基于学科核心概念的物理项目式教学——以“汽车冷却液项目”为例

颜石珍

（杭州市文海实验学校，浙江 杭州 310018）

1 项目主题分析

1.1 主题内容分析

“物态变化”这一主题的教学内容包括熔化与凝固、汽化与液化、升华与凝华3个板块.课标中关于物态变化的学习要求为“知道物质的三态及其变化的特点，并能用图像描述这些特点；知道物态变化伴随吸热和放热”.[1]需要理解的核心概念有物态是变化的、能量是转化与守恒的、物质性质决定物质的用途.在具体应用中要求学生能运用物态变化的知识解释自然现象、解决实际问题.因此构建了物态变化知识与核心概念关系框架图，如图1所示.

图1 物态变化知识与核心概念关系框架图

1.2 项目主题构思

指向学科核心概念的教学是指在构思科学教育的目标时，在知识方面不是一堆事实和理论，而是趋向于核心概念.这些核心概念及进展过程可以帮助学生理解与他们在校以及离开学校以后的生活有关的一些事件与现象.[2]

物态变化在生活中的应用常见于冰箱、空调、汽车等制冷（热）系统或冷却系统.以汽车为例，在维修保养时师傅会检查冷却液的剩余量，因为发动机在工作时会发热，需要及时冷却，若冷却液不足有损坏发动机的风险.市场上售卖的汽车冷却液通常是在水中加入乙二醇，也叫防冻液.有人宣传汽车防冻液纯度越高越好，因此有人可能会花更高的价格购买高纯度的防冻液，这样的选择合理吗？想要回答这些问题需要具备物态变化和物质的性质等相关知识.基于以上分析，故将“物态变化”内容学习转化为“汽车冷却液探究与正确选择”的项目学习.

项目式教学通过设置一个真实情境的驱动性问题，学生作为项目学习的主体主动分析与拆解问题并转化为科学问题进行探究，在完成项目任务过程中提升高阶思维能力和问题解决能力，进一步理解核心概念，从而发展其核心素养.

2 项目教学目标

根据课程标准相关主题的内容要求，结合学生具体情况，制定项目教学目标如下.

（1）通过项目问题分析和任务拆解，学生能初步建立分析问题的一般思路与方法，同时学会将生活问题转化为科学问题.

（2）利用观察和实验的方法对物质的凝固点沸点等性质进行研究，学会用图像的方法分析物态变化规律，并能利用微观解释原因.

（3）通过对不同物质的变化和性质的研究，理解物态是变化的、能量是转化与守恒的、物质性质决定物质的用途等核心概念.

（4）通过各种调查和实验研究提升收集与处理信息、发现规律、科学论证、科学解释等科学探究能力.

3 项目任务和教学流程

依据项目式教学活动设计特点和教学目标，本项目以“汽车冷却液探究与正确选择”为活动载体，引导学生调查了解冷却液的性质，分析冷却液的使用需要考虑哪些因素？各种因素关联液体哪些性质；探究常见物质的凝固点、沸点等性质，发现规律；测量与比较不同浓度乙二醇的沸点；综合信息为用户撰写“冷却液正确选择的说明书”以及做好宣传.表1为本项目的教学环节、学习任务与学生的学习目标、学习成果.

表1 项目教学环节

4 项目实施过程及学习结果

4.1 入项活动

项目引出：生活中用于冷却物体时通常选择水作为冷却液，经济实惠高效.那么给汽车发动机配制的冷却液可不可以也用水呢？

课前调查：学生通过调查发现汽车发动机冷却液不是水，而是乙二醇的水溶液.

资料卡：乙二醇是一种无色微粘的液体，沸点是197.4℃，冰点是-11.5℃，能与水任意比例混合.混合后由于改变了冷却水的蒸汽压，冰点显著降低.当乙二醇的含量为60%时，冰点可降低至-48.3℃，超过这个极限时，冰点反而要上升.毒性：大鼠经口LD50=5.8mL／kg，小鼠经口LD50=1.31—13.8mL／kg.侵入途径：吸入、食入、经皮吸收.

驱动性问题：为保障汽车发动机正常运转需要使用合适的冷却液，作为一名科普工作者，如何科学指导我国南方和北方的汽车之友正确选择冷却液（防冻液）？有人说汽车防冻液纯度越高越好，如何设计实验证明该观点的可靠性？根据调查研究结果写一份关于“如何正确选择汽车冷却液”的说明书，广而告之.

分析与拆解问题：按照问题解决的线索需要解决的问题有：① 冷却液的使用需要考虑哪些因素？②各种因素与液体哪种性质有关联？③ 不同浓度乙二醇冷却液性质有哪些不同？如何设计实验进行研究？④如何设计关于正确选择冷却液的说明书？

4.2 项目实践

子任务1为调查研究：了解冷却液的性质和分析选择依据.

教师提问：冷却液的使用需要考虑哪些因素？各种因素关联液体哪些性质？

小组讨论：考虑冷却液使用的环境，南方和北方主要是冬天最低气温的区别，还要考虑发动机的温度对冷却液的要求.

研究结果：天气因素决定冷却液的凝固点要相对较低，发动机的温度决定冷却液的沸点不能太低，冷却液的比热容会影响散热效果，在管道中流动的液体，黏性不亦过大.表2为各种因素与冷却液性质的关联.

表2 各种因素与冷却液性质关联

学生总结：乙二醇的冰点是-11.5℃，沸点是197.4℃，完全能满足冷却液的需求，稀释的冷却液也可以满足要求，具体的浓度需要研究.用户可根据气温和散热等需求，结合冷却液的冰点、沸点等性质综合判断与选择.

追问：常见的汽车冷却液是乙二醇的水溶液，若为了满足北方足够低的气温，你认为乙二醇的浓度高一点合适还是低一点合适？

学生解释：乙二醇的浓度高一点合适，随着乙二醇浓度的提高，冰点应该会降低，沸点会提高.

学生活动：通过网络搜索关于不同浓度的乙二醇冷却液性质，信息筛选整理如表3所示.

表3 不同浓度乙二醇的冰点与沸点

教师提问：观察不同浓度乙二醇冷却液的冰点和沸点，和预期是否一致？

学生总结：冷却液主要成分由乙二醇和水的混合而成，不同浓度混合物的性质不同.和我们的预期有出入，预期冷却液的冰点是随着浓度的增加而降低，而科学研究表明当冷却液浓度达到60%时出现了转折，非常神奇.

教师补充：由于乙二醇有一定的毒性，实验室研究需要更高要求，所以我们先选择水、盐水、酒精等常见物质进行研究.这些物质的性质会研究了，类似的方法可以迁移到乙二醇冷却液研究中.

子任务2为基础探究：比较常见物质的凝固点、沸点.

实验探究1：比较水和盐水的凝固情况，发现规律.

方案设计：将纯净水、浓盐水放入冰箱中，每隔12h观察溶液的凝固情况.

实验数据：学生实验操作采集数据并记录，见表4.

表4 纯净水与浓盐水对比

结果分析：发现盐水结冰比水要慢.将其取出测量固液共存态时的温度，冰水混合物在0℃，如图2所示.而盐水的固液混合物的温度为-6℃.

图2 水的凝固点测量

实验结论：水的凝固点为0℃，盐水凝固点比水低.

生活现象：下雪的时候，人们会在公路上撒盐以防路面结冰，请解释为什么？

科学解释：因为盐水凝固点比水低，在冰雪上撒盐使其凝固点降低，雨雪就不易结冰了.

实验探究2：比较水和盐水的凝固情况，发现规律.

方案设计：配置浓度分别为5%、10%、15%、20%的酒精溶液100g；放入冰箱中12h后取出，观察凝固情况和测量混合物的温度.

实验操作：如图3所示.

图3 不同浓度酒精溶液冰点测量

实验结果：学生实验操作采集数据并记录，见表5.

表5 不同质量分数酒精溶液的冰点

实验结论：随着酒精浓度的增加，凝固点降低.

实验探究3：探究水的沸点，发现规律.

设计操作：加热一杯50g的水，观察沸腾前和沸腾时的现象，测量温度.

实验结果：学生实验操作采集数据并记录，见表6.

表6 水的温度

教师提问：如何给沸腾下定义？

下定义：沸腾是液体内部和表面同时进行的剧烈汽化现象.

绘制图像如图4所示.

图4 水沸腾温度

发现规律：沸腾前，水的温度不断升高，沸腾时，温度保持不变.

教师提问：如何解释沸腾时温度保持不变这一现象，能量是如何转化的，是否意味着能量不守恒？

科学解释：在沸腾过程中，水需要吸收热量，吸收的能量并没有表现在温度的升高上.以分子运动的观点看，分子间的距离在增加，水变为水蒸气的过程需要能量是分子克服分子之间的引力使其距离消耗的能量.

子任务3为深度探究：研究不同浓度溶液的沸点.

问题提出：由于乙二醇有一定的毒性，和探究水的沸点一样的探究装置可行吗？存在哪些问题？

师生讨论：担心气体蒸发需要密封系统，但密封系统在加热过程中会因气压过大而不安全，那么如何减小气压呢？我们可以利用将气体冷却液化的方法.科学上可以利用冷凝装置来实现.

查阅资料：研究三口烧瓶和冷凝管的使用方法和注意事项.

实验探究1：探究不同浓度酒精溶液的沸点，发现规律.

提出问题：为了比较不同浓度酒精的沸点，该如何设计实验？

方案设计：配置浓度分别为20%、30%、40%、50%的酒精溶液若干，加热至沸腾，测量温度.

实验结果：学生实验操作采集数据并记录，见表7.

表7 不同质量分数酒精溶液的沸点

绘制图像如图5所示.

图5 不同浓度酒精溶液的沸点

实验结论：酒精溶液的浓度越高，沸点越低.

类比推理：冷却液中乙二醇的浓度越高，沸点越低.

实验探究2：探究不同浓度乙二醇溶液的沸点，发现规律.

方案设计：配置浓度分别为30%、40%、50%、60%的冷却液若干，加热至沸腾，测量温度.

实验操作：如图6所示.

图6 不同浓度乙二醇溶液的沸点测量

实验结果：学生实验操作采集数据并记录，见表8.

表8 不同质量分数乙二醇溶液的沸点

绘制图像如图7所示.

图7 不同浓度乙二醇溶液的沸点

实验结论：冷却液中乙二醇的浓度越高，沸点越高.

子任务4为决策评价：如何正确选择防冻液？

查阅资料了解黏度系数，水的黏度为0.404，30%的乙二醇的黏度为0.76，50%时为1.17，黏度系数明显上升.随着乙二醇水溶液浓度的提升，动力黏度不断增加，冷却液的对流换热能力会降低.因此在南方地区等环境温度较高的情况下，对冷却液的冰点要求较低时，可采用乙二醇浓度较低的冷却液，有利于提高散热性能，同时降低使用成本.随着乙二醇的浓度增加，水溶液的冰点不断降低，最低可达零下48℃，使得散热器的冷却液不易结冰.总之，要根据气温和发动机温度和散热需求，结合冷却液的冰点、沸点、黏度系数等性质综合判断与选择.

项目反思：谈谈本项目的收获与反思？

学生收获1：科学与生活紧密相连，原来冷却液包含了这么多科学知识，冷却液的选择和物质的性质相关，科学知识会给人们带来这么多用处，感受到学习科学有价值.

学生收获2：科学方法很重要，在研究冷却液性质的过程时我学会了组装仪器，认真观察、精准记录和数据处理，通过图像发现规律等方法.要根据物质特点选择和创造仪器进行实验，确保安全可行.

学生收获3：科学研究需要严谨的态度和持之以恒，我学会设计实验方案，经历了重复多次才成功，感受到科学研究不容易，也能培养了我的毅力.

经过了科学调查和科学探究，了解了冷却液的性质以及分析了选择依据，学生设计“如何正确选择冷却液”的说明书.