体现学业要求 凸显素养评价

摘" 要：本文对宁波市2023年初中学业水平考试科学第33题进行分析，就试题如何体现《义务教育科学课程标准（2022年版）》学科核心概念的学业要求，以及如何凸显核心素养的评价做深入的评析。本文以该试题为例，分享相关问题的多种解法，体现了不同的思维方式，并对学生的错解进行了分析，指出其素养的缺失。在此基础上为项目化教学、学科核心概念的融合教学、探究实践教学给出教学启示。

关键词：学科核心概念；核心素养；试题评析；教学启示

基金项目：本文系浙江省教育科学规划2023年度一般规划课题“初中科学差异化探究教学的策略研究”（课题编号：2023SC184）及2023年宁波市基础教育教研课题“初中科学探究实践作业设计与实施的策略研究”（课题编号：LX2023140）的研究成果之一。

1" 试题呈现

学习了项目化课程后，小宁自制一支能测液体密度的仪器。如图1甲所示，取一根两端开口、粗细厚薄均匀的匀质塑料管MN，N端用合金块封口，再通过计算在塑料管外壁标上刻度线和刻度值，仪器就制作完成。如图1乙所示，当仪器竖直漂浮在待测液体中时，液面所对应的刻度值就是待测液体的密度大小。已知塑料管长l1＝30 cm，质量m1＝3 g，塑料管横截面的外圆面积S＝1.2 cm2；合金块高l2＝2 cm，质量m2＝18 g。请计算：

（1）该仪器的重力。

（2）该仪器竖直漂浮在水中，受到的浮力大小及浸入水中的深度。

（3）该仪器竖直漂浮在水中，水对该仪器底部的压强大小。

（4）为了找出该仪器的重心，小宁用细线将它悬挂起来，使其水平平衡，如图1丙所示。重心О点离N端的距离d为""" cm。

（5）物体浮力作用点位于物体浸入液体部分的几何中心。该仪器的浮力作用点位于重心及以下时，将会在液体中倾倒，难以测量。从理论上分析，该仪器竖直漂浮在某种液体中时，如果浮力作用点恰好与该仪器重心重合，则该液体的密度为""" g/cm3。（计算结果精确到0.1 g/cm3）

图1

2" 试题解答

2.1" 第（1）问解析

该仪器的质量为

m总＝m1＋m2＝3 g＋18 g＝21 g＝0.021 kg，故该仪器的重力为

G总＝m总g＝0.021 kg×10 N/kg＝0.21 N。

2.2" 第（2）问解析

该仪器正常工作时处于漂浮状态，则所受浮力

F浮＝G总＝0.21 N。

【解法一】

由F浮＝ρ水gV排，得V排＝F浮ρ水g＝0.21 N1.0×103 kg/m3×10 N/kg＝2.1×10－5 m3，则该仪器浸入水中的深度为

h浸＝V排S＝2.1×10－5 m31.2×10－4 m2＝0.175 m。

【解法二】

该仪器在水中可以受到的最大浮力为

F浮＝ρ水gV排＝1.0×103 kg/m3×10 N/kg×1.2×10－4 m2×0.3 m＝0.36 N，实际该仪器在水中漂浮时受到的浮力为0.21 N，由两次浮力之比等于浸入深度之比，得

0.36 N0.21 N＝30 cmh浸，即h浸＝17.5 cm。

【解法三】

该仪器漂浮在水中时水对该仪器底部的压强为

p底＝F向上S＝G总S＝0.21 N1.2×10－4 m2＝1750 Pa，根据p＝ρ水gh浸，得

h浸＝pρ水g＝1750 Pa1.0×103 kg/m3×10 N/kg＝0.175 m。

故该仪器漂浮在水中受到的浮力为0.21 N，浸入水中的深度为0.175 m。

2.3" 第（3）问解析

【解法一】

p底＝F向上S＝G总S＝0.21 N1.2×10－4 m2＝1750 Pa。

【解法二】

根据p＝ρ水gh浸＝1.0×103 kg/m3×10 N/kg×0.175 m＝1750 Pa。

2.4" 第（4）问解析

设塑料管重力的力臂为L1，合金块重力的力臂为L2。

由图中数据，可知L1＝15 cm－d，L2＝d－1 cm，根据杠杆平衡条件F1L1＝F2L2，得G1L1＝G2L2，即m1gL1＝m2gL2，即m1L1＝m2L2，代入数据，有3g×（15 cm－d）＝18g×（d－1 cm），解得d＝3 cm。

2.5" 第（5）问解析

【解法一】

如果浮力作用点恰好与该仪器重心重合，则密度计浸入液体中的深度h＝2d＝2×3 cm＝6 cm。

由于该仪器处于漂浮状态，故有F浮＝G总，即ρ液gV排＝m总g，得ρ液＝m总V排＝21g6 cm×1.2 cm2≈2.9 g/cm3。

【解法二】

密度计在水中和在某种液体中，均处于漂浮状态，故两次所受浮力大小相等，则F浮水＝F浮液，即ρ水gV排水＝ρ液gV排液，得ρ液＝ρ水V排水V排液＝ρ水Sh水Sh液＝ρ水h水h液＝1 g/cm3×17.5 cm6 cm≈2.9 g/cm3。

3" 试题评析

该试题以“自制密度计”创设情境，聚焦部分核心概念，融合跨学科概念设置问题，体现了《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）的学业要求，凸显核心素养的评价（见图2）。

3.1" 体现学业要求

《课程标准》指出：科学课程设置的13个学科核心概念，是所有学生在义务教育阶段应该掌握的科学课程的核心内容。通过对学科核心概念的学习，理解物质与能量、结构与功能、系统与模型、稳定与变化4个跨学科概念。［1］同时《课程标准》提出了各学段的13个学科核心概念和4个跨学科概念的内容要求和学业要求。

3.1.1" 聚焦核心概念

该试题聚焦“物质的运动与相互作用”“能的转化与能量守恒”“技术、工程与社会”“工程设计与物化”4个科学学科核心概念，紧紧围绕七至九年级学段学业要求命制。［2］本文整理了试题中各个问题考查的核心、对应的学科核心概念及其对应学科核心概念下的学业要求，如表1所示。

表1" 各问题及其对应的学科核心概念及学业要求

问题考查的核心学科核心概念学科核心概念下的学业要求（部分）

第（1）问根据塑料管和合金块的总质量，求总重力物质的运动与相互作用初步认识常见的几种力

第（2）问根据物体呈漂浮状态，分析受力，并运用阿基米德原理进行简单的计算，求浸入的深度物质的运动与相互作用解决生活中简单的力学问题

第（3）问课标不要求根据p＝ρgh进行计算，而是通过理解浮力和液体压强的关系，求压强大小物质的运动与相互作用能用压强原理解释阿基米德原理

第（4）问找准杠杆的支点、动力、阻力、动力臂、阻力臂，根据杠杆平衡条件进行计算，寻找重心能的转化与能量守恒解决简单机械的相关问题

第（5）问将物体漂浮时排开液体的质量等效于物体的质量，或根据两种液体的密度比与浸入液体深度成反比的关系，可求解该液体的密度物质的运动与相互作用能用等效替代的方法理解阿基米德原理

综合密度计的原理、制作、使用、分析技术、工程与社会；工程设计与物化能制作把科学原理转化为技术产品的简单装置；对设计方案进行模拟分析和预测

3.1.2" 融合跨学科概念

该试题融合“系统与模型”“稳定与变化”两个跨学科概念进行整体设计。“密度计模型”贯穿试题始终，“杠杆模型”创设出该试题的难点，两个模型的原理、使用、分析是解决问题的关键。当学生独立分析第（4）问时，图丙所示就是一个系统。这个系统内杠杆的支点、动力、阻力、动力臂、阻力臂都会影响杠杆的平衡。在分析仪器和液体时，仪器和液体组成的整体就是一个系统。系统内液体的密度、仪器的质量、横截面积等因素会影响仪器的状态。该试题存在“横向”和“纵向”的稳定，例如在寻找重心时，运用了杠杆的水平平衡，这是“横向”稳定；而在测量液体的密度时，运用了仪器在竖直方向上的受力平衡，这是“纵向”稳定。该试题在稳定中又存在变化，例如将水换成另一种液体时，仪器浸入的深度就会发生变化。教师应引导学生在稳定中找到规律，如漂浮状态下的二力平衡、杠杆平衡；在变化中发现不变，如在不同的液体中仪器都处于漂浮状态，受力相同。

3.2" 凸显素养评价

《课程标准》提出，科学课程要培养的学生核心素养包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等方面。［3］同时，《课程标准》在学业水平考试命题原则中又提出了强化育人导向，注重考试命题的素养立意，全面考查学生的科学观念、科学思维、探究实践和态度责任。［4］

3.2.1" 重视科学观念的评价

科学观念是在理解科学概念、规律、原理的基础上形成的对客观事物的总体认识。［5］科学观念既包括对科学本质的认识，如概念、规律、原理的理解；也包括科学、技术与工程领域的一些具体观念，如物质观、能量观、变化观；还包括解释自然现象、解决实际问题的意识与能力。该试题涉及的科学概念有质量、重力、重心、力的作用点、杠杆、密度等；科学规律有杠杆平衡条件；科学原理有浮力的成因、密度计的测量原理、阿基米德原理。因此，该试题极其重视对学生科学概念、规律、原理理解的评价。［6］

通过教师阅卷后的统计分析发现，有同学在第（1）问中混淆了质量和重力的概念，对根据物体质量计算重力的方法掌握不清晰，未达到学业水平考试中的“初步认识常见的几种力”的要求。有同学在第（5）问中没有理清题中给出的重心和浮力作用点的关系，无法准确地求得仪器浸入液体的深度，错失解决问题的关键点。有同学在第（4）问中难以找准动力臂和阻力臂，产生错解。［7］有同学在第（2）、（3）问中，对密度计的测量原理、阿基米德原理的理解不深刻，对浮力的成因认识模糊，造成错解。

学业水平考试中要求的“用等效替代的方法理解阿基米德原理”在第（5）问体现得尤为清晰，对学生来说具有一定的难度。该试题也重视平衡观和变化观的应用，如根据漂浮状态，运用平衡观得出此时浮力与重力的大小相等，运用平衡法寻找仪器的重心；仪器在水中和某种液体中都处于漂浮状态，液体密度变化，仪器所受浮力不变，但浸入液体的深度变化，需用平衡观和变化观找到解题的路径。该试题还重视评价学生运用科学观念解决实际问题的能力，从常规的考查密度计的应用转向考查密度计与杠杆的结合，另辟蹊径，增强对学生科学观念素养的培养。

3.2.2" 注重科学思维的评价

科学思维是从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，主要包括模型建构、推理论证、创新思维等。［8］该试题评价了学生对密度计模型原理的理解和应用，以及描述整个测量系统的结构、关系和变化过程的认识程度；评价了杠杆模型的分析能力；评价了由重心推理得到V排的能力；以及从不同角度分析、解决问题的创新思维能力。

有同学在第（2）问中先计算塑料管的体积，由此数据直接计算塑料管在水中产生的最大浮力，将此作为仪器漂浮在水中受到的浮力。这种思路显然是错误的，反映出部分同学对密度计模型原理认识的不足，模型建构不达标。在第（2）问求仪器浸入水中的深度时，有同学无法根据F浮计算出V排，进而求得h浸，反映出他们对密度计和液体整个系统内部F浮、ρ液、V排、h浸、S之间的关系不清晰，逻辑思维欠缺。

对于第（4）问中的杠杆系统，有同学对该系统内杠杆的五个要素O、F1、F2、L1、L2分析时出现错误，陷入解题误区，显示出对杠杆本质属性认识的不足。第（5）问中求解V排是学生思维的主要障碍点，反映出由第（4）问结合第（5）问试题中给出的重心和浮力作用点重合，推理得到h浸、V排的能力不足。

该试题还为学生创新思维的呈现提供了很好的平台，如试题解答中第（5）问的解法二具有一定的创新性，因该仪器在水和另一种液体中均漂浮，则两次所受的浮力的大小相等，液体密度与浸入液体的深度成反比。我们突破思维定势，快速求解。再如第（2）问的解法二，由物体浸没之前浸入液体越深浮力越大可知，在该情境下仪器所受浮力与浸入的深度成正比。此解法也展现了学生从不同的角度解决同一问题的创新思维能力。

3.2.3" 关注探究实践的引导

探究实践主要是指在了解和探索自然、获得科学知识、解决科学问题，以及技术与工程实践过程中，形成的科学探究能力、技术与工程实践能力和自主学习能力。［9］试题的命制情境是密度计的制作与使用，题中详细地介绍了材料的选择、参数以及制作过程，围绕密度计自身及基本使用方法，编制了前三个较为常规的问题。在第（4）、（5）问中，该试题融合了新的探究实践情境。例如，第（4）问中试题介绍了如何利用悬挂法寻找质量不均匀杠杆的重心，设计了根据杠杆受力平衡进行分析、计算的问题。该试题的难点不在于计算，而在于寻找重心，找准动力臂和阻力臂。第（5）问说明了当仪器的浮力作用点位于重心及以下时，仪器将会在液体中倾倒，难以测量，明确了密度计可以使用的限制条件，体现了在真实情境中命制试题。因此，试题的整体探究实践情境是多项目的融合，引导师生在探究实践中解决真实的情境问题。

3.2.4" 促使态度责任的形成

态度责任是在认识科学本质及规律，理解科学、技术、社会、环境之间关系的基础上，逐渐形成的科学态度与社会责任。［10］试题根据物体浮沉条件的应用——密度计的制作、使用、分析展开，抓住科学的本质，遵循科学的规律，激发了学生的好奇心和探究的热情。第（5）问给出了该仪器使用的限制条件，体现了实事求是的科学态度。问题的难度层层递进，有利于培养学生善于思考的科学态度。

4" 教学启示

科学教学目前较为提倡大单元的统领，围绕大单元设计教学目标，实现目标进阶，围绕大单元设计教学活动，组织大单元的整体评价。我们从该试题的研究中发现，在教学中，特别是在复习教学或实践活动中，教师也要注重学科核心概念的整体教学。《课程标准》提出的13个学科核心概念，每个核心概念下的教学内容都不是只以一个单元的形式呈现的。［11］教师应研究学科核心概念下的内容要求和学业要求，注重核心概念下多内容的结合，并关注融合跨学科概念进行教学，提升学生解决综合性问题的能力。

科学教学目前也较为推崇项目化教学和在真实情境中解决问题。但还广泛存在以下现象：有丰富的项目化制作，没有问题或缺乏有思维含量的科学问题；情境教学中情境不真实、单一、没有价值，情境的深化与迁移不够，难以生成有深度的科学问题。情境是教学和提升学生素养的载体，教学要善于创设有价值的情境，生成有意义的问题，才能更大程度提升学生的素养。

参考文献

［1］［2］［3］［4］［5］［8］［9］［10］［11］中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022：16-19，34-104，4，123，4，4-5，5，5，17-19.

［6］倪红飞.注重能力考查" 凸显核心素养——2018年苏州市初中毕业升学考试试卷评析［J］.物理教师，2019，40（4）：53-55．

［7］张丽萍，石岩.聚焦图象模型认知" 进阶科学思维实操——核心素养导向下2022年高考压轴题评析与启示［J］.物理教学，2022，44（11）：66-70．