“科學史+模型建構”雙視角下的項目化學習

摘 要：探討了在“質量的測量”新課教學中實施項目化學習的策略，通過融合“科學史+模型建構”的方法，突出教學主線，并促進科學思維的發展。通過“固托盤—定底座—加螺母—設砝碼—添游碼—標刻度”等步驟，引導學生建構質量測量儀器，從而深入理解天平的構造及其在質量測量中的關鍵作用。

關鍵詞：科學史；模型建構；項目化學習；質量測量

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

項目化學習強調在真實情境中提出問題，通過“核心知識—驅動性問題—高階認知—學習實踐—公開成果—全程評價”的設計框架，實現知識的建構，完成項目目標，并培育核心素養。然而，缺乏明確的教學主線和高階思維的引導，項目化學習可能會流于形式，難以突破教學難點，也無法促進學生對核心概念的深度理解，導致教學效果欠佳。

科學史不僅記錄了科學概念的演變過程，還蘊含了豐富的思維素材，是學生學習科學知識的重要資源。模型建構法能夠簡化復雜事物，揭示其本質，有效的模型建構有助于學生認識科學事物，培養科學思維，提升科學素養。在項目化學習中，適時引入科學史和模型建構，可以成為貫穿核心知識、驅動性問題和學習實踐的主線，同時與項目設計、成果物化和全程評價緊密結合。因此，“科學史＋模型建構”的方法有助于項目化學習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“質量的測量”教學設計為例，展示了如何將科學史的人文精神和模型建構的科學思維融入項目化學習，以改善學習體驗，完善知識結構，顯化思維路徑，并加以驗證，從而有效推動項目化學習的實施和落地。

１ 教學目標定位

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

（２）科學思維：在“完善古埃及天平杠桿”問題驅動下，結合“測量”和“平衡”等核心概念，運用問題解決、創見和決策等高階認知策略，增強模型建構意識，培養創新思維。

（３）探究實踐：基于測量相關的前期知識，以建構質量測量儀器為目標，結合科學史在現有儀器基礎上進行設計和實現，提升科學探究能力、技術與工程實踐能力和自主學習能力。

（４）態度責任：在項目建構的過程中，保持好奇心和求知欲。基于獨立思考及團隊協作，發表具邏輯性的見解；在整個項目建構中，尊重他人的情感和態度，善于合作分享。

２ 教學設計框架

該節課以概念性知識為核心，適合采用項目化學習的方式進行設計。考慮到學生的認知基礎和教材內容，學生在學習“質量的測量”之前，已經具備了一定的測量知識。同時，質量測量的方法受到秤的發展影響。因此，設計以下學習框架（圖１）——即以項目化學習為載體，以科學史與模型建構相結合為實施路徑。在“質量的測量”教學中，融入秤的發展史，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，以質量測量儀器的建構為活動線。在“物質的結構與性質”這一核心概念的引導下，結合“平衡”和“測量”這兩個大核心概念，以“建構一個質量測量儀器”為項目目標，結合評價量表，完成從“定性到定量，粗測到精測”的模型建構，以期促進學生科學觀念的形成和科學素養的培育。

３ 教學設計與描述

３．１ 質量粗測儀器建構

３．１．１ 模型建構１：創設真實情境，引入科學史實

教師：（播放網紅蹺蹺板的視頻，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）的質量大小？

學生：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量大小。

學生活動：按照設計意圖，制作出質量粗測儀器并展示（圖２）。

科學史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。這節課，同學們將在古老的埃及天平杠桿基礎上繼續改進，建構一個輕小物體的質量測量儀器。請仔細閱讀任務單，了解這節課的任務，并思考，這樣的天平杠桿有什么缺點，可以怎么改進？

學生：繩子吊物體很麻煩，可以把繩子改成盤子。

教師：非常好，這就是春秋戰國時期的木衡銅環權的基本構件（圖4）。

科學史２：春秋中晚期，楚國發明了木衡銅環權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？

學生：加一個底座，用以固定托盤。

設計意圖：通過蹺蹺板這一生活中常見的情境，提出驅動性問題，引導學生在驅動性問題的指引下，基于平衡觀設計出簡單的質量測量儀器。在此基礎上，引入古老的埃及天平杠桿及春秋戰國時期木衡銅環權的基本構件，讓學生順著科學發展的歷程，建構出一個質量粗測儀器，由此開啟“建構質量測量儀器”這一項目主題。

３．１．２ 模型建構２： 立足驅動問題，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不平衡（圖5），同學們還能用它來比較物體質量的大小嗎？

學生：不可以，這樣的比較是不公平的。根據坐蹺蹺板的經驗，我們知道可以通過讓高處的同學往外坐或低處的同學往里坐來調節蹺蹺板的高低。所以，可以通過移動盤子來調節儀器的平衡。

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

學生：可以。把橫梁延長，并增加一個輕便的小物體來調節橫梁的平衡。

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

設計意圖：平衡螺母的調節是質量測量中的關鍵環節。在驅動性問題的引導下，圍繞“平衡”這一核心概念，結合蹺蹺板的使用經驗，明確平衡螺母的添加目的是為了調節測量前的初始平衡，確保測量的公平性；調節原理是通過移動螺母來改變儀器的平衡狀態；調節方法是橫梁哪端高，螺母就往哪端調節。平衡螺母的添加不僅解決了質量粗測的問題，也為后續質量精測儀器的建構打下了基礎。

３．２ 建構質量精測儀器

３．２．１ 模型建構３：撬動高階思維，明確稱量量度

教師：現在，我們有了可以平衡的儀器，但要精確測量質量，還需要用到砝碼。那么，砝碼的質量應該如何確定呢？

學生：砝碼的質量應該根據稱量物體的大小來確定。

科學史３：在春秋中晚期，楚國已經制造出了衡器——木衡銅環權（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。一套完整的環權共有十枚，質量大體呈倍數遞增，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：觀察楚國的銅環權，大家能否發現它們之間的質量變化規律？

學生：銅環權的質量之間呈倍數關系。通過一定的排列組合，可以得到不同大小的質量。

教師：現在，人們常用的質量單位是克，實驗室中藥品的質量通常在２００克以下。如果大家借鑒銅環權的權重設定，實驗室的砝碼在設定時，是否也可以呈現倍數關系？具體是什么樣的倍數關系？需要的砝碼質量是多少？

學生：經過小組討論，我們明確了實驗室稱量物品時，砝碼應該呈現５的倍數關系，需要的砝碼質量有１克、５克、１０克、２０克、５０克、１００克。

設計意圖：砝碼值的設定在質量測量中常常被忽視。通過了解楚國的銅環權質量設定，探究其中的數量關系，學生可以推斷實驗室稱量物品時需要的砝碼值也應該按倍數遞增。經過小組討論，學生明確了按照現在的質量換算關系，砝碼設定為５的倍數更加方便，由此確定出砝碼的質量，并為后續的游碼添加奠定基礎。由于課堂時間的限制，砝碼的制作過程在此不予考慮，學生明確稱量具體的數值后，提供現成的砝碼更具教學效果。

３．２．２ 模型建構４：聚焦核心知識，增添游碼調平

教師：物體的質量不一定是整數克的，而小質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？

學生討論后得出結論：添加一個輕便的小質量物體，通過移動它，就可以得到連續變化的質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？它一開始應該加在橫梁的哪一側？

學生活動：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、向右調節。發現游碼向右移動時，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，同學們明確了游碼移動所影響的質量是加在右盤的。并且，我們總是習慣從左向右觀察。所以，游碼一開始放在橫梁的左側，如圖８（ａ）（ｂ）所示。

教師：游碼影響平衡的因素是什么？是距離還是質量？

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

設計意圖：游碼的設定是質量測量中的關鍵環節，通常教師會告訴學生記住“左物右碼”的規則，即左邊的物品質量等于右邊的砝碼質量加上游碼所對應的刻度值。然而，這個規則背后的原理卻常常缺乏深入的探究。在本節課中，教師在銅環權的基礎上，引導學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，為后續標定橫梁標尺刻度打下基礎。在教學過程中，教師引導學生區分兩種不同的調平方式——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。這樣的設計將整個課程的知識點串聯起來，讓學生從更本質的層面理解質量測量儀器的建構。

３．２．３ 模型建構５ ：深化探究實踐，橫梁標記刻度

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

學生：當右盤不放置任何物體，而在左盤放置一個小質量物體時，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量。例如，當左盤物體的質量為１克時，移動游碼使橫梁平衡，游碼所對應的距離就標為１克。

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

學生：測量橫梁的長度，標出０刻度和最大刻度，根據長度與質量的比值，就可以依次標出其他刻度。

學生活動：標定橫梁標尺的刻度，并展示。通過質量測量，進一步明確物體的質量等于砝碼的質量加上游碼對應的刻度值。

科學史４：１６７０年，法國著名數學家、機械設計師吉爾·洛百瓦爾制造出了一個等臂雙盤案秤，并報送巴黎科學院。

設計意圖：通過聯系“測量”相關知識，對橫梁標尺進行標定，加深學生對“測量”這一核心概念的理解。通過科學史的呈現，將建構好的儀器與實物天平相聯系，促進學生對天平的理解。

３．３ 其他質量測量儀器

教師：天平是實驗室常用的質量測量儀器。但是這個儀器有什么缺點？

學生：不方便攜帶，并且只能測量小質量的物品。

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

科學史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·費爾班克斯發明了臺秤。２０世紀中葉，出現了簡單的電子稱重儀器。

教師：隨著科技的發展，質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。在今天這節課的學習中，同學們制作出了一個架盤天平，而關于杠桿、案秤以及電子秤的原理及制作，大家經過初中的學習，也是一樣能夠了解并掌握的。

設計意圖：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。通過引入科學史，對質量測量儀器的變革進行補充說明，讓學生了解到科技的發展能顯著提升效能，改善人們的生活。同時，提前告知學生，這些儀器經過初中的學習都是可以被了解并制作出來的，可以進一步激發學生對科學課程的熱愛，讓學生在學習過程中始終保持好奇心。

４ 教學效果和反思

基于“科學史＋模型建構”雙視角的項目化學習，聚焦科學本質問題，將問題解決、創見、決策等高階思維融入真實的課堂情境。通過課堂互動，發展建構模型、科學推理、科學論證、創新思維等科學思維，并在發現問題、分析問題和解決問題的過程中提升探究實踐能力。這種教學方法使學生能夠在日常生活和生產中展現科學態度和責任，并能夠運用科學觀念來思辨和解釋現實情境中的科學現象。

“測量”是定量研究數據的關鍵環節，也是促進學生理解和遷移的核心概念。“測量”課的教學設計旨在明確天平各結構的原理及其測量意義。結合秤的發展史，通過“固托盤、定底座、加螺母”逐步建構粗測質量的儀器，并在“設砝碼、添游碼、標刻度”的思維難點處逐步完善。在項目化學習的載體下，全面詮釋“測量”的內涵和外延，使學生不僅知其然，更知其所以然，推動概念發展能級的躍遷。同時，這種教學方法也激發了學生對科學課堂的熱情，促進了學生核心素養的發展。

參考文獻：

［１］夏雪梅．項目化學習設計：學習素養視角下的國際與本土實踐（第２版）［Ｍ］．北京：教育科學出版社，２０２１．

［２］中華人民共和國教育部．義務教育科學課程標準（2022年版）［Ｓ］． 北京：北京師范大學出版社，２０２２．

［３］王溢然．模型法［Ｍ］．安徽：中國科學技術大學出版社，２０１５．

［４］破曉．秤：縱橫古今的衡器［Ｊ］．科學啟蒙，２０１７（Ｃ２）： ４８－５１．

［５］格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰． 理解為先模式——單元教學設計指南［Ｍ］．福州：福建教育出版社，２０１８．

（欄目編輯 賈偉堯）