基于项目的物理学与工程实践跨学科活动Ⅰ,Ⅱ

摘要：以“弹簧测力计制作简易密度计”为项目载体，基于项目式学习（PBL）教育理念，设计并开展了初中物理浮力专题的跨学科实践活动。本活动以问题链驱动项目进展，引导学生历经设计实验方案、标注密度计刻度、提高密度计精确度、再优化密度计、评价密度计等项目环了学生实践能力，发展了学生科学思维，为初中物理教师开展简易密度计制作教学提供案例。

《义务教育物理课程标准（2022 年版）》新增“跨学科实践” 级主题，包含“物理学与日常生活”、“物理学与工程实践”和“物理学与社会发展”三个二级主题。其中，“物理学与工程实践”要求学生调查物理学应用于工程技术的案例，体会物理学对工程技术发展的促进作用[1]。这表明探索物理学与工程技术的跨学科实践活动已成为非常重要的课题。项目式学习（Project-Based Learning，PBL）要求学生以小组合作形式完成生活中的真实项目并形成产品。项目的完成通常涉及多学科知识与技能，有助于促进学生知识的整合与应用。可见，项目式学习的特点与物理学与工程技术的跨学科实践要求较为契合。 国内外研究也表明，项目式学习在激发学生兴趣，培养学生工程与技术实践能力以及分析与解决问题的综合能力等方面具有极大优势[2-6].因此，项目式学习可作为初中物理跨学科实践活动的理论基础。

“测量固体和液体的密度”是《义务教育物理课程标准（2022 年版）》中的测量类学生必做实验之一。测量液体密度的常规方法是利用天平和量筒分别测量液体的质量和体积，再根据公式 计算出液体的密度。学生首次了解密度计是在学习浮力后，从苏科版新教材跨学科实践中《设计制作简易密度计》活动中获悉的。新教材是将测量液体的密度与浮力知识相结合，利用吸管制成简易密度计。简易密度计的刻度标注，量程和精确度确定等问题是学生学习的难点。为了帮助学生攻克密度计的难点，培养学生工程技术能力，本文以项目式学习作为理论基础开展初中物理跨学科实践活动，围绕初三浮力复习开发“弹簧测力计制作简易密度计”项目。该项目按“真实情景-问题驱动-工程实践-思维发展”的路径设计实施。

例题 （2020 年常州中考题第29 题）创新小组自制简易“浸没式液体密度计”，过程为：

①将一实心小球悬挂在弹簧测力计下方，示数如图甲所示；

②将小球浸没在水中，弹簧测力计示数如图乙所示；

③将小球浸没在某未知液体中，弹簧测力计示数如图丙所示；

（4）在测量范围内，某待测液体的密度ρ 与弹簧测力计示数F 的关系式为，则该“浸没式液体密度计”的刻度值分布（均匀/不均匀）。

这道中考题是利用弹簧测力计自制简易密度计的经典例题，同时也是初中物理跨学科实践的典型案例。根据称重法 和 ，可得液体的密度表达式

由于ρ与F 呈一次函数关系，所以该“浸没式液体密度计”的刻度值分布均匀。至此，这道题的问题从理论层面已基本得到解决。然而，学生对于弹簧测力计究竟是如何一步步改装成简易密度计的过程，仍一知半解。对于如何解决该密度计的量程、精确度等实际问题，更是缺乏相应的能力。可以说，学生目前仅仅停留在解题的层面，尚未真正将知识内化为实践能力。《义务教育物理课程标准（2022 年版）》着重强调了注重 “做中学”“用中学” 的理念。这就要求教师积极开展多样化的教学活动，引导学生在实践中学习和运用知识，切实提升学生的操作技能与探究能力，以弥补学生从理论到实践转化过程中的不足。

2 项目实施流程

2.1 项目1：情境导入，激发学生兴趣

教师展示密度计图片并提问：根据吸管竖直漂浮在不同液体中浸入深度不同，制成了简易密度计。那弹簧测力计是否能制作简易密度计呢？

设计意图：让学生回顾吸管制成简易密度计的原理，为用弹簧测力计制作简易密度计做铺垫，同时激发学生对制作简易密度计的兴趣2.2 项目2：知识回顾，初识密度计实验原理

弹簧测力计制作简易密度计需要学生掌握称重法、阿基米德原理等浮力知识，因此，在制作密度计前设计以下两个问题，以激活学生的浮力知识，使其初步掌握制作密度计的实验原理：

问题1：如图1，利用弹簧测力计、圆柱体（里面装了沙石）、一桶水，测出圆柱体的体积。问题2 请从受力分析免度 谈谈圆柱体受到的潘 元1 弹等测力计

这两个问题主要是帮助学生回忆浮力中的称重法模型。教师不必直接作答，在黑板上抛出这两个问题，让学生小组合作，组装器材，探究实验。然后小组成员给大家分享两个问题的答案。（学生实验可得数据，圆柱体重力G=1.6N，圆柱体挂在弹簧测力计下放入水中，不触底，示数 F=1.1N。推理可得，圆柱体的体积 V =0.5×10-4m3）

设计意图：《义务教育物理课程标准（2022 年版）》指出，跨学科实践要紧密结合物理教学内容，体现综合性和实践性。初三学生虽具备称重法、阿基米德原理等浮力相关知识以及公式推导和画图像的能力。但浮力章节是在初二下学期学习，很多经典物理模型和知识框架已被遗忘。所以设计这两个问题，激活学生旧知，让学生动手实践，紧密结合物理教学内容。

密度计刻度的标注需要学生动手实践并推理出密度（ρ 液）和弹簧测力计F 之间为一次函数关系即理解密度计的刻度是均匀分布的，这是一个较复杂的跨学科问题。因此应该设计有层次的问题为学生思维搭建支架，如问题3 和问题4：

问题3：将圆柱体依次浸没在液体中，记录弹簧测力计示数F （N）于表1 中，并在弹簧测力计刻度盘相应位置标注液体密度值。问题4：如果圆柱体的重力为G，体积为V，浸没在某液体时弹簧测力计的示数为F，水的密度为ρ 水，请用以上已知条件推导出某液体的密度 （ρ_*） 表达式.

对于问题 3 中“0 刻度线”和“1”的标注，学生根据称重法，容易分析出弹簧测力计在空中悬挂圆柱体时，弹簧测力计示数的位置就是密度计“0 刻度线”的位置即 G_- =1.6N 的位置。然后把圆柱体挂在弹簧测力计下浸没水中（不触底），示数F=1.1N 即“1g/cm3”水密度值的位置。同理，圆柱体依次浸没在表1 其他已知液体中，记录F （N）值，然后在弹簧测力计刻度盘上标注液体密度值，如图2（a）。对于问题5，密度计的刻度是否均匀分布是一个复杂的跨学科数学问题，难度较大。因此设计了问题 4 为学生思维做支架。学生根据问题 4 的条件推理归纳可得表达式： 分析该表达式可知，密度 （ρ_w） 和弹簧测力计 F 之间是一次函数关系，所以密度计的刻度是均匀分布的。 生根据此结论可均匀标注出弹簧测力计刻度盘上其他密度值，如图2（b）.

设计意图：《义务教育物理课程标准 年版 的跨学科实践学业要求 学生要能在跨学科实践中尝试找出影响活动成效的主要因素，能运用简单模型解决问题；能利用归纳或演绎的方法对跨学科问题进行推理，获得结论。因此，设计“密度计刻度的标注”和“刻度是否均匀”这两个问题旨在发展学生工程技术能力和运用知识、分析与解决问题的综合能力

2.4 项目4：培养创新能力，提高密度计精确度

对图2（b）分析可知，密度计的分度值是0.2g/cm3，这显然不满足常规液体密度精确度的测量要求。于是提出改进问题：问题6：如何提高该简易密度计的精确度？

为了制作精确度更高的密度计，可采取哪些改进措施？学生根据公式 _ii= 提高精确度就是要减少两个密度之间的差值，即减少 。因此，要想∆ρ 液值变小，可减少弹簧测力计的分度值或增加物体的体积。学生先选择用分度值更小的弹簧测力计优化制作简易密度计，如图3.分析可知，改进后密度计的分度值为0.1g/cm3，精确度明显提高。

2.5 项目5：培养工程意识，再优化密度计

有学生评价：制作的简易密度计示数可读性较好，但精确度不是很高，量程（0～3.2g/cm3）对测量常规液体密度的范围偏大。因此，为了制作出精确度更高，量程更小的密度计，让学生具备产品优化意识，教师再提出问题：问题7：如何再次优化密度计从而提高其精确度和缩短其量程呢？

从图 3 中可知，当弹簧测力计示数 F=0 时，简易密度计有最大值为3. 因此教师可以引导学生往两个方向思考：方法一：根据物体浮沉条件可知，当图1 中的圆柱体密度刚 好等 中就刚好处于悬浮状态，此时弹簧测力计示数F=0，即简易密度计最大值处，因此降低圆柱体的密度就可以减少简易密度计 最 缩短简易密度计的量程。方法二：结合公式 ， 当F=0 时，公式可变形为 两种方法得出同样的结论，圆柱体密度刚好等于某液体密度时，简易密度计有最大值。因此，降低圆柱体的密度就可以缩短简易密度计的量程。为了降低圆柱体的密度，在保持图 1 中圆柱体里沙石质量不变的前提下，我们能够选用体积为其两倍的圆柱体来做实验。 优化后的简易密度计如图4 所示，量程为0～1.6g/cm3，分度值是0.05g/cm3，与之前相比，量程范围缩小至原来的二分之一，分度值同样变为原来的一半，这使得测量精确度显著提升。

图4 再优化后的简易密度计设计意图：《义务教育物理课程标准（2022 年版）》的跨学科实践学业要求，学生能在操作中独立思考，提出自己的见解。因此，为了培养学生解决问题的综合能力、动手操作的实践能力和敢于创新的精神，教学过程中设计了优化密度计精确度和量程问题。2.6 项目6：培养交流及反思能力，评价密度计

为了了解各组学生在此项目中的课堂表现和制作产品的成果质量，这次项目评价兼顾过程性评价、成果性评价及学生和教师评价。根

据教学目标和学生应具备的能力，设计出了评价纬度、评价指标、评价细则三级的项目表现性评价量表，满分 100 分，如表 2 所示。小组

互评后，教师再对每组按照评价量表的细则进行打分。随后，教师将评价反馈给每组的学生，学生准对性的修改和改进，再进行交流总结。表2 项目表现性评价量表

设计意图：《义务教育物理课程标准（2022 年版）》的跨学科实践评价指出，评价学生提出问题能力、收集和处理信息能力、综合解决实际问题能力，以及团队合作能力。因此设计评价密度计环节，以培养学生交流及反思能力。

2.7 项目7：拓宽思维，拓展密度计种类

最后，为了拓宽学生思维，丰富密度计制作的知识，教师简单介绍由其他方法制作的简易密度计，例如由杠杆、U 型管等改装而成的密度计[7]。

本文以“弹簧测力计制作简易密度计”教学案例为载体，以项目式学习为理论基础，构建初中物理学与工程实践的跨学科实践活动。项目按"真实情境-问题驱动-工程实践-思维发展"路径设计，通过问题链驱动项目发展。在项目实施过程中，学生历经设计实验方案、标注密度计刻度、提高密度计精确度、评价密度计等完整实践流程，不仅深化了学生对弹簧测力计制作简易密度计的理解，更培养了学生工程技术能力和发展了学生科学思维。这种基于真实工程问题的项目式学习，发挥了学生的主体性和主动性，有效落实了“做中学”“用中学”的教育理念。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022 年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]Novak， Ann M.， and Joseph S. Krajcik. "A case study of project‐based learning of middle school students exploring water quality."？TheWiley handbook of problem‐based learning（2019）： 551-572.

[3]聂俊.国内近十年项目式教学研究综述[J].山西青年，2022，（05）：33-35

[4]罗莹，谢晓雨，韩思思，等.中学物理教学新模式：基于项目的教学[J].课程.教材.教法，2021，41（06）：103-109.

[5]张诗藤，邱凯迪，须萍.基于项目式学习的物理学科核心素养培育策略——以“制作潜水艇模型”为例[J].中学物理教学参考，2022，51（35）：30-32.

[6]李文波，马云鹏.例谈初中物理项目学习的实施策略[J].中学物理，2020，38（12）：18-20.

[7]侯中柱.基于液体密度计原理制作简易杆秤密度计和弹簧秤密度计[J].中学物理，2016，34（22）：62-63.

作者简介：余彬彬（1990.02_），男，中小学一级教师，主要从事初中物理教学工作。

学历：硕士

工作单位：

Ⅰ本文系苏州高新区教育科学“十四五”规划课题基于“创新实验”的问题驱动式深度教学实践研究（编号：SND-2022-YB-001）的阶段性研究成果。

Ⅱ本文系苏州市教育科学“十四五”规划课题“学科育人”背景下初中物理家庭微实验作业的范式建构与实践研究（编号：2023/JK-j/02/002/10）的阶段性研究成果。