)生對核心概念的深度理解，導(dǎo)致教學(xué)效果欠佳。

科學(xué)史不僅記錄了科學(xué)概念的演變過程，還蘊含了豐富的思維素材，是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識的重要資源。模型建構(gòu)法能夠簡化復(fù)雜事物，揭示其本質(zhì)，有效的模型建構(gòu)有助于學(xué)生認(rèn)識科學(xué)事物，培養(yǎng)科學(xué)思維，提升科學(xué)素養(yǎng)。在項目化學(xué)習(xí)中，適時引入科學(xué)史和模型建構(gòu)，可以成為貫穿核心知識、驅(qū)動性問題和學(xué)習(xí)實踐的主線，同時與項目設(shè)計、成果物化和全程評價緊密結(jié)合。因此，“科學(xué)史＋模型建構(gòu)”的方法有助于項目化學(xué)習(xí)的六個維度得到有效實施和拓展。

本文以浙教版七年級上冊第四章第２節(jié)“質(zhì)量的測量”教學(xué)設(shè)計為例，展示了如何將科學(xué)史的人文精神和模型建構(gòu)的科學(xué)思維融入項目化學(xué)習(xí)，以改善學(xué)習(xí)體驗，完善知識結(jié)構(gòu)，顯化思維路徑，并加以驗證，從而有效推動項目化學(xué)習(xí)的實施和落地。

１ 教學(xué)目標(biāo)定位

（１）科學(xué)觀念：圍繞“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”這一核心概念，明確物體質(zhì)量測量的基本要素和方法，體驗測量在科學(xué)實驗和觀察中的重要性，逐步形成“測量觀”。

（２）科學(xué)思維：在“完善古埃及天平杠桿”問題驅(qū)動下，結(jié)合“測量”和“平衡”等核心概念，運用問題解決、創(chuàng)見和決策等高階認(rèn)知策略，增強模型建構(gòu)意識，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

（３）探究實踐：基于測量相關(guān)的前期知識，以建構(gòu)質(zhì)量測量儀器為目標(biāo)，結(jié)合科學(xué)史在現(xiàn)有儀器基礎(chǔ)上進行設(shè)計和實現(xiàn)，提升科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實踐能力和自主學(xué)習(xí)能力。

（４）態(tài)度責(zé)任：在項目建構(gòu)的過程中，保持好奇心和求知欲。基于獨立思考及團隊協(xié)作，發(fā)表具邏輯性的見解；在整個項目建構(gòu)中，尊重他人的情感和態(tài)度，善于合作分享。

２ 教學(xué)設(shè)計框架

該節(jié)課以概念性知識為核心，適合采用項目化學(xué)習(xí)的方式進行設(shè)計。考慮到學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)和教材內(nèi)容，學(xué)生在學(xué)習(xí)“質(zhì)量的測量”之前，已經(jīng)具備了一定的測量知識。同時，質(zhì)量測量的方法受到秤的發(fā)展影響。因此，設(shè)計以下學(xué)習(xí)框架（圖１）——即以項目化學(xué)習(xí)為載體，以科學(xué)史與模型建構(gòu)相結(jié)合為實施路徑。在“質(zhì)量的測量”教學(xué)中，融入秤的發(fā)展史，以“測量”概念的延伸為知識線，以蹺蹺板的改進升級為情境線，以質(zhì)量測量儀器的建構(gòu)為活動線。在“物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”這一核心概念的引導(dǎo)下，結(jié)合“平衡”和“測量”這兩個大核心概念，以“建構(gòu)一個質(zhì)量測量儀器”為項目目標(biāo)，結(jié)合評價量表，完成從“定性到定量，粗測到精測”的模型建構(gòu)，以期促進學(xué)生科學(xué)觀念的形成和科學(xué)素養(yǎng)的培育。

３ 教學(xué)設(shè)計與描述

３．１ 質(zhì)量粗測儀器建構(gòu)

３．１．１ 模型建構(gòu)１：創(chuàng)設(shè)真實情境，引入科學(xué)史實

教師：（播放網(wǎng)紅蹺蹺板的視頻，并解說）蹺蹺板是生活中常見的物體，幾乎每位同學(xué)都體驗過。從剛才的視頻中，大家能否獲得靈感，利用棍子和三根繩子來比較兩個物體（如兩塊橡皮）的質(zhì)量大小？

學(xué)生：可以把一根繩子固定在棍子的中間，另外兩根繩子分別掛在棍子的兩端。當(dāng)棍子保持平衡時，邊上的繩子到中間的繩子距離相同。通過比較棍子的傾斜程度來判斷物體的質(zhì)量大小。

學(xué)生活動：按照設(shè)計意圖，制作出質(zhì)量粗測儀器并展示（圖２）。

科學(xué)史１：４５００年前，埃及人制作出了最古老的天平杠桿（圖3）。這種天平由兩根棍子和三根繩子構(gòu)成，中間的繩子用以固定，邊上的繩子用來稱重。它主要用于稱量寶石和金塊。

教師：剛才大家建造的儀器與４５００年前的埃及天平杠桿非常相似。這節(jié)課，同學(xué)們將在古老的埃及天平杠桿基礎(chǔ)上繼續(xù)改進，建構(gòu)一個輕小物體的質(zhì)量測量儀器。請仔細(xì)閱讀任務(wù)單，了解這節(jié)課的任務(wù)，并思考，這樣的天平杠桿有什么缺點，可以怎么改進？

學(xué)生：繩子吊物體很麻煩，可以把繩子改成盤子。

教師：非常好，這就是春秋戰(zhàn)國時期的木衡銅環(huán)權(quán)的基本構(gòu)件（圖4）。

科學(xué)史２：春秋中晚期，楚國發(fā)明了木衡銅環(huán)權(quán)作為稱量黃金的工具。

教師：大家覺得這個儀器還可以怎么改進？

學(xué)生：加一個底座，用以固定托盤。

設(shè)計意圖：通過蹺蹺板這一生活中常見的情境，提出驅(qū)動性問題，引導(dǎo)學(xué)生在驅(qū)動性問題的指引下，基于平衡觀設(shè)計出簡單的質(zhì)量測量儀器。在此基礎(chǔ)上，引入古老的埃及天平杠桿及春秋戰(zhàn)國時期木衡銅環(huán)權(quán)的基本構(gòu)件，讓學(xué)生順著科學(xué)發(fā)展的歷程，建構(gòu)出一個質(zhì)量粗測儀器，由此開啟“建構(gòu)質(zhì)量測量儀器”這一項目主題。

３．１．２ 模型建構(gòu)２： 立足驅(qū)動問題，加裝平衡螺母

教師：通過剛才的改進，大家得到了一個加裝了底座、固定了托盤的儀器。但如果儀器左右兩側(cè)不平衡（圖5），同學(xué)們還能用它來比較物體質(zhì)量的大小嗎？

學(xué)生：不可以，這樣的比較是不公平的。根據(jù)坐蹺蹺板的經(jīng)驗，我們知道可以通過讓高處的同學(xué)往外坐或低處的同學(xué)往里坐來調(diào)節(jié)蹺蹺板的高低。所以，可以通過移動盤子來調(diào)節(jié)儀器的平衡。

教師：不斷拆裝盤子確實很麻煩。同學(xué)們能否加一個便于移動的小質(zhì)量物體，通過移動它來實現(xiàn)橫梁的平衡？

學(xué)生：可以。把橫梁延長，并增加一個輕便的小物體來調(diào)節(jié)橫梁的平衡。

學(xué)生活動：動手操作，增加平衡螺母，得到質(zhì)量粗測儀器（圖6），并得出調(diào)平的具體方法——橫梁哪邊高，平衡螺母就往哪邊調(diào)節(jié)。

設(shè)計意圖：平衡螺母的調(diào)節(jié)是質(zhì)量測量中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在驅(qū)動性問題的引導(dǎo)下，圍繞“平衡”這一核心概念，結(jié)合蹺蹺板的使用經(jīng)驗，明確平衡螺母的添加目的是為了調(diào)節(jié)測量前的初始平衡，確保測量的公平性；調(diào)節(jié)原理是通過移動螺母來改變儀器的平衡狀態(tài)；調(diào)節(jié)方法是橫梁哪端高，螺母就往哪端調(diào)節(jié)。平衡螺母的添加不僅解決了質(zhì)量粗測的問題，也為后續(xù)質(zhì)量精測儀器的建構(gòu)打下了基礎(chǔ)。

３．２ 建構(gòu)質(zhì)量精測儀器

３．２．１ 模型建構(gòu)３：撬動高階思維，明確稱量量度

教師：現(xiàn)在，我們有了可以平衡的儀器，但要精確測量質(zhì)量，還需要用到砝碼。那么，砝碼的質(zhì)量應(yīng)該如何確定呢？

學(xué)生：砝碼的質(zhì)量應(yīng)該根據(jù)稱量物體的大小來確定。

科學(xué)史３：在春秋中晚期，楚國已經(jīng)制造出了衡器——木衡銅環(huán)權(quán)（圖7），用于稱量黃金貨幣。楚國的重量單位為斤、兩、銖，１斤等于１６兩，１兩等于２４銖。一套完整的環(huán)權(quán)共有十枚，質(zhì)量大體呈倍數(shù)遞增，分別為一銖、二銖、三銖、六銖、十二銖、一兩、二兩、四兩、八兩、一斤。

教師：觀察楚國的銅環(huán)權(quán)，大家能否發(fā)現(xiàn)它們之間的質(zhì)量變化規(guī)律？

學(xué)生：銅環(huán)權(quán)的質(zhì)量之間呈倍數(shù)關(guān)系。通過一定的排列組合，可以得到不同大小的質(zhì)量。

教師：現(xiàn)在，人們常用的質(zhì)量單位是克，實驗室中藥品的質(zhì)量通常在２００克以下。如果大家借鑒銅環(huán)權(quán)的權(quán)重設(shè)定，實驗室的砝碼在設(shè)定時，是否也可以呈現(xiàn)倍數(shù)關(guān)系？具體是什么樣的倍數(shù)關(guān)系？需要的砝碼質(zhì)量是多少？

學(xué)生：經(jīng)過小組討論，我們明確了實驗室稱量物品時，砝碼應(yīng)該呈現(xiàn)５的倍數(shù)關(guān)系，需要的砝碼質(zhì)量有１克、５克、１０克、２０克、５０克、１００克。

設(shè)計意圖：砝碼值的設(shè)定在質(zhì)量測量中常常被忽視。通過了解楚國的銅環(huán)權(quán)質(zhì)量設(shè)定，探究其中的數(shù)量關(guān)系，學(xué)生可以推斷實驗室稱量物品時需要的砝碼值也應(yīng)該按倍數(shù)遞增。經(jīng)過小組討論，學(xué)生明確了按照現(xiàn)在的質(zhì)量換算關(guān)系，砝碼設(shè)定為５的倍數(shù)更加方便，由此確定出砝碼的質(zhì)量，并為后續(xù)的游碼添加奠定基礎(chǔ)。由于課堂時間的限制，砝碼的制作過程在此不予考慮，學(xué)生明確稱量具體的數(shù)值后，提供現(xiàn)成的砝碼更具教學(xué)效果。

３．２．２ 模型建構(gòu)４：聚焦核心知識，增添游碼調(diào)平

教師：物體的質(zhì)量不一定是整數(shù)克的，而小質(zhì)量的砝碼制造成本高、不易收納且易磨損。這個問題怎么解決？

學(xué)生討論后得出結(jié)論：添加一個輕便的小質(zhì)量物體，通過移動它，就可以得到連續(xù)變化的質(zhì)量值來使儀器保持平衡。因為它可以游動，所以叫游碼。

教師：游碼移動如何影響橫梁的平衡？它一開始應(yīng)該加在橫梁的哪一側(cè)？

學(xué)生活動：在原有儀器上添加游碼，為了最小限度地影響平衡，一開始將游碼加在中間，之后分別向左、向右調(diào)節(jié)。發(fā)現(xiàn)游碼向右移動時，右端的托盤下沉；向左移動時，右端的托盤上升。

教師：通過剛才的活動，同學(xué)們明確了游碼移動所影響的質(zhì)量是加在右盤的。并且，我們總是習(xí)慣從左向右觀察。所以，游碼一開始放在橫梁的左側(cè)，如圖８（ａ）（ｂ）所示。

教師：游碼影響平衡的因素是什么？是距離還是質(zhì)量？

學(xué)生活動：將相同質(zhì)量的游碼往右移，越往右，發(fā)現(xiàn)橫梁傾斜越明顯，說明游碼的移動距離是影響因素；將不同質(zhì)量的游碼移動相同的距離，發(fā)現(xiàn)游碼質(zhì)量大時，橫梁傾斜得更明顯，如圖８（ｃ）（ｄ）所示。由此得出結(jié)論，游碼的質(zhì)量與移動的距離會共同影響橫梁的平衡。

設(shè)計意圖：游碼的設(shè)定是質(zhì)量測量中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通常教師會告訴學(xué)生記住“左物右碼”的規(guī)則，即左邊的物品質(zhì)量等于右邊的砝碼質(zhì)量加上游碼所對應(yīng)的刻度值。然而，這個規(guī)則背后的原理卻常常缺乏深入的探究。在本節(jié)課中，教師在銅環(huán)權(quán)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生通過討論明確游碼的由來。接著，通過兩個實踐性活動明確游碼的初始位置以及游碼對橫梁平衡的影響因素，為后續(xù)標(biāo)定橫梁標(biāo)尺刻度打下基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生區(qū)分兩種不同的調(diào)平方式——平衡螺母影響的是初始平衡，而游碼影響的是稱量時的平衡。這樣的設(shè)計將整個課程的知識點串聯(lián)起來，讓學(xué)生從更本質(zhì)的層面理解質(zhì)量測量儀器的建構(gòu)。

３．２．３ 模型建構(gòu)５ ：深化探究實踐，橫梁標(biāo)記刻度

教師：右盤中需要添補的砝碼質(zhì)量可以用游碼移動的距離來代替，那么游碼移動所對應(yīng)的刻度值如何確定？

學(xué)生：當(dāng)右盤不放置任何物體，而在左盤放置一個小質(zhì)量物體時，通過移動游碼使儀器平衡，平衡時游碼所在的位置即為這個物體的質(zhì)量。例如，當(dāng)左盤物體的質(zhì)量為１克時，移動游碼使橫梁平衡，游碼所對應(yīng)的距離就標(biāo)為１克。

教師：剩余的刻度如何標(biāo)定？能否借鑒溫度計中刻度的標(biāo)定方法來確定橫梁上游碼所對應(yīng)的刻度值？

學(xué)生：測量橫梁的長度，標(biāo)出０刻度和最大刻度，根據(jù)長度與質(zhì)量的比值，就可以依次標(biāo)出其他刻度。

學(xué)生活動：標(biāo)定橫梁標(biāo)尺的刻度，并展示。通過質(zhì)量測量，進一步明確物體的質(zhì)量等于砝碼的質(zhì)量加上游碼對應(yīng)的刻度值。

科學(xué)史４：１６７０年，法國著名數(shù)學(xué)家、機械設(shè)計師吉爾·洛百瓦爾制造出了一個等臂雙盤案秤，并報送巴黎科學(xué)院。

設(shè)計意圖：通過聯(lián)系“測量”相關(guān)知識，對橫梁標(biāo)尺進行標(biāo)定，加深學(xué)生對“測量”這一核心概念的理解。通過科學(xué)史的呈現(xiàn)，將建構(gòu)好的儀器與實物天平相聯(lián)系，促進學(xué)生對天平的理解。

３．３ 其他質(zhì)量測量儀器

教師：天平是實驗室常用的質(zhì)量測量儀器。但是這個儀器有什么缺點？

學(xué)生：不方便攜帶，并且只能測量小質(zhì)量的物品。

教師：確實，天平的使用有其局限性。為了解決攜帶等問題，后續(xù)又發(fā)展制作出了很多的質(zhì)量測量儀器。

科學(xué)史５：東漢時期，勞動人民從等臂天平入手，研制出了不等臂天平，并將其改進成為桿秤。１８３１年，美國人Ｔ·費爾班克斯發(fā)明了臺秤。２０世紀(jì)中葉，出現(xiàn)了簡單的電子稱重儀器。

教師：隨著科技的發(fā)展，質(zhì)量測量儀器都有了不同程度的革新，極大地提升了測量效率，改變了人們的生活。在今天這節(jié)課的學(xué)習(xí)中，同學(xué)們制作出了一個架盤天平，而關(guān)于杠桿、案秤以及電子秤的原理及制作，大家經(jīng)過初中的學(xué)習(xí)，也是一樣能夠了解并掌握的。

設(shè)計意圖：托盤天平的使用有其局限性，更多時候，人們使用的是桿秤、臺秤及案秤。通過引入科學(xué)史，對質(zhì)量測量儀器的變革進行補充說明，讓學(xué)生了解到科技的發(fā)展能顯著提升效能，改善人們的生活。同時，提前告知學(xué)生，這些儀器經(jīng)過初中的學(xué)習(xí)都是可以被了解并制作出來的，可以進一步激發(fā)學(xué)生對科學(xué)課程的熱愛，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中始終保持好奇心。

４ 教學(xué)效果和反思

基于“科學(xué)史＋模型建構(gòu)”雙視角的項目化學(xué)習(xí)，聚焦科學(xué)本質(zhì)問題，將問題解決、創(chuàng)見、決策等高階思維融入真實的課堂情境。通過課堂互動，發(fā)展建構(gòu)模型、科學(xué)推理、科學(xué)論證、創(chuàng)新思維等科學(xué)思維，并在發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的過程中提升探究實踐能力。這種教學(xué)方法使學(xué)生能夠在日常生活和生產(chǎn)中展現(xiàn)科學(xué)態(tài)度和責(zé)任，并能夠運用科學(xué)觀念來思辨和解釋現(xiàn)實情境中的科學(xué)現(xiàn)象。

“測量”是定量研究數(shù)據(jù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是促進學(xué)生理解和遷移的核心概念。“測量”課的教學(xué)設(shè)計旨在明確天平各結(jié)構(gòu)的原理及其測量意義。結(jié)合秤的發(fā)展史，通過“固托盤、定底座、加螺母”逐步建構(gòu)粗測質(zhì)量的儀器，并在“設(shè)砝碼、添游碼、標(biāo)刻度”的思維難點處逐步完善。在項目化學(xué)習(xí)的載體下，全面詮釋“測量”的內(nèi)涵和外延，使學(xué)生不僅知其然，更知其所以然，推動概念發(fā)展能級的躍遷。同時，這種教學(xué)方法也激發(fā)了學(xué)生對科學(xué)課堂的熱情，促進了學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展。

參考文獻：

［１］夏雪梅．項目化學(xué)習(xí)設(shè)計：學(xué)習(xí)素養(yǎng)視角下的國際與本土實踐（第２版）［Ｍ］．北京：教育科學(xué)出版社，２０２１．

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（欄目編輯 賈偉堯）