摘 要：本文采用“黑箱探究”的方式，從測量工具的局部刻度和特征來判斷測量工具的種類，激活“測量”概念中的要素和建立概念中的關(guān)聯(lián)。先通過長度、體積等的測量分析出測量儀器的特征、刻度是否均勻、定性定量測量等要素，然后用PBL設(shè)計(jì)來對“測量”的概念進(jìn)行提煉與升華。通過縱向的黑箱探究和橫向的PBL設(shè)計(jì)來建構(gòu)概念教學(xué)的發(fā)展層級，從而促進(jìn)學(xué)生初中科學(xué)概念的深度理解。

關(guān)鍵詞：黑箱探究；PBL設(shè)計(jì)；概念理解；測量

1 引言科學(xué)是建立在可檢驗(yàn)的解釋和對客觀事物進(jìn)行預(yù)測基礎(chǔ)上的知識系統(tǒng)。掌握觀察、實(shí)驗(yàn)、測量、推理、解釋等基本的科學(xué)方法和具備初步的探究實(shí)踐能力均是科學(xué)課程的目標(biāo)。［1］推理論證和預(yù)測解釋都離不開定性分析和定量測量，所以測量是操作中的一個核心技能，也是探究實(shí)踐中的“先鋒官”和“取證員”。需要探究的事物就像一個個內(nèi)部結(jié)構(gòu)機(jī)理不能或不便直接觀察的“黑箱”，但我們可以通過外部觀察和實(shí)驗(yàn)來認(rèn)識其功能特性或推測其可能的結(jié)構(gòu)模式。采用“黑箱探究”作為研究載體和手段，有利于激發(fā)學(xué)生探索的興趣和求知欲。［2］而《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》注重“做中學(xué)”的項(xiàng)目化學(xué)習(xí)（PBL），以核心概念和真實(shí)性問題為驅(qū)動。［3］本文在分析、歸納長度、體積、溫度、質(zhì)量的單一測量和密度的組合測量的基礎(chǔ)上，采用“黑箱探究＋PBL設(shè)計(jì)”模式來詮釋和落實(shí)核心素養(yǎng)的“探究實(shí)踐”，分層逐析對“測量”概念的內(nèi)涵和外延的深度理解。

2 涉及概念與教學(xué)目標(biāo)本節(jié)課涉及的核心概念包括物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、物質(zhì)的運(yùn)動與相互作用、工程設(shè)計(jì)與物化，涉及的跨學(xué)科的概念包括結(jié)構(gòu)與功能、系統(tǒng)與模型。教學(xué)目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

2.1 培養(yǎng)科學(xué)觀念

第一，在逐步理解和應(yīng)用“測量”概念的基礎(chǔ)上形成對結(jié)構(gòu)、功能觀念的認(rèn)識。

第二，在掌握知識和技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過原理應(yīng)用、設(shè)計(jì)、物化迭代來認(rèn)識創(chuàng)新觀念。

第三，通過PBL項(xiàng)目化學(xué)習(xí)來構(gòu)造新的測量工具，在解決實(shí)際問題和項(xiàng)目制作的過程中形成科學(xué)觀念。

2.2 培養(yǎng)科學(xué)思維

第一，通過分析刻度尺、溫度計(jì)、量筒等測量儀器的特征，歸納出測量工具的基本要素是零刻度、測量范圍和最小刻度。

第二，通過比較量筒和量杯的刻度特征，用數(shù)學(xué)公式來推導(dǎo)和解釋刻度是否均勻及其原因。

第三，通過初步建構(gòu)天平的橫梁標(biāo)尺平衡的原理，體會定性和定量測量。

第四，在區(qū)分直接測量和間接測量的基礎(chǔ)上，利用類比遷移，設(shè)計(jì)能直接測量液體密度的新型工具。

2.3 培養(yǎng)探究實(shí)踐

第一，通過黑箱實(shí)驗(yàn)的探究方式，逐步歸納出刻度均勻、零刻度、測量范圍、最小刻度和單位，并以此來判斷測量儀器的性質(zhì)與種類。

第二，根據(jù)測量過程中的視線偏差、取用尺度標(biāo)準(zhǔn)和測量順序的不同，歸納與評價(jià)測量值與真實(shí)值出現(xiàn)偏差的原因。

第三，經(jīng)歷提出問題、設(shè)計(jì)方案、實(shí)施計(jì)劃等探究過程，合作完成工具設(shè)計(jì)。

2.4 培養(yǎng)態(tài)度責(zé)任

第一，樂于根據(jù)黑箱中的儀器特征，分析歸納測量的基本步驟；善于通過小組協(xié)作，共同解決科學(xué)、技術(shù)和工程問題。

第二，分析測量儀器在使用方法上的差異，培養(yǎng)敢于質(zhì)疑、善于分析的品質(zhì)。

3 教學(xué)思路與框架“測量”的教學(xué)設(shè)計(jì)被定位為浙教版科學(xué)七年級上的期末復(fù)習(xí)課。七年級學(xué)生在第一章學(xué)習(xí)了長度、體積和溫度測量，在第四章學(xué)習(xí)了質(zhì)量和密度測量，但學(xué)生對于測量概念的深層理解和遷移應(yīng)用還有一定的差距。而測量是實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)施環(huán)節(jié)中的核心技能，各類測量儀器的使用貫穿于整個初中科學(xué)教學(xué)之中，因此在復(fù)習(xí)階段提升學(xué)生對測量概念的理解和測量儀器的應(yīng)用很有必要。

采用“黑箱探究＋PBL設(shè)計(jì)”的整合模式來促進(jìn)概念理解，將黑箱作為探究實(shí)踐的載體，將PBL設(shè)計(jì)作為核心概念的應(yīng)用與遷移。依次歸納和展開測量的基本步驟、測量儀器的三要素特征，嘗試用數(shù)學(xué)公式來推測刻度是否均勻、標(biāo)準(zhǔn)尺度差異造成的偏差、定性測量和定量測量、不連續(xù)測量與連續(xù)測量相結(jié)合、直接測量和間接測量的遷移，并評價(jià)測量值與真實(shí)值出現(xiàn)偏差的原因。該模式的教學(xué)框架如圖1所示。

4 教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施意圖

4.1 環(huán)節(jié)一：概念回顧 圖示步驟

4.1.1 回憶“測量”的概念

師：大家知道，我們的科學(xué)研究是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，而在研究和解釋一些科學(xué)現(xiàn)象時，我們不但要定性分析，還需要定量來尋找規(guī)律。所以測量是取得定量數(shù)據(jù)和解釋預(yù)測必不可少的環(huán)節(jié)。那么什么叫測量？“測量”的概念包含哪些要素？

生：測量是把待測的量與公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較的過程，包含“待測的”“公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)”和“比較”這三個要素。

師：待測的量就是我們的“研究對象”，根據(jù)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)就可以制作出我們使用的“測量儀器”，比較就是“測量的步驟與方法”。今天我們就圍繞科學(xué)測量進(jìn)行一系列的探索。

4.1.2 歸納出測量步驟

師：大家能根據(jù)已經(jīng)學(xué)過的測量長度、體積和溫度的過程，歸納出測量有哪些基本步驟？

生：測量的基本步驟包含選擇合適儀器、測量過程和觀察記錄。選擇合適儀器主要注重儀器的三要素，測量過程就是研究對象和儀器比較的過程，觀察記錄主要是看、讀、記測量數(shù)值和單位。

設(shè)計(jì)意圖：從測量概念的表面言語提取“待測量”“公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)”這兩個名詞，以及“比較”這個動作?！按郎y量”是我們需要定量研究的對象，“公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)”是大家統(tǒng)一的、易取的、穩(wěn)定的測量標(biāo)準(zhǔn)，儀器的零刻度有利于測量、估算、便于確定量程，根據(jù)實(shí)際需要確定最小刻度。而“比較”就是測量的過程與方法，可以采用估計(jì)值的讀取來增加精確度。通過比較和歸納得出圖示測量的基本步驟，并為后續(xù)的PBL中的演繹遷移做好鋪墊。

4.2 環(huán)節(jié)二：歸納特征 逆向思維

引入黑箱實(shí)驗(yàn)：在研究科學(xué)事物時，有時我們不能觀察到事物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只能通過外部觀察和實(shí)驗(yàn)來推測其結(jié)構(gòu)或認(rèn)識其功能特性?，F(xiàn)實(shí)世界中許多人類還沒有認(rèn)識的事物就像一個個的黑箱。

師：每四個同學(xué)為一組，分到一個“黑箱”，從黑箱中可以看到刻度的一部分（如圖2所示），請根據(jù)觀察到的局部特征來猜測是什么測量儀器？

4.2.1 刻度均勻與不均勻的差異

師：僅通過部分刻度，就能確定是哪種測量儀器嗎？那我們能排除哪些儀器不符合刻度特征嗎？

生：不能?？梢耘懦勘?，因?yàn)檫@一刻度是均勻的，而量杯的刻度是不均勻的。

師：那么我們?nèi)绾我詼y量液體體積的量筒和量杯為例，探索刻度是否均勻的依據(jù)？

生：我們可以根據(jù)體積數(shù)學(xué)公式V＝Sh，推導(dǎo)出h＝VS，當(dāng)體積相同時，由于量筒的S是相同的，所以h相等，表現(xiàn)為量筒的刻度均勻；而量杯的S是下面小上面大，所以h不相等，表現(xiàn)為量杯的刻度不均勻。

師：是的，我們可以根據(jù)測量值與測量儀器刻度的表達(dá)量進(jìn)行比較，如果兩者成正比，則表現(xiàn)為刻度均勻，否則刻度不均勻。

4.2.2 刻度與數(shù)字的位置關(guān)系

回想刻度尺、量筒和溫度計(jì)刻度與數(shù)字的位置關(guān)系，根據(jù)圖3、圖4，猜想有可能是哪種測量儀器？

師：根據(jù)測量過程中，儀器的擺放特點(diǎn)、刻度和數(shù)字的位置關(guān)系有什么規(guī)律？

生：由于讀數(shù)的習(xí)慣，儀器水平放置和豎直放置的不同，刻度和數(shù)字的位置不同。從圖中可知，圖3有可能是量筒，圖4有可能是刻度尺。

師：如果在單位明確的情況下，相鄰兩個刻度之間的差值我們稱之為什么？

生：最小刻度（分度值）。

4.2.3 呈現(xiàn)零刻度和測量范圍

師：如果現(xiàn)在呈現(xiàn)了全部的刻度，這就是我們所說的哪種物理量？

生：測量范圍（量程）。

師：測量范圍、最小刻度與零刻度是測量儀器的三要素，大家想一下，有些儀器有零刻度，有什么優(yōu)點(diǎn)？

生：在讀數(shù)中會比較簡便。

師：現(xiàn)在大家能確定這個儀器是刻度尺了嗎？

生：不可以啊，我們還需要知道后面標(biāo)注的是否是長度單位。

設(shè)計(jì)意圖：嘗試用數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)刻度是否均勻，主要尋找測量量與表示刻度距離是否成正比關(guān)系，也為后續(xù)PBL分刻度提供判斷方法。根據(jù)刻度的最小刻度、零刻度和單位、刻度與數(shù)字是否垂直這些特征逐步逐層激活學(xué)生認(rèn)知中的測量儀器的特征。黑箱實(shí)驗(yàn)方法就像“盲人摸象”，通過感受局部特征來組合推測整體，這也是人們認(rèn)識未知事物循序漸進(jìn)的一種方式。與平時的測量儀器的整體展示相反，從儀器特征的局部構(gòu)造組合到整體比對過程，發(fā)展了學(xué)生的逆向思維能力。以“黑箱”為載體的探究有利于學(xué)生在真實(shí)情境中提取和遷移測量要素，激發(fā)學(xué)生的探究熱情和創(chuàng)新意識，提升學(xué)生的科學(xué)思維能力。

4.3 環(huán)節(jié)三：比例定標(biāo) 判斷誤差

師：根據(jù)圖5的數(shù)字特征，大家猜測這是什么儀器？

生：這個儀器的零刻度在中間，有零上和零下的刻度示數(shù)，猜想可能是溫度計(jì)。

師：我們一起來回憶刻度尺和溫度計(jì)的刻度標(biāo)定過程。

生：一把米尺先是確定了1米的長度，然后平均分成100格，每格為1厘米；溫度計(jì)是首先確定了1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下冰水混合物的溫度為0攝氏度、沸水的溫度為100攝氏度，然后將0攝氏度到100攝氏度等分為100份，每份為1攝氏度。

師：這些過程中都先確定了一些公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)有什么特點(diǎn)？

生：應(yīng)該是常見的，便于測量的，而且要比較穩(wěn)定的。

師：是的，如果定標(biāo)不同，最終的讀數(shù)也會有差異。請解答并體會溫度測量里常見的一類例題：現(xiàn)有一支刻度和玻璃管內(nèi)徑都均勻的溫度計(jì)，在1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下將它放入沸水中，示數(shù)為99攝氏度；放在冰水混合物中，示數(shù)為9攝氏度?，F(xiàn)把該溫度計(jì)懸掛在教室里示數(shù)為27攝氏度，求教室的實(shí)際溫度是多少攝氏度？

生：由于定標(biāo)不同，用圖7表示出測量的讀數(shù)和實(shí)際值之間的對應(yīng)關(guān)系，由于刻度都是均勻的，所以對應(yīng)的長度成比例，列出比例式（99－9）/（27－9）＝（100－0）/（X－0），解得X＝20。所以當(dāng)該溫度計(jì)顯示27攝氏度時，教室的實(shí)際溫度是20攝氏度。

師：這就是定標(biāo)的差異，造成了讀數(shù)的差異。大家回想一下，在之前的長度、體積測量中偏差的情況往往是由什么原因造成？

生：儀器的初始狀態(tài)不正確，測量過程的視線問題，還有測量的順序差異等都會造成一定的偏差（如表1所示）。因測量因素可能造成的偏差情況如表1所示。

設(shè)計(jì)意圖：定標(biāo)準(zhǔn)是構(gòu)造測量儀器的基本步驟，也是對應(yīng)到測量概念中的“公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)”，科學(xué)史上很多儀器的改善和發(fā)展，就是尋找合適標(biāo)準(zhǔn)的過程。所以測量的關(guān)鍵是確定度量單位，因?yàn)閱挝皇菍⒄w轉(zhuǎn)化為部分，使之成為可測量和可比較的統(tǒng)一工具。帶著測量的整體圖景，在刻度尺和溫度計(jì)上確定公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)，然后劃分刻度，并通過溫度計(jì)的常規(guī)題型來體會測量概念中的“定標(biāo)準(zhǔn)”“整體與部分”的精髓要素，逐步領(lǐng)悟“尺度、比例和數(shù)量”的跨學(xué)科概念。

4.4 環(huán)節(jié)四：間斷連續(xù) 定性定量

師：根據(jù)圖6中的特征，我們可以猜測這是什么儀器？

生：根據(jù)特征和單位，該圖呈現(xiàn)的是橫梁標(biāo)尺，所以這應(yīng)該是托盤天平。

師：那我們在調(diào)節(jié)天平在水平方向的平衡時，在天平的調(diào)平和稱量過程中，分別調(diào)節(jié)的是平衡螺母和砝碼、游碼，調(diào)節(jié)的方式有什么相同和不同之處？

生：相同之處是當(dāng)哪邊輕的時候，就往哪邊增加分量。不同之處是平衡螺母的質(zhì)量是不明確的，最終是以指針對準(zhǔn)分度盤的中央刻度線為準(zhǔn)，而砝碼的增減和游碼的移動都是定量的。

師：同學(xué)們分析很到位，這兩個過程都是讓天平達(dá)到原有的初始狀態(tài)。那么砝碼和游碼有什么差異嗎？稱量過程中是否可以只用砝碼？

生：砝碼的合理設(shè)置能讓我們測量絕大多數(shù)物體的大致質(zhì)量，但質(zhì)量零頭部分無法用砝碼來代替，我們必須尋找能連續(xù)測量小質(zhì)量的方法。大家發(fā)現(xiàn)，橫梁標(biāo)尺和游碼有點(diǎn)像刻度尺和砝碼的組合，使用過程與移動平衡螺母的方式相似，都能達(dá)到連續(xù)增減質(zhì)量的效果。

設(shè)計(jì)意圖：在測量過程中會產(chǎn)生誤差和錯誤，測量的錯誤我們可以避免，而測量的誤差只能減少，可以通過多次測量求平均值來減少人為的誤差，可以用更精確的儀器來減小儀器造成的誤差。用托盤天平測量物體的質(zhì)量，利用了天平平衡狀態(tài)的定性和定量的調(diào)節(jié)，也用到了砝碼的不連續(xù)增減與游碼位置的連續(xù)變化，使天平始終能在水平方向上平衡，便于讀數(shù)并且減少相應(yīng)的誤差。

4.5 環(huán)節(jié)五：PBL設(shè)計(jì) 遷移應(yīng)用

師：如果說質(zhì)量表示物體含有物質(zhì)的多少，那么密度表示物質(zhì)的疏密程度。我們?nèi)绾蝸頊y未知液體的密度呢？

生：我們可以用密度公式ρ＝m/V，通過天平測量出液體質(zhì)量，量筒測量出液體體積，從而通過公式計(jì)算出液體的密度。

師：是的，這種測量方式稱之為間接測量。那么我們可以設(shè)計(jì)出直接測量液體密度的儀器嗎？大家可以模仿溫度計(jì)的制作流程來啟發(fā)各環(huán)節(jié)。

根據(jù)問題鏈的設(shè)置，師生對話和老師評價(jià)的方式，給予一定的知識支持，搭建問題框架來逐步設(shè)計(jì)和物化出密度計(jì)（如表2所示）。

設(shè)計(jì)意圖：在七年級的學(xué)習(xí)教學(xué)中，密度的測量采用的是間接測量，而直接測量液體密度的密度計(jì)要安排在八年級上的浮力內(nèi)容中學(xué)習(xí)。本節(jié)主要以溫度計(jì)的構(gòu)造形成為例，在補(bǔ)充力和浮力知識的基礎(chǔ)上，分別從“設(shè)計(jì)原理—選材與結(jié)構(gòu)—定標(biāo)度—分刻度—檢驗(yàn)評價(jià)”五個環(huán)節(jié)來遷移應(yīng)用。通過選取蘊(yùn)含科學(xué)問題的真實(shí)情景，使概念、規(guī)律和定理在PBL設(shè)計(jì)中逐步被領(lǐng)悟，并在原有認(rèn)知基本上去激活“測量”的基本要素和通識性步驟，在新儀器的制作過程中達(dá)到概念的深度理解。

5 教學(xué)反思“測量”是我們定量研究數(shù)據(jù)的必要環(huán)節(jié)，可以將不易測量表達(dá)的科學(xué)量轉(zhuǎn)換成容易測量表達(dá)的科學(xué)量來測量，將已知的測量方法遷移到一些未知量的測量之中。通過測量和輸入、輸出的差異來一起探索生活中黑箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，例如，體溫計(jì)需要一段細(xì)小的彎曲，當(dāng)其脫離被測物體時，周圍溫度下降但水銀無法下降；體溫計(jì)的精確度高，內(nèi)徑需要制作得很細(xì)，導(dǎo)致水銀不易讀數(shù)，就需設(shè)計(jì)具有放大作用的凸透鏡的結(jié)構(gòu)。還有一些長度、體積和質(zhì)量太小的測量，就需要用累積法的思想來實(shí)施測量。學(xué)生通過領(lǐng)悟“結(jié)構(gòu)和功能”“系統(tǒng)和模型”的跨學(xué)科概念，來逐步建立科學(xué)觀念。

“測量”的內(nèi)涵包括選擇合適的測量工具、制定測量過程中的步驟和方法；“測量”的外延是從PBL角度根據(jù)要求制作新的測量儀器，例如利用浮力知識的密度計(jì)，利用滑動變阻器的測風(fēng)儀和油量表，利用通電導(dǎo)體在磁場中受力作用的電流表和電壓表。我們也可以設(shè)計(jì)制作能更精密地測量長度的簡易游標(biāo)卡尺，或者能直接測量電阻阻值的歐姆表。根據(jù)比較和分類，歸納和演繹測量概念中的要素及它們之間的關(guān)聯(lián)。PBL的工程設(shè)計(jì)包含識別問題、調(diào)查研究、形成概念、分析觀點(diǎn)、建立模型、測試和優(yōu)化、溝通和反思七個環(huán)節(jié)。［4］采用“黑箱探究＋PBL設(shè)計(jì)”的教學(xué)策略，以黑箱探究為主線，凸顯探究的各種科學(xué)方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，以PBL設(shè)計(jì)為輔線。通過一主一輔的整合策略，達(dá)到1＋1＞2的效果，促進(jìn)概念理解，讓學(xué)生知其然，更知其所以然，讓思維的融合不斷推動概念發(fā)展層級的躍遷。

參考文獻(xiàn)

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［2］劉炳升，馮容士.中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與自制教具［M］.上海：上海教育出版社，2000：329-330．

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*基金項(xiàng)目：本文系2023年度浙江省教育科學(xué)規(guī)劃課題“素養(yǎng)導(dǎo)向的初中科學(xué)概念理解的創(chuàng)新范式研究”（課題編號：2023SC209），浙江省2021年度教師教育規(guī)劃課題“促進(jìn)初中科學(xué)概念理解的創(chuàng)新范式研究”（課題編號：ZX2021160），第三批紹興市“品質(zhì)課堂”深化行動研究項(xiàng)目“基于科學(xué)概念學(xué)習(xí)進(jìn)階的教學(xué)設(shè)計(jì)模型的研究”（課題編號： 2024XK22）的階段性研究成果。