项目式学习促学生科学素养发展的实验改进与创新

郭纪萌

摘   要：随着社会科技的飞速发展，对学生科学素养的培养显得越来越重要，也是发展学生核心素养的重要方面。为促进学生科学素养发展，尝试以项目式学习任务为出发点，以阿基米德原理验证实验为例，挖掘改进教材实验、创新设计项目式实验“产品”，促进学生提高科学兴趣，拓展科学知识，优化科学方法，提升科学思维，探索出项目式学习对促进学生科学素养发展的重要途径。

关键词：项目式学习;科学素养;实验改进;创新

1  项目式学习及发展学生科学素养的实验探索

项目式学习是指教师在教学过程中，针对教学内容创设出一个真实的问题情境（即项目），由教师提供学习资源和学习工具，以项目任务为驱动，精心预设、组织、引导、激发学生合作学习，探索项目答案并解决的教学过程。

基于项目式学习，以“验证阿基米德原理”为例，需要一个简单直观的实验来探究这个原理[ 1 ]，经历实验项目的改进和创新，探索培养学生的科学素养发展的途径。

2  “复原法”改进教材实验——促进学生提高科学兴趣

2.1  “复原法”项目式实验

（1）实验器材及项目“产品”设计：弹簧测力计、铁架台、挂杯、溢水杯、小烧杯、升降台、石块、细线和水等，再根据器材组装“产品”。

（2）项目实验操作要求：

①先减：图1（甲）、（乙）、（丙）、（丁）、（戊）的动态过程中，弹簧测力计从开始称石块重力，再到让石块慢慢浸入水中，直到浸没水中，这个过程是先使弹簧测力计示数因水的浮力而减小（注意用小烧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，把小烧杯中收集的水倒入挂杯中，弹簧测力计示数又逐渐增加了。

（3）项目实验观察：实验观察到弹簧测力计示数先减小（F1→F2→F3 ），后增加（F3→F4→F5）的一个“复原”过程，并且观察发现，F5≈F1。

2.2“复原法”项目式实验改进之处

在沪科新版等教材中，验证阿基米德原理的操作比较繁琐，涉及的量较多，已超出了许多初中学生的认知水平[ 2 ]。本实验改进之处：

（1）教材中实验用手提弹簧测力计，在测量过程中手不可避免会晃动，可能导致弹簧测力计测量的示数不够准确。

（2）教材中实验因手提弹簧测力计的抖动，还会导致溢水杯中所溢出的水产生较大误差。

（3）本改进实验用铁架台吊挂，使弹簧测力计及石块（含挂杯）保持良好的静止状态，用升降台的上升来很好地控制溢水杯中溢出水。

（4）本改进实验中可慢慢提升或暂停升降台，能仔细观察示数的变化或读出弹簧测力计的示数，过程性好，直观性强。

通过“复原法”项目式改进实验，设置项目式实验要求的情境，激发学生对科学实验的兴趣，促进学生提高科学兴趣。

3  “杠杆平衡”创新实验——促进学生拓展科学知识

3.1  “杠杆平衡”项目式实验

（1）实验器材及项目“产品”设计：自制带托盘的杠杆、钩码、砝码、铁架台、溢水杯、小烧杯、滴管、小石块、细线和水等，再根据器材组装“产品”。

（2）项目实验操作要求：

①调节杠杆自身的水平平衡：先对自制带托盘的杠杆进行调节，刻度盘指针偏左（或右），调节左右的两平衡螺母向右（或向左），直至指针指在中间刻度，即使杠杆水平平衡。

②加物加码后杠杆水平平衡：调节杠杆水平平衡后，在左托盘中放入装满水的溢水杯、小烧杯，在右托盘中放入钩码（注：因天平量程太小，溢水杯重力较大，所以改造自带托盘的杠杆代替天平，且选用重力较大钩码以达平衡），后改用砝码调节杠杆水平平衡（注：在反复调节中，溢水杯中可用滴管滴入少许水，直至水不再从溢水杯中溢出，并把小烧杯中的水清理干净;刻度盘上的四个“限位柱”是为了放溢水杯、钩码等物体时不因杠杆还没有水平平衡而往下掉落），如图2（甲）所示。

③产生浮力后杠杆失去平衡：用铁架台、细线把小石块浸入溢水杯中，用小烧杯接入溢出的水。这时，杠杆失去平衡，如图2（乙）所示。

④倒掉溢出水后杠杆再平衡：把小烧杯中接入的溢出水倒掉，并把小烧杯放回左托盘中，发现杠杆恢复水平平衡，如图2（丙）所示。

3.2  “杠杆平衡”项目式实验创新之处

（1）创新性地把天平的功能迁移到自制的水平杠杆中，用天平测量的原理迁移到自制的水平杠杆的测量中。

（2）用钩码与砝码配合使用，增大杠杆测量的“量程”，以减少用天平测量时因水太少而产生较大的误差。

（3）围绕杠杆“平衡”与“失去平衡”进行实验，找出失去平衡和恢复平衡的原因，从而找出等量关系。（分析：图2（乙）小石块浸入水中产生浮力F浮，此时对应产生一个向下的浮力的反作用力F反，且F反=F浮，使杠杆失去水平平衡。图2（丙）把小烧杯接入的溢出水倒掉后，杠杆恢复了水平平衡，可知减少了排开水的重力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。等量代换可验证F浮=G排）。

（4）实验操作简单，对应物理量明确，直接针对阿基米德原理中的两个物理量，即F浮、G排，通过浮力的反作用力F反作为过渡，从而最终验证结论。

“杠杆平衡”项目式创新实验，简化了操作，引导学生根据实验原理进行迁移和自制实验器材， 增强了学生实验动手能力，促进了学生拓展科学知识。

4  “动态等量”对比实验——促进学生优化科学方法

4.1  “动态等量”对比项目式实验

（1）实验器材及项目“产品”设计：弹簧测力计、铁架台（2个）、挂杯、溢水杯（长嘴）、升降台、石块、细线和水等，再根据器材组装“產品”。

（2）项目实验操作要求：

①“校零”：先对图3（甲）、（乙）中弹簧测力计挂物体后示数“校零”。

要注意图3（甲）中弹簧测力计的面板刻度是“上大下小”的，选用一重力约5 N的石块，挂上石块后，调节面板刻度板，使示数对齐最下方的零刻度。另外，图3（乙）中弹簧测力计挂上挂杯后，调节面板刻度板，使示数对齐最上方的零刻度。

此时，图3（甲）、（乙）中弹簧测力计的“示数”均为零，即F1=0，F2=0。

②组装：用2个铁架台把图3（甲）、（乙）中已“校零”的弹簧测力计，组合为如图3（丙）所示装置，下方放升降台，升降台上放带有长嘴的溢水杯（溢水杯中的水已加至最满且不再滴水）。

③“动态”：把图3（丙）中的升降台缓慢向上升起，石块开始浸入水中产生浮力，此时弹簧测力计的“示数F3”（注意示数标签是上大下小，读数是要从下往上读的）即为浮力，且是动态向上变化的;同时，溢水杯中的水会从长嘴中溢出，注意溢水杯的长嘴要对准图3（丁）中的挂杯且不碰挂杯，让水滴入挂杯中。此时，图3（丁）中的弹簧测力计的“示数F4”即为排开水的重力，且是动态向下变化的。

④“等量”：虽然“示数F3”与“示数F4”一直是动态变化的，但升降台任何时候停止上升，待溢水杯长嘴不再滴水时，始终有F3=F4的等量关系。通过动态等量对比，即可得出结论：浸入水中的石块所受浮力的大小等于石块排开的水所受重力的大小，从而验证阿基米德原理。

4.2  “动态等量”对比项目式实验创新之处

（1）创新性地把弹簧测力计的面板刻度做成“上大下小”，“倒贴”在弹簧测力计上，以方便“校零”后，可直接读出使物体“变轻”的向上托的力的大小，即浮力的大小。

（2）创新性地通过溢水杯长嘴，把浮力的大小与排开液体的重力大小建立联系。

（3）直观显示：本创新实验可直观并直接地“显示”浮力的大小与排开液体的重力大小。避开了繁琐的实验步骤，使实验更加直接直观。同时升降臺的使用便于改变物体浸入液体 的深度，相当于多次实验，使实验结果更具普适性[ 3 ]。

（4）动态对比：本创新实验对浸入液体中的物体，可动态地停在液体中的任何深度，待溢水杯不再滴水时，读出浮力的大小与排开液体的重力大小进行对比。

（5）验证等量：本创新实验在物体浸入液体中产生浮力之后，可动态显示浮力的大小与排开液体的重力大小的等量关系，从而直接验证了阿基米德原理的正确性，即得出结论：浸入液体中的物体所受浮力的大小等于物体排开的液体所受重力的大小。

“动态等量对比”创新实验，创新性把传统弹簧测力计面板刻度“上小下大”改为“上大下小”，简化了操作方式，促进了学生优化科学方法。

5  利用浮漂原理的创新实验——促进学生提升科学思维

5.1  “浮漂原理”项目式实验

（1）实验器材及项目“产品”设计：自制有上下托盘的浮漂、砝码、铁架台、溢水杯、小烧杯、小石块、细线和水等，再根据器材组装“产品”。

（2）项目实验操作要求：

①将浮漂器放入装满水的溢水杯中，将小石块放在上托盘中（如图4（甲）所示），这时浮漂器与小石块在水中处于漂浮状态，读出此刻浮漂器水位刻度并做好记录。

②小石块放入水中的下托盘中，跟图4（甲）相比，图4（乙）中的小石块在水中产生了浮力，打破了原有的漂浮平衡状态，会上浮一些后再处于新的漂浮平衡状态，但这时浮漂器水位刻度示数变了。

③为了让浮漂器水位刻度恢复到原来的位置，可在图4乙的上托盘中加砝码，同时用小烧杯接收溢水杯中溢出的水，直到水位刻度恢复到原来的水位刻度。这时，砝码的总重力大小即为小石块受到的浮力大小，有F浮=G砝码。

④再把上托盘中的砝码取下，浮漂器又会上浮，使水位刻度又发生变化。把小烧杯中接收的溢出水倒入上托盘中，如图4（丙）所示，这时发现，水位刻度又恢复到原来的水位刻度，可见此时溢出水的总重力（即为排开水的重力G排）等于砝码的总重力，即G排=G砝码。

⑤比较图4（乙）、（丙），因F浮=G砝码，G排=G砝码，因此有F浮=G排，从而验证了阿基米德原理。

5.2  “浮漂原理”项目式实验创新之处

（1）本创新实验通过“水位刻度”的比较来比较浮漂所受的浮力，并不需要具体计算此时浮力的大小。

（2）小石块从上托盘移到下托盘时浮漂总重力不变，但小石块从没有浸入水中到浸入水中时，要紧紧抓住浮力从无到有的思维。再从抵消浮力的影响，使“水位刻度”恢复到原来刻度，找出其中的等量关系，理解等效替代的科学思维。

（3）本创新实验通过最终找出F浮=G排的等量关系，直接验证阿基米德原理，操作简单，容易理解。

“浮漂原理”创新实验，避免了通过具体复杂的计算来验证结论，只需通过等效替代的科学思维，找出等量关系即可，促进了学生科学思维的提升。

从上述四个基于项目式学习的改进或创新实验带来的乐趣[ 1 ]，激发了学生科学兴趣，拓展了科学知识，从创新设计项目“产品”中优化了科学方法，提升了科学思维，可见，项目式学习对促进学生科学素养发展有较大的作用。

参考文献：

[1] 王正蛟.验证阿基米德原理的几种实验对比[J].物理通报，2017（5）：85-88.

[2] 邢红军，朱南，陈清梅.介绍一种新型的阿基米德原理演示仪[J].物理教师，2003，24（7）：23-24.

[3] 何姜玲，杨墦.浮力秤及其对阿基米德原理实验装置的改进[J].湖南中学物理，2017，32（7）：66-67.