“科学史+模型建构”双视角下的项目化学习

摘   要：探讨了在“质量的测量”新课教学中实施项目化学习的策略，通过融合“科学史+模型建构”的方法，突出教学主线，并促进科学思维的发展。通过“固托盘—定底座—加螺母—设砝码—添游码—标刻度”等步骤，引导学生建构质量测量仪器，从而深入理解天平的构造及其在质量测量中的关键作用。

关键词：科学史；模型建构；项目化学习；质量测量

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2024）8-0083-5

项目化学习强调在真实情境中提出问题，通过“核心知识—驱动性问题—高阶认知—学习实践—公开成果—全程评价”的设计框架，实现知识的建构，完成项目目标，并培育核心素养。然而，缺乏明确的教学主线和高阶思维的引导，项目化学习可能会流于形式，难以突破教学难点，也无法促进学生对核心概念的深度理解，导致教学效果欠佳。

科学史不仅记录了科学概念的演变过程，还蕴含了丰富的思维素材，是学生学习科学知识的重要资源。模型建构法能够简化复杂事物，揭示其本质，有效的模型建构有助于学生认识科学事物，培养科学思维，提升科学素养。在项目化学习中，适时引入科学史和模型建构，可以成为贯穿核心知识、驱动性问题和学习实践的主线，同时与项目设计、成果物化和全程评价紧密结合。因此，“科学史＋模型建构”的方法有助于项目化学习的六个维度得到有效实施和拓展。

本文以浙教版七年级上册第四章第２节“质量的测量”教学设计为例，展示了如何将科学史的人文精神和模型建构的科学思维融入项目化学习，以改善学习体验，完善知识结构，显化思维路径，并加以验证，从而有效推动项目化学习的实施和落地。

１    教学目标定位

（１）科学观念：围绕“物质的结构与性质”这一核心概念，明确物体质量测量的基本要素和方法，体验测量在科学实验和观察中的重要性，逐步形成“测量观”。

（２）科学思维：在“完善古埃及天平杠杆”问题驱动下，结合“测量”和“平衡”等核心概念，运用问题解决、创见和决策等高阶认知策略，增强模型建构意识，培养创新思维。

（３）探究实践：基于测量相关的前期知识，以建构质量测量仪器为目标，结合科学史在现有仪器基础上进行设计和实现，提升科学探究能力、技术与工程实践能力和自主学习能力。

（４）态度责任：在项目建构的过程中，保持好奇心和求知欲。基于独立思考及团队协作，发表具逻辑性的见解；在整个项目建构中，尊重他人的情感和态度，善于合作分享。

２    教学设计框架

该节课以概念性知识为核心，适合采用项目化学习的方式进行设计。考虑到学生的认知基础和教材内容，学生在学习“质量的测量”之前，已经具备了一定的测量知识。同时，质量测量的方法受到秤的发展影响。因此，设计以下学习框架（图１）——即以项目化学习为载体，以科学史与模型建构相结合为实施路径。在“质量的测量”教学中，融入秤的发展史，以“测量”概念的延伸为知识线，以跷跷板的改进升级为情境线，以质量测量仪器的建构为活动线。在“物质的结构与性质”这一核心概念的引导下，结合“平衡”和“测量”这两个大核心概念，以“建构一个质量测量仪器”为项目目标，结合评价量表，完成从“定性到定量，粗测到精测”的模型建构，以期促进学生科学观念的形成和科学素养的培育。

３    教学设计与描述

３．１    质量粗测仪器建构

３．１．１    模型建构１：创设真实情境，引入科学史实

教师：（播放网红跷跷板的视频，并解说）跷跷板是生活中常见的物体，几乎每位同学都体验过。从刚才的视频中，大家能否获得灵感，利用棍子和三根绳子来比较两个物体（如两块橡皮）的质量大小？

学生：可以把一根绳子固定在棍子的中间，另外两根绳子分别挂在棍子的两端。当棍子保持平衡时，边上的绳子到中间的绳子距离相同。通过比较棍子的倾斜程度来判断物体的质量大小。

 学生活动：按照设计意图，制作出质量粗测仪器并展示（图２）。

科学史１：４５００年前，埃及人制作出了最古老的天平杠杆（图3）。这种天平由两根棍子和三根绳子构成，中间的绳子用以固定，边上的绳子用来称重。它主要用于称量宝石和金块。

教师：刚才大家建造的仪器与４５００年前的埃及天平杠杆非常相似。这节课，同学们将在古老的埃及天平杠杆基础上继续改进，建构一个轻小物体的质量测量仪器。请仔细阅读任务单，了解这节课的任务，并思考，这样的天平杠杆有什么缺点，可以怎么改进？

学生：绳子吊物体很麻烦，可以把绳子改成盘子。

教师：非常好，这就是春秋战国时期的木衡铜环权的基本构件（图4）。

科学史２：春秋中晚期，楚国发明了木衡铜环权作为称量黄金的工具。

教师：大家觉得这个仪器还可以怎么改进？

学生：加一个底座，用以固定托盘。

设计意图：通过跷跷板这一生活中常见的情境，提出驱动性问题，引导学生在驱动性问题的指引下，基于平衡观设计出简单的质量测量仪器。在此基础上，引入古老的埃及天平杠杆及春秋战国时期木衡铜环权的基本构件，让学生顺着科学发展的历程，建构出一个质量粗测仪器，由此开启“建构质量测量仪器”这一项目主题。

３．１．２    模型建构２： 立足驱动问题，加装平衡螺母

教师：通过刚才的改进，大家得到了一个加装了底座、固定了托盘的仪器。但如果仪器左右两侧不平衡（图5），同学们还能用它来比较物体质量的大小吗？

学生：不可以，这样的比较是不公平的。根据坐跷跷板的经验，我们知道可以通过让高处的同学往外坐或低处的同学往里坐来调节跷跷板的高低。所以，可以通过移动盘子来调节仪器的平衡。

教师：不断拆装盘子确实很麻烦。同学们能否加一个便于移动的小质量物体，通过移动它来实现横梁的平衡？

学生：可以。把横梁延长，并增加一个轻便的小物体来调节横梁的平衡。

学生活动：动手操作，增加平衡螺母，得到质量粗测仪器（图6），并得出调平的具体方法——横梁哪边高，平衡螺母就往哪边调节。

设计意图：平衡螺母的调节是质量测量中的关键环节。在驱动性问题的引导下，围绕“平衡”这一核心概念，结合跷跷板的使用经验，明确平衡螺母的添加目的是为了调节测量前的初始平衡，确保测量的公平性；调节原理是通过移动螺母来改变仪器的平衡状态；调节方法是横梁哪端高，螺母就往哪端调节。平衡螺母的添加不仅解决了质量粗测的问题，也为后续质量精测仪器的建构打下了基础。

３．２    建构质量精测仪器

３．２．１    模型建构３：撬动高阶思维，明确称量量度

教师：现在，我们有了可以平衡的仪器，但要精确测量质量，还需要用到砝码。那么，砝码的质量应该如何确定呢？

学生：砝码的质量应该根据称量物体的大小来确定。

科学史３：在春秋中晚期，楚国已经制造出了衡器——木衡铜环权（图7），用于称量黄金货币。楚国的重量单位为斤、两、铢，１斤等于１６两，１两等于２４铢。一套完整的环权共有十枚，质量大体呈倍数递增，分别为一铢、二铢、三铢、六铢、十二铢、一两、二两、四两、八两、一斤。

教师：观察楚国的铜环权，大家能否发现它们之间的质量变化规律？

学生：铜环权的质量之间呈倍数关系。通过一定的排列组合，可以得到不同大小的质量。

教师：现在，人们常用的质量单位是克，实验室中药品的质量通常在２００克以下。如果大家借鉴铜环权的权重设定，实验室的砝码在设定时，是否也可以呈现倍数关系？具体是什么样的倍数关系？需要的砝码质量是多少？

学生：经过小组讨论，我们明确了实验室称量物品时，砝码应该呈现５的倍数关系，需要的砝码质量有１克、５克、１０克、２０克、５０克、１００克。

设计意图：砝码值的设定在质量测量中常常被忽视。通过了解楚国的铜环权质量设定，探究其中的数量关系，学生可以推断实验室称量物品时需要的砝码值也应该按倍数递增。经过小组讨论，学生明确了按照现在的质量换算关系，砝码设定为５的倍数更加方便，由此确定出砝码的质量，并为后续的游码添加奠定基础。由于课堂时间的限制，砝码的制作过程在此不予考虑，学生明确称量具体的数值后，提供现成的砝码更具教学效果。

３．２．２    模型建构４：聚焦核心知识，增添游码调平

教师：物体的质量不一定是整数克的，而小质量的砝码制造成本高、不易收纳且易磨损。这个问题怎么解决？

学生讨论后得出结论：添加一个轻便的小质量物体，通过移动它，就可以得到连续变化的质量值来使仪器保持平衡。因为它可以游动，所以叫游码。

教师：游码移动如何影响横梁的平衡？它一开始应该加在横梁的哪一侧？

学生活动：在原有仪器上添加游码，为了最小限度地影响平衡，一开始将游码加在中间，之后分别向左、向右调节。发现游码向右移动时，右端的托盘下沉；向左移动时，右端的托盘上升。

教师：通过刚才的活动，同学们明确了游码移动所影响的质量是加在右盘的。并且，我们总是习惯从左向右观察。所以，游码一开始放在横梁的左侧，如图８（ａ）（ｂ）所示。

教师：游码影响平衡的因素是什么？是距离还是质量？

学生活动：将相同质量的游码往右移，越往右，发现横梁倾斜越明显，说明游码的移动距离是影响因素；将不同质量的游码移动相同的距离，发现游码质量大时，横梁倾斜得更明显，如图８（ｃ）（ｄ）所示。由此得出结论，游码的质量与移动的距离会共同影响横梁的平衡。

设计意图：游码的设定是质量测量中的关键环节，通常教师会告诉学生记住“左物右码”的规则，即左边的物品质量等于右边的砝码质量加上游码所对应的刻度值。然而，这个规则背后的原理却常常缺乏深入的探究。在本节课中，教师在铜环权的基础上，引导学生通过讨论明确游码的由来。接着，通过两个实践性活动明确游码的初始位置以及游码对横梁平衡的影响因素，为后续标定横梁标尺刻度打下基础。在教学过程中，教师引导学生区分两种不同的调平方式——平衡螺母影响的是初始平衡，而游码影响的是称量时的平衡。这样的设计将整个课程的知识点串联起来，让学生从更本质的层面理解质量测量仪器的建构。

３．２．３    模型建构５ ：深化探究实践，横梁标记刻度

教师：右盘中需要添补的砝码质量可以用游码移动的距离来代替，那么游码移动所对应的刻度值如何确定？

学生：当右盘不放置任何物体，而在左盘放置一个小质量物体时，通过移动游码使仪器平衡，平衡时游码所在的位置即为这个物体的质量。例如，当左盘物体的质量为１克时，移动游码使横梁平衡，游码所对应的距离就标为１克。

教师：剩余的刻度如何标定？能否借鉴温度计中刻度的标定方法来确定横梁上游码所对应的刻度值？

学生：测量横梁的长度，标出０刻度和最大刻度，根据长度与质量的比值，就可以依次标出其他刻度。

学生活动：标定横梁标尺的刻度，并展示。通过质量测量，进一步明确物体的质量等于砝码的质量加上游码对应的刻度值。