摘" 要：本文對寧波市2023年初中學業(yè)水平考試科學第33題進行分析，就試題如何體現(xiàn)《義務教育科學課程標準（2022年版）》學科核心概念的學業(yè)要求，以及如何凸顯核心素養(yǎng)的評價做深入的評析。本文以該試題為例，分享相關問題的多種解法，體現(xiàn)了不同的思維方式，并對學生的錯解進行了分析，指出其素養(yǎng)的缺失。在此基礎上為項目化教學、學科核心概念的融合教學、探究實踐教學給出教學啟示。

關鍵詞：學科核心概念；核心素養(yǎng)；試題評析；教學啟示

基金項目：本文系浙江省教育科學規(guī)劃2023年度一般規(guī)劃課題“初中科學差異化探究教學的策略研究”（課題編號：2023SC184）及2023年寧波市基礎教育教研課題“初中科學探究實踐作業(yè)設計與實施的策略研究”（課題編號：LX2023140）的研究成果之一。

1" 試題呈現(xiàn)

學習了項目化課程后，小寧自制一支能測液體密度的儀器。如圖1甲所示，取一根兩端開口、粗細厚薄均勻的勻質塑料管MN，N端用合金塊封口，再通過計算在塑料管外壁標上刻度線和刻度值，儀器就制作完成。如圖1乙所示，當儀器豎直漂浮在待測液體中時，液面所對應的刻度值就是待測液體的密度大小。已知塑料管長l1＝30 cm，質量m1＝3 g，塑料管橫截面的外圓面積S＝1.2 cm2；合金塊高l2＝2 cm，質量m2＝18 g。請計算：

（1）該儀器的重力。

（2）該儀器豎直漂浮在水中，受到的浮力大小及浸入水中的深度。

（3）該儀器豎直漂浮在水中，水對該儀器底部的壓強大小。

（4）為了找出該儀器的重心，小寧用細線將它懸掛起來，使其水平平衡，如圖1丙所示。重心О點離N端的距離d為""" cm。

（5）物體浮力作用點位于物體浸入液體部分的幾何中心。該儀器的浮力作用點位于重心及以下時，將會在液體中傾倒，難以測量。從理論上分析，該儀器豎直漂浮在某種液體中時，如果浮力作用點恰好與該儀器重心重合，則該液體的密度為""" g/cm3。（計算結果精確到0.1 g/cm3）

圖1

2" 試題解答

2.1" 第（1）問解析

該儀器的質量為

m總＝m1＋m2＝3 g＋18 g＝21 g＝0.021 kg，故該儀器的重力為

G總＝m總g＝0.021 kg×10 N/kg＝0.21 N。

2.2" 第（2）問解析

該儀器正常工作時處于漂浮狀態(tài)，則所受浮力

F浮＝G總＝0.21 N。

【解法一】

由F浮＝ρ水gV排，得V排＝F浮ρ水g＝0.21 N1.0×103 kg/m3×10 N/kg＝2.1×10－5 m3，則該儀器浸入水中的深度為

h浸＝V排S＝2.1×10－5 m31.2×10－4 m2＝0.175 m。

【解法二】

該儀器在水中可以受到的最大浮力為

F?。溅阉甮V排＝1.0×103 kg/m3×10 N/kg×1.2×10－4 m2×0.3 m＝0.36 N，實際該儀器在水中漂浮時受到的浮力為0.21 N，由兩次浮力之比等于浸入深度之比，得

0.36 N0.21 N＝30 cmh浸，即h浸＝17.5 cm。

【解法三】

該儀器漂浮在水中時水對該儀器底部的壓強為

p底＝F向上S＝G總S＝0.21 N1.2×10－4 m2＝1750 Pa，根據(jù)p＝ρ水gh浸，得

h浸＝pρ水g＝1750 Pa1.0×103 kg/m3×10 N/kg＝0.175 m。

故該儀器漂浮在水中受到的浮力為0.21 N，浸入水中的深度為0.175 m。

2.3" 第（3）問解析

【解法一】

p底＝F向上S＝G總S＝0.21 N1.2×10－4 m2＝1750 Pa。

【解法二】

根據(jù)p＝ρ水gh浸＝1.0×103 kg/m3×10 N/kg×0.175 m＝1750 Pa。

2.4" 第（4）問解析

設塑料管重力的力臂為L1，合金塊重力的力臂為L2。

由圖中數(shù)據(jù)，可知L1＝15 cm－d，L2＝d－1 cm，根據(jù)杠桿平衡條件F1L1＝F2L2，得G1L1＝G2L2，即m1gL1＝m2gL2，即m1L1＝m2L2，代入數(shù)據(jù)，有3g×（15 cm－d）＝18g×（d－1 cm），解得d＝3 cm。

2.5" 第（5）問解析

【解法一】

如果浮力作用點恰好與該儀器重心重合，則密度計浸入液體中的深度h＝2d＝2×3 cm＝6 cm。

由于該儀器處于漂浮狀態(tài)，故有F浮＝G總，即ρ液gV排＝m總g，得ρ液＝m總V排＝21g6 cm×1.2 cm2≈2.9 g/cm3。

【解法二】

密度計在水中和在某種液體中，均處于漂浮狀態(tài)，故兩次所受浮力大小相等，則F浮水＝F浮液，即ρ水gV排水＝ρ液gV排液，得ρ液＝ρ水V排水V排液＝ρ水Sh水Sh液＝ρ水h水h液＝1 g/cm3×17.5 cm6 cm≈2.9 g/cm3。

3" 試題評析

該試題以“自制密度計”創(chuàng)設情境，聚焦部分核心概念，融合跨學科概念設置問題，體現(xiàn)了《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）的學業(yè)要求，凸顯核心素養(yǎng)的評價（見圖2）。

3.1" 體現(xiàn)學業(yè)要求

《課程標準》指出：科學課程設置的13個學科核心概念，是所有學生在義務教育階段應該掌握的科學課程的核心內容。通過對學科核心概念的學習，理解物質與能量、結構與功能、系統(tǒng)與模型、穩(wěn)定與變化4個跨學科概念。［1］同時《課程標準》提出了各學段的13個學科核心概念和4個跨學科概念的內容要求和學業(yè)要求。

3.1.1" 聚焦核心概念

該試題聚焦“物質的運動與相互作用”“能的轉化與能量守恒”“技術、工程與社會”“工程設計與物化”4個科學學科核心概念，緊緊圍繞七至九年級學段學業(yè)要求命制。［2］本文整理了試題中各個問題考查的核心、對應的學科核心概念及其對應學科核心概念下的學業(yè)要求，如表1所示。

表1" 各問題及其對應的學科核心概念及學業(yè)要求

問題考查的核心學科核心概念學科核心概念下的學業(yè)要求（部分）

第（1）問根據(jù)塑料管和合金塊的總質量，求總重力物質的運動與相互作用初步認識常見的幾種力

第（2）問根據(jù)物體呈漂浮狀態(tài)，分析受力，并運用阿基米德原理進行簡單的計算，求浸入的深度物質的運動與相互作用解決生活中簡單的力學問題

第（3）問課標不要求根據(jù)p＝ρgh進行計算，而是通過理解浮力和液體壓強的關系，求壓強大小物質的運動與相互作用能用壓強原理解釋阿基米德原理

第（4）問找準杠桿的支點、動力、阻力、動力臂、阻力臂，根據(jù)杠桿平衡條件進行計算，尋找重心能的轉化與能量守恒解決簡單機械的相關問題

第（5）問將物體漂浮時排開液體的質量等效于物體的質量，或根據(jù)兩種液體的密度比與浸入液體深度成反比的關系，可求解該液體的密度物質的運動與相互作用能用等效替代的方法理解阿基米德原理

綜合密度計的原理、制作、使用、分析技術、工程與社會；工程設計與物化能制作把科學原理轉化為技術產品的簡單裝置；對設計方案進行模擬分析和預測

3.1.2" 融合跨學科概念

該試題融合“系統(tǒng)與模型”“穩(wěn)定與變化”兩個跨學科概念進行整體設計。“密度計模型”貫穿試題始終，“杠桿模型”創(chuàng)設出該試題的難點，兩個模型的原理、使用、分析是解決問題的關鍵。當學生獨立分析第（4）問時，圖丙所示就是一個系統(tǒng)。這個系統(tǒng)內杠桿的支點、動力、阻力、動力臂、阻力臂都會影響杠桿的平衡。在分析儀器和液體時，儀器和液體組成的整體就是一個系統(tǒng)。系統(tǒng)內液體的密度、儀器的質量、橫截面積等因素會影響儀器的狀態(tài)。該試題存在“橫向”和“縱向”的穩(wěn)定，例如在尋找重心時，運用了杠桿的水平平衡，這是“橫向”穩(wěn)定；而在測量液體的密度時，運用了儀器在豎直方向上的受力平衡，這是“縱向”穩(wěn)定。該試題在穩(wěn)定中又存在變化，例如將水換成另一種液體時，儀器浸入的深度就會發(fā)生變化。教師應引導學生在穩(wěn)定中找到規(guī)律，如漂浮狀態(tài)下的二力平衡、杠桿平衡；在變化中發(fā)現(xiàn)不變，如在不同的液體中儀器都處于漂浮狀態(tài)，受力相同。

3.2" 凸顯素養(yǎng)評價

《課程標準》提出，科學課程要培養(yǎng)的學生核心素養(yǎng)包括科學觀念、科學思維、探究實踐、態(tài)度責任等方面。［3］同時，《課程標準》在學業(yè)水平考試命題原則中又提出了強化育人導向，注重考試命題的素養(yǎng)立意，全面考查學生的科學觀念、科學思維、探究實踐和態(tài)度責任。［4］

3.2.1" 重視科學觀念的評價

科學觀念是在理解科學概念、規(guī)律、原理的基礎上形成的對客觀事物的總體認識。［5］科學觀念既包括對科學本質的認識，如概念、規(guī)律、原理的理解；也包括科學、技術與工程領域的一些具體觀念，如物質觀、能量觀、變化觀；還包括解釋自然現(xiàn)象、解決實際問題的意識與能力。該試題涉及的科學概念有質量、重力、重心、力的作用點、杠桿、密度等；科學規(guī)律有杠桿平衡條件；科學原理有浮力的成因、密度計的測量原理、阿基米德原理。因此，該試題極其重視對學生科學概念、規(guī)律、原理理解的評價。［6］

通過教師閱卷后的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，有同學在第（1）問中混淆了質量和重力的概念，對根據(jù)物體質量計算重力的方法掌握不清晰，未達到學業(yè)水平考試中的“初步認識常見的幾種力”的要求。有同學在第（5）問中沒有理清題中給出的重心和浮力作用點的關系，無法準確地求得儀器浸入液體的深度，錯失解決問題的關鍵點。有同學在第（4）問中難以找準動力臂和阻力臂，產生錯解。［7］有同學在第（2）、（3）問中，對密度計的測量原理、阿基米德原理的理解不深刻，對浮力的成因認識模糊，造成錯解。

學業(yè)水平考試中要求的“用等效替代的方法理解阿基米德原理”在第（5）問體現(xiàn)得尤為清晰，對學生來說具有一定的難度。該試題也重視平衡觀和變化觀的應用，如根據(jù)漂浮狀態(tài)，運用平衡觀得出此時浮力與重力的大小相等，運用平衡法尋找儀器的重心；儀器在水中和某種液體中都處于漂浮狀態(tài)，液體密度變化，儀器所受浮力不變，但浸入液體的深度變化，需用平衡觀和變化觀找到解題的路徑。該試題還重視評價學生運用科學觀念解決實際問題的能力，從常規(guī)的考查密度計的應用轉向考查密度計與杠桿的結合，另辟蹊徑，增強對學生科學觀念素養(yǎng)的培養(yǎng)。

3.2.2" 注重科學思維的評價

科學思維是從科學的視角對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律及相互關系的認識方式，主要包括模型建構、推理論證、創(chuàng)新思維等。［8］該試題評價了學生對密度計模型原理的理解和應用，以及描述整個測量系統(tǒng)的結構、關系和變化過程的認識程度；評價了杠桿模型的分析能力；評價了由重心推理得到V排的能力；以及從不同角度分析、解決問題的創(chuàng)新思維能力。

有同學在第（2）問中先計算塑料管的體積，由此數(shù)據(jù)直接計算塑料管在水中產生的最大浮力，將此作為儀器漂浮在水中受到的浮力。這種思路顯然是錯誤的，反映出部分同學對密度計模型原理認識的不足，模型建構不達標。在第（2）問求儀器浸入水中的深度時，有同學無法根據(jù)F浮計算出V排，進而求得h浸，反映出他們對密度計和液體整個系統(tǒng)內部F浮、ρ液、V排、h浸、S之間的關系不清晰，邏輯思維欠缺。

對于第（4）問中的杠桿系統(tǒng)，有同學對該系統(tǒng)內杠桿的五個要素O、F1、F2、L1、L2分析時出現(xiàn)錯誤，陷入解題誤區(qū)，顯示出對杠桿本質屬性認識的不足。第（5）問中求解V排是學生思維的主要障礙點，反映出由第（4）問結合第（5）問試題中給出的重心和浮力作用點重合，推理得到h浸、V排的能力不足。

該試題還為學生創(chuàng)新思維的呈現(xiàn)提供了很好的平臺，如試題解答中第（5）問的解法二具有一定的創(chuàng)新性，因該儀器在水和另一種液體中均漂浮，則兩次所受的浮力的大小相等，液體密度與浸入液體的深度成反比。我們突破思維定勢，快速求解。再如第（2）問的解法二，由物體浸沒之前浸入液體越深浮力越大可知，在該情境下儀器所受浮力與浸入的深度成正比。此解法也展現(xiàn)了學生從不同的角度解決同一問題的創(chuàng)新思維能力。

3.2.3" 關注探究實踐的引導

探究實踐主要是指在了解和探索自然、獲得科學知識、解決科學問題，以及技術與工程實踐過程中，形成的科學探究能力、技術與工程實踐能力和自主學習能力。［9］試題的命制情境是密度計的制作與使用，題中詳細地介紹了材料的選擇、參數(shù)以及制作過程，圍繞密度計自身及基本使用方法，編制了前三個較為常規(guī)的問題。在第（4）、（5）問中，該試題融合了新的探究實踐情境。例如，第（4）問中試題介紹了如何利用懸掛法尋找質量不均勻杠桿的重心，設計了根據(jù)杠桿受力平衡進行分析、計算的問題。該試題的難點不在于計算，而在于尋找重心，找準動力臂和阻力臂。第（5）問說明了當儀器的浮力作用點位于重心及以下時，儀器將會在液體中傾倒，難以測量，明確了密度計可以使用的限制條件，體現(xiàn)了在真實情境中命制試題。因此，試題的整體探究實踐情境是多項目的融合，引導師生在探究實踐中解決真實的情境問題。

3.2.4" 促使態(tài)度責任的形成

態(tài)度責任是在認識科學本質及規(guī)律，理解科學、技術、社會、環(huán)境之間關系的基礎上，逐漸形成的科學態(tài)度與社會責任。［10］試題根據(jù)物體浮沉條件的應用——密度計的制作、使用、分析展開，抓住科學的本質，遵循科學的規(guī)律，激發(fā)了學生的好奇心和探究的熱情。第（5）問給出了該儀器使用的限制條件，體現(xiàn)了實事求是的科學態(tài)度。問題的難度層層遞進，有利于培養(yǎng)學生善于思考的科學態(tài)度。

4" 教學啟示

科學教學目前較為提倡大單元的統(tǒng)領，圍繞大單元設計教學目標，實現(xiàn)目標進階，圍繞大單元設計教學活動，組織大單元的整體評價。我們從該試題的研究中發(fā)現(xiàn)，在教學中，特別是在復習教學或實踐活動中，教師也要注重學科核心概念的整體教學。《課程標準》提出的13個學科核心概念，每個核心概念下的教學內容都不是只以一個單元的形式呈現(xiàn)的。［11］教師應研究學科核心概念下的內容要求和學業(yè)要求，注重核心概念下多內容的結合，并關注融合跨學科概念進行教學，提升學生解決綜合性問題的能力。

科學教學目前也較為推崇項目化教學和在真實情境中解決問題。但還廣泛存在以下現(xiàn)象：有豐富的項目化制作，沒有問題或缺乏有思維含量的科學問題；情境教學中情境不真實、單一、沒有價值，情境的深化與遷移不夠，難以生成有深度的科學問題。情境是教學和提升學生素養(yǎng)的載體，教學要善于創(chuàng)設有價值的情境，生成有意義的問題，才能更大程度提升學生的素養(yǎng)。

參考文獻

［1］［2］［3］［4］［5］［8］［9］［10］［11］中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學出版社，2022：16-19，34-104，4，123，4，4-5，5，5，17-19.

［6］倪紅飛.注重能力考查" 凸顯核心素養(yǎng)——2018年蘇州市初中畢業(yè)升學考試試卷評析［J］.物理教師，2019，40（4）：53-55．

［7］張麗萍，石巖.聚焦圖象模型認知" 進階科學思維實操——核心素養(yǎng)導向下2022年高考壓軸題評析與啟示［J］.物理教學，2022，44（11）：66-70．