指向深度学习的“密度计”项目化教学实践

摘要

项目化教学可以有效帮助学生进行深度学习，促进学生核心素养的发展。结合真实教学情境，以“简易液体‘密度计’的制作”作为项目化教学主题，从驱动性问题出发，围绕6个学习任务实施项目化教学。重点阐述“密度计”的制作过程，借此过程培养学生的探究实践能力，强化学习结果的应用迁移作用，以期达成培养学生高阶思维能力的目标。

Graphical abstract

关键词

深度学习 / 液体 / 密度计 / 项目化教学 / 高阶思维 / 探究实践能力

深度学习，是促进学生核心素养发展的重要途径^［1］，其直接目的是促进学生的分析、评价、创造等高阶思维的发展。因此，在物理教学中，教师应促使学生进行深度学习。然而，从教学实践的效果看，有些学生尽管已经学会了知识，但面对探究性问题时仍会遇到困难。究其原因，是教师在平时教学中只注重学科知识的浅层教学，而忽视了以高阶思维能力培养为目标的深度教学；在教学设计中，缺乏创造性地整合真实情境与核心知识的方法，导致学生难以进行深度学习。项目化教学，是完成一项源自真实世界经验且需要深度思考的任务^［2］，它以小组合作为主要方式，采取基于问题解决的教学方式，目的是促进学生核心素养的发展。项目化教学，强调学生在真实情境中学习，关注学习迁移能力的培养，并在解决真实情境问题中促进思维的发展。主动采取项目化教学方式，可以有效帮助学生进行深度学习。

1 创设真实情境，确立指向深度学习的目标

笔者所在城市位于东海之滨，海产品养殖业较为发达。在海产品养殖业中，经常需要养殖者自行配制人工海水，其中一个重要指标就是人工海水的密度。基于这一情境，确定学生学习的项目主题为：设计一个能够方便测量液体密度的简易液体“密度计”（以下简称“密度计”）。“密度计”的设计涉及阿基米德原理和物体浮沉条件等与浮力相关的核心知识，同时其制作过程是科学探究的过程，故结合浮力的知识特征和课程标准的要求^［3］，确定以下学习目标。

①对浮力相关知识进行有效复习，并建立知识的联系；②培养学生在具体情境中将科学知识和作品设计进行有效融合的能力，进而提高其探究能力；③评价“密度计”的优缺点，帮助学生体悟转化、替换和控制变量思想在设计中的价值和作用；④讨论“密度计”中“最小刻度值”和“量程”的辩证关系，培养批判性思维；⑤结合项目化教学，围绕学习任务，在“密度计”作品的不断修改完善过程中，促进学生深度学习，培养其高阶思维能力。

以“密度计”的制作为具体项目，其确定的学习目标具有较深的层次，具体表现为：不但要求学生落实知识的建构，更重视对学生高阶思维能力和科学探究能力的培养，并渗透设计元素。

2 以作品为导向的任务驱动，促进深度学习

深度学习强调学生围绕一系列挑战性学习任务展开学习，这是过程深度的体现。项目化教学往往基于一个项目主题、一系列驱动性问题，围绕学习任务，以作品模型作为物化成果，其项目实施的具体过程及评价见表1。

项目化教学的整个过程围绕6个学习任务展开，根据任务特点分为3个阶段。一方面，各阶段对应作品模型的特点和学生触发的学习表现层次均有所不同，体现了项目化教学的学科综合特点；另一方面，重视培养学生的高阶思维能力，鼓励学生进行讨论并积极思考，指引其通过科学探究进行深度体验，最后达到提升深度思维能力的教学目标。

2.1 创设认知冲突，形成作品雏形，引发学生讨论和思考

在课堂教学中，教师帮助学生重新回顾原有知识。首先提出简单问题，如让学生重新回顾浮力、二力平衡、阿基米德原理及浮沉条件等知识，并使知识之间形成联系；然后，布置学习任务1，利用器材（小木块、记号笔、两只相同烧杯内装有不同待区分的液体）制作一支密度计，用其区分烧杯中两种液体的密度；最后，围绕学习任务2创设认知冲突情境，引发学生展开讨论和思考。

在学习任务1中，提供给学生固定的器材，降低了学习难度，让学生结合已有常规密度计的知识，进行学习迁移。这样做的好处有两点：第一，可以让学生在学习过程中，聚焦阿基米德原理、浮沉条件等核心知识；第二，让学生保持持续的学习动力，避免因学习任务难度过大而失去学习兴趣。从项目化教学角度而言，装置设计是物化成果，因此提供给学生固定的器材，符合作品特性。

在学习任务2中，直接给出任务：要求区分两种无色液体（两种液体的量都不足以让木块漂浮）的密度。这一学习任务的难度有所提升，需要学生尝试解决问题。展示引导性问题：从力和浮沉条件的角度分析木块无法在较少液体中漂浮的原因是什么？可用笔筒替代木块，但笔筒无法漂浮在液面上，怎么办？通过观察“浮力秤”，同学们有何启发？在这一过程中，学生基于“浮力秤”原理思考将待测液由外部转向内部。就学习层次而言，任务2较任务1有所提升，表现为运用类比、比较等科学方法，需要借助分析性思维解决问题。从作品角度而言，实现了从常规密度计雏形向“密度计”雏形的转变，如图1所示。

在这一教学阶段，首先，学生借助常规密度计原理进行讨论和思考，完成学习任务，为后续学习的展开打好基础；其次，常规密度计无法测量较少液体的密度这一认知冲突，能激发起学生解决真实情境中问题的学习动机，利用讨论和思考环节，可促进学生逐级展开深度学习，从而为后续学习提供支架。

2.2 应用科学探究等关键能力，制作作品模型，指引学生深度体验

科学探究是以科学探究能力为前提的，同时科学探究活动的体验过程又可以促进科学探究能力的提升。在“密度计”雏形的基础上继续制作作品模型，让学生深度体验。在学生讨论和思考之后，能利用器材对少量液体密度进行区别，这是定性探究阶段。此时，教师可安排学生进行定量探究。

在学习任务3中，学生结合器材（记号笔和3根橡皮筋）进行以下操作：先将原先的“密度计”放入水中，用记号笔记下水面所在位置，标注为“0”刻度，并用橡皮筋固定位置（图2-a）；再将水倒入“密度计”中，让其漂浮在烧杯中，标注此时液面所处位置为“1 g/cm³”刻度，并用橡皮筋固定位置（图2-b）。学习过程包括体验过程，在这一环节中，学生利用自制的“密度计”深入体验标注刻度的过程，伴随思维的展开，其学习也不断深入，这就为任务4的学习创造了条件。

在学习任务4中，学生上台展示作品，教师对其进行投影，各组学生进行自评和互评，发现不同组别“密度计”上对应的0 g/cm³和1 g/cm³间隔是不同的。教师提问：你们认为哪一支“密度计”的精度更高？是什么原因导致的？此时，图片展示：体温计和一般温度计。学生结合问题深入思考，最终得出影响精度的因素有配重质量和待测液体的体积，遂完成学习任务4。在这一过程中，学生经历更多的是思维的深入体验，较任务3的活动体验具有递进性，其中渗透了“分析”和“评价”两个高阶思维要素，从而促进了学生科学探究能力的提高。

基于模型的设计、制作、评价和完善的过程，易于指引学生进行深度的多重体验，并运用已掌握的实验探究技能解决问题，同时其科学探究和高阶思维能力也能得到锤炼。参与学习任务，能促进学生自主进行深度思考和体验，并自觉地进行科学探究，提出可行的解决方案。此时，学生发现“密度计”已基本成型，但刻度太少，仍然不能正常使用。

2.3 巧妙使用科学方法，优化作品模型，触发学生深度思维

学生是否进行深度学习的主要标志是其高阶思维是否触发。教师在课堂中初步设计具有深度学习特征的挑战性任务，并对学生学习过程中的表现和可能遇到的困难作出预设^［4］，以此推进学生深度学习；再引导学生巧妙运用各种科学方法，进一步优化作品，是实现这一过程的有效途径。这一阶段包括学习任务5：在自制“密度计”上标出“0.5 g/cm³”刻度和学习任务6：确定“密度计”的量程。

在学习任务5中，学生首先想到的是将密度为0.5 g/cm³、体积为V₀的液体倒入“密度计”中，当“密度计”平衡时记录其与水面交界之处即为0.5 g/cm³的刻度位置。教师评价：采用这种方法存在两个实际问题，现实中较难找到密度为0.5 g/cm³的液体，也无法找到其他与密度值对应的液体。

教师引导并提示：“密度计”浸入大容器液体中的深度与所测液体的质量成正比，因此向“密度计”中加入V₀/2体积的水与V₀体积的密度为0.5 g/cm³的液体是等效的（图3）。这一过程涉及的科学方法是“等效替换”，涉及“创造”这一高阶思维。以此类推，只要减少待测液体，就可标示出更多的刻度值。

在学习任务6中，利用受力分析、阿基米德原理、浮沉条件及密度公式等知识推导得出：“密度计”的刻度是均匀的。如图4所示，“密度计”的量程为：ρ_测=h₁/h₂。再引导学生结合该结论得出，“密度计”在量程和精度的选择上是辩证关系。即：在h₁一定的情况下，若h₂较小，则精度低、量程较大。因此，若要将“密度计”推广至市场，可引导学生对其双量程进行思考。在完成这一学习任务的过程中，学生的分析、评价和创造等高阶思维均已触发。从项目化综合特征角度而言，探究活动涉及科学、数学等学科知识，与此同时，学生的学习也已走向深度。

伴随着模型的不断优化，学生对科学方法与技能的掌握也不断熟练，将知识、方法和能力进行了有效迁移；通过深度思考和批判性学习体验，学生的深度学习得以实现，从中体会了学习乐趣和作品完成后的成就感。这一案例说明，只要教学方法得当，就能有效促进学生情感态度与价值观的提升，实现素质的全面发展。

3 结合项目化教学关键特征，培养学生的应用迁移能力，促进学习成果的深度化

以项目化教学为载体，通过学习任务的解决，可实现作品的制作，但这不是学习终点，教师应在此基础上对知识进行整合，将知识迁移到不同情境中加以应用，以培养学生的高阶思维^［5］。因此，项目化教学的关键特性是让学生基于不同情境利用已具备的知识解决问题，实质上就是迁移能力的培养。

尽管在课堂上，学生的迁移能力得以体现，但都是基于同一主题下的迁移，在情境距离上属于近迁移，而创设情境会引发远迁移，这才是实现深度迁移的前提。故而，拓展任务，以便学生自主学习和解决问题，培育学生的深度迁移能力，能促进学习成果的深度化。

拓展任务：展示某水质监测单位的电子密度仪，其工作原理是将一定体积的不同液体注入烧杯中，电子显示器上就能显示不同的密度值。请利用烧杯、力敏电阻、电池组、滑动变阻器、开关、导线、电压表（或电流表）设计一个电子“密度计”电路，并按照此电路制作一个简易电子“密度计”模型，借此在电压表或电流表上标注对应的密度值。这一作业属于科学探究任务，即属于制作作品模型的题目，但涉及密度和电路等知识，有别于课堂上的主题，属于深度迁移的学习素材。

深度学习追求高阶思维的培养，而项目化教学中的作品模型制作为显化目标，渗透着培养学生的高阶思维和科学探究等学科关键能力。因此，在物理教学中采用项目化教学方式，能为学生的深度学习提供一种可行路径。在此过程中，不但涉及科学、技术知识，还需运用数学、工程等知识，是学科综合的体现，极大地促进了学生多方面能力的提升，有助于实现核心素养的落地。

参考文献

[1] 胡久华，罗滨，陈颖.指向“深度学习”的化学教学实践改进［J］.课程·教材·教法，2017，37（03）：90-96.

[2] 刘林.基于真实问题情境的项目式教学改进的探究：以“设计显示加速度大小的装置”为例［J］.物理教学探讨，2022，40（02）：1-4，10.

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

[4] 田慧生.深度学习：走向核心素养（理论普及读本）［M］.北京：教育科学出版社，2018.

[5] 张志兵.基于“整合与迁移”的项目化学习设计探索：以人体“肺的通气”复习为例［J］.理科考试研究，2022，29（12）：63-65.

基金资助

2023年度浙江省教师教育双名专项课题“基于科学思维能力培养的初中科学教学实践研究”(SMZX2023270)

2025年度浙江省哲学社会科学规划部门重大课题“基于学科素养立意的全省中考统一命题实践与分析评价研究”(25BMHZ002ZD)