跨学科实践：量具制作项目化学习探索
——以“自制浮力秤”为例
摘要：在明确量具本身对学习的重要性及其考查内容的基础上，总结出量具制作视域下的初中科学跨学科项目化学习的一般模式：创设情境→提出问题→建立模型→修正模型→创建模型。该课堂模式取材简单，具有很强的推广性，并以模型为导向，重视思维训练，在学科融合方面具有重要的指导意义，使得学生素养以可见的形式增长。
关键词：量具制作；跨学科；项目化学习
《义务教育科学课程标准(2022年版)》明确提出要能综合运用所学的学科核心概念和跨学科概念，利用常见工具和材料，从多学科、跨学科的角度，遵循构思、设计、优化实施、检验、修改等过程，设计制作简单的装置，开展相关的技术与工程实践.随着工业以及制造业的发展，越来越多的精密零件和设备需要高精度的量具来测量.如何基于时代需求，将量具作为背景和切入口，利用其本身蕴含的众多科学原理以及制作量具所需要的跨学科知识进行项目化学习，并最大程度地激发学生的求知欲、探索欲以及创造欲，值得一线教师认真研究。
一、量具在初中科学跨学科项目化学习中的重要作用
量具是一种在使用时具有固定形态、用以复现或提供定量的一个或多个已知量值的器具。发明绝对温标的物理学家开尔文曾言“实现测量并能用数量表述，才算真知”。这里的“真知”指的就是量具本身蕴含丰富的核心概念和跨学科概念以及关键能力。梳理初中科学常见量具包含的跨学科知识及其关键能力（见表1）。从制作量具项目需求入手，设计并在制作的过程中不断迭代，最终创造出能解决真实问题的量具，从而实现跨学科项目化学习所倡导的为了解决一个真实而复杂的问题，学生学习并创造性地整合不同学科的核心知识和能力，以形成整合性的项目成果和新理解。
二、量具在初中科学跨学科项目化学习中的考查内容
以浙江省为例，近三年的关于量具制作项目化中考试题见表2.可以发现每年都有地市进行考查，尤其以“浮力秤和密度秤”为情境，考查“力学、杠杆、电学”等必备知识以及理解、建模、探究和数学推理等关键能力.因此选择“自制浮力秤”项目化学习，可以综合学生必备知识和关键能力，并实现相应的素养提升，同时形成自身对多学科核心概念的新理解.
三、量具在初中科学跨学科项目化学习中的教学实践
以“自制浮力秤”的设计和实施为例，阐述在量具制作类视角下的初中科学跨学科项目化实践过程.具体流程如图1所示.
1.创设情境：故事引入，激发兴趣
学生对于“曹冲称象”的故事耳熟能详，因此上课采用该故事引入，以问题“曹冲具体用什么方式计量大象质量？”为主线，请同学们讲讲具体的称量过程。学生踊跃发言，教师适时指出，如果缺少什么曹冲就不能把大象的质量给确定？曹冲能称出大象的质量的本质原因是什么？学生此刻意识到如果缺少一个衡量标准质量的台秤是无法进行测量的。教师继续引导学生意识到测量的含义：将待测量与公认的标准量进行比较的过程。
设计意图：通过学生非常熟悉的故事引入，能极大地激发学生的学习兴趣。教师引导学生从测量的本质角度进行思考，深化理解测量的含义。
2.提出问题：增设问题，活化思维
在学生意识到测量物体质量需要明确公认的标准量(也就是1千克)的问题后，教师通过增加几个设问，进一步激活学生的思维.
设问1:1千克的标准砝码是不是一定得随身携带才能知道其他物体的质量？能否将1千克的质量以标度的形式替换？
设问2：如何标度出标准质量？例如将1千克的质量标注在矿泉水瓶上？
设问3：如何将精确度做得更好？例如1千克的质量标注在矿泉水瓶上的间距如何？
设问4：如何将量程控制合适？例如用矿泉水瓶称出一个人的质量.
设问5：如何在使用过程中更稳定？例如矿泉水瓶如何稳定地漂浮在水中？
设问6：如何选择合适的容器？例如是选择上下瓶口相同的矿泉水瓶还是上下瓶口不一样的？
设计意图：通过具有层次的设问，激发学生的思考欲望，从而将学生的思维引向更深处，学生不再认为“曹冲称象”仅仅是一个很简单的故事，里面蕴含着深刻的科学思维，并意识到要制作一个量具需要考虑一系列问题，包括量程、精确度、仪器选择等，从而具有跨学科的意识，发展其物理学科核心素养.
3.建立模型：引导讨论，初建模型
学生通过以上几个问题的讨论，得出基本的思路：凡是有均匀变化规律的都可以标刻度、做量具。同时按照初中数学知识，可以知道均匀变化的规律应该满足正比例关系的数学函数关系，比如圆柱体、正方体的体积公式中就有这样的关系。因此选择上下瓶口相同的矿泉水瓶作为放置待测物体的容器。在学生讨论得出的基础模型上，教师提供器材，如矿泉水瓶、剪刀、马克笔、胶带纸、标准50克砝码、盛水容器等进行自制“浮力秤”（如图2所示）。
设计意图：学生以模型为基础，利用教师提供的相应器材，进行简单制作，得到“浮力秤”工具。该过程能极大地激发学生参与热情，并且通过模型指引进行实物制作，能最大限度地将理论和实际进行结合，突出将科学知识运用于实际的理念。同时在讨论出基本模型的过程中，建立“凡是有均匀变化规律的都可以做量具”的科学观念。
4.修正模型：实践检验，优化模型
教师在学生完成自制的“浮力秤”后，给出课堂任务：利用自制的“浮力秤”，称量一个苹果的质量。学生经过几次尝试，提出需要改进的几个问题。问题1：如何保持圆柱体容器竖直在水面上？
问题2：配重应该怎么放？
问题3：增加配重后，零刻度线应该如何标注？
问题4：为了增加精确度，需要选择瓶身较细的瓶
子,但是如何解决待测物体太大而不能放在容器内部的问题呢?
设计意图：将初建模型应用于实际问题时，出现了新问题：如何竖直、如何标度、配重多少等，引发学生深度思考.学生需要经过数学论证，才能得出新的发现.
5.创建模型：新的需求，迭代模型
完成测定苹果任务后，教师进一步提出新的需求：利用“浮力秤”原理，来测定一个人的体重，又需要进行哪些改进呢？请画出设计图，并给出说明。学生意识到，这是一个超过量程的问题，同时又不能降低精确度从而否定采用底面积更大的容器。新的认知冲突的出现，正是激发学生深度思考的契机。随着学生讨论的深入，有些学生想到了可以从费力杠杆的角度进行改进，采用带直角形的杠杆，将直角的一端置于容器内，而人站立在离O点较近处，组成费力杠杆。改进模型及其数学证明如下......
