STEM情境下的初中科學(xué)課堂的構(gòu)建
——以教學(xué)“水的浮力”為例

（杭州市錢塘新區(qū)義蓬中學(xué)，浙江 杭州 311225）

在科技迅速發(fā)展的今天，STEM 的提出以及應(yīng)用不僅改變了傳統(tǒng)課堂單純講授以及以掌握學(xué)習(xí)目標(biāo)為教學(xué)根本目的的現(xiàn)狀，也對學(xué)生自主、探究等學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)以及學(xué)生綜合素養(yǎng)的形成起著非常重要的作用。所以，在當(dāng)今的初中科學(xué)課程的教學(xué)過程中，教師要做好教材的深入研究，要通過 STEM 情境的創(chuàng)設(shè)以及相對應(yīng)的 STEM 教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計來為學(xué)生的全面發(fā)展做好保障。因此，本文筆者結(jié)合“水的浮力”這節(jié)課的教學(xué)對如何構(gòu)建 STEM 情境下的初中科學(xué)課堂進(jìn)行論述，以確保學(xué)會生在自主、交流、探究以及推理等課堂活動中獲得全面的發(fā)展。

一、什么是 STEM 情境

所謂的STEM是由科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的英語首字母組成，目的就是要將相關(guān)的學(xué)科融合在一起，以此來培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，改變傳統(tǒng)的思維習(xí)慣。而 STEM 情境是指在教學(xué)的過程中，教師要通過 STEM 情境的創(chuàng)設(shè)來引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入到一定的場景當(dāng)中，通過問題的思考探究以及相關(guān)活動的組織來為學(xué)生綜合素養(yǎng)的全面提升做好保障工作。

二、STEM 情境在“水的浮力”教學(xué)中的應(yīng)用

1.應(yīng)用情境一

在明確了 STEM 情境的應(yīng)用原則之后，我們就要結(jié)合課堂所教授的內(nèi)容來進(jìn)行落實和應(yīng)用。本文以“水的浮力”這節(jié)課的教學(xué)為例進(jìn)行論述。

明確本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，即要讓學(xué)生“探究影響浮力大小的因素”，簡單地說，就是要讓學(xué)生在實驗操作中掌握這一部分內(nèi)容。所以，我們將 STEM 教育目標(biāo)設(shè)定為提高學(xué)生的動手操作能力、問題探究能力以及合作交流能力等綜合能力，同時，還要確保學(xué)生在參與課堂活動中形成STEM 綜合素養(yǎng)。具體的課程開展過程如下。

首先，組織學(xué)生結(jié)合教材內(nèi)容先回答下面幾個問題。

（1）大膽猜測哪些因素能夠影響物體的浮力大?。繃L試進(jìn)行解釋。

（2）探究影響浮力大小的因素這一實驗中都需要用到哪些實驗用品？

（3）為什么人在死海中能夠浮起來？

（4）大輪船的浮力大還是小輪船的浮力大？

實驗之前我們可以先組織學(xué)生在小組內(nèi)針對這四個問題進(jìn)行討論，鼓勵學(xué)生從浮力的概念以及相關(guān)的知識入手來進(jìn)行猜測，目的就是要通過這一問題交流和獨(dú)立思考的過程來培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，繼而，為學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)以及科學(xué)素養(yǎng)的提升打好基礎(chǔ)。

接著，給學(xué)生布置一項工程，也就是要讓學(xué)生完成一個工程項目，其實在水的浮力這一內(nèi)容的教學(xué)中就是要組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行實驗，通過實驗裝置連接以及相關(guān)的分析來達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)以及技術(shù)素養(yǎng)的目的。因此，在“探究影響浮力大小的因素”這一實驗中，我組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行工程項目的設(shè)計。如：項目的名稱、項目的目的、項目完成需要的保障條件、項目開展的步驟、項目的評價等等。所以，在具體的教學(xué)過程中，我先組織學(xué)生結(jié)合教材內(nèi)容準(zhǔn)備實驗用品，并簡要本次實驗的思路以及步驟。

之后，組織學(xué)生按照實驗的步驟進(jìn)行操作，借助所準(zhǔn)備的實驗用品進(jìn)行操作。

（1）通過借助彈簧測力計測出木塊的重力；

（2）將木塊的一部分放在水里，并借助彈簧測力計記錄示數(shù)；

（3）通過改變木塊在水里的深度，即：將木塊淹沒在水里，并記錄下彈簧測力計的示數(shù)；

（4）通過將木塊淹沒在濃鹽水里，記錄彈簧測力計的示數(shù)；

學(xué)生結(jié)合教材內(nèi)容自主對這一項目進(jìn)行操作，并思考下面幾個問題：

（1）為什么要設(shè)立這四個實驗？每一個實驗的目的是什么？

（2）為什么要借助控制變量法來進(jìn)行該實驗？能夠說明什么？

（3）步驟二和步驟三之間的比較能夠說明什么？

（4）步驟三和步驟四之間又能說明什么？

鼓勵學(xué)生大膽地進(jìn)行猜測，并說出自己的觀點(diǎn)和看法，同時自主對不同步驟中木塊的受力情況進(jìn)行分析，以確保學(xué)生在自主完成這一項目中形成基本的實驗技術(shù)素養(yǎng)以及實驗完成項目的工程素養(yǎng)。而且，學(xué)生在自己搭建裝置、自主實驗操作中對科學(xué)這門課學(xué)習(xí)的態(tài)度也會逐漸變得積極一些，進(jìn)而，為學(xué)生課堂參與度的提高也有密切的聯(lián)系。

最后，組織學(xué)生對四組實驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較，并得出本次實驗的結(jié)論，即：浸在液體中的物體，所受浮力的大小與其排開液體的體積和液體的密度有關(guān)系，之后，通過對液體中物體受力情況的分析以及數(shù)據(jù)的推理，我們可以得出 F 浮=G排液，這也是我們通常所說的阿基米德原理。

綜上整個過程可以看出，我們先組織學(xué)生對相關(guān)的問題進(jìn)行思考和探究，目的就是要通過對問題的解決來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，使學(xué)生在探究中樹立起創(chuàng)新意識。之后，組織學(xué)生以小組為單位獨(dú)立設(shè)計實驗、操作實驗、分析實驗，這樣的過程其實就是培養(yǎng)學(xué)生實驗?zāi)芰图夹g(shù)操作能力的過程，也是學(xué)生完成工程項目的過程，簡單地說就是，學(xué)生就像一個工程師一樣去思考問題，對小組成員進(jìn)行合理分工，對各種實驗工具進(jìn)行合理利用等，并對實驗的結(jié)果進(jìn)行猜想和預(yù)判，最后，通過數(shù)據(jù)的測量、分析、計算等都是利用數(shù)學(xué)進(jìn)一步解釋現(xiàn)象?？梢?，整個過程中學(xué)生不僅是這堂課的主人，而且，還在參與活動、設(shè)計實驗、操作實驗、處理實驗數(shù)據(jù)、得出實驗結(jié)論的過程中形成基本的 STEM 綜合素養(yǎng)，最終，也為學(xué)生的各方面能力的鍛煉和提高做好保障。

2.應(yīng)用情境二

在以往的初中科學(xué)課堂實驗中，一般都是教師主導(dǎo)課堂，學(xué)生為教學(xué)的輔助者，教學(xué)過程通常為教師演示實驗、學(xué)生觀看、教師提問和學(xué)生回答的模式，中間存在大量填鴨式教學(xué)內(nèi)容，師生、生生之間的互動性較低，不利于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展。基于 STEM 情境下，教師要通過創(chuàng)設(shè)豐富的實驗自學(xué)、互學(xué)和展學(xué)活動，激發(fā)學(xué)生的合作探究精神，讓他們積極地融入思考中。“水的浮力”這節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)為指導(dǎo)學(xué)生初步學(xué)會做水的浮力的實驗，能夠通過實驗現(xiàn)象來探究水的浮力，教學(xué)難點(diǎn)則是指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識沉到水底的物體也會受到水的浮力作用。在創(chuàng)設(shè)STEM 教學(xué)情境中，我們利用了另外一種方法。

教師準(zhǔn)備好實驗教具，包括水槽、彈簧秤、乒乓球、薄膜塑料塊以及多媒體資料等；為了體現(xiàn)學(xué)生的主體性，為他們準(zhǔn)備了學(xué)具水槽、彈簧秤、玩具潛水艇、鐵塊、小石塊等。教學(xué)導(dǎo)入中，先讓學(xué)生觀看我國潛水艇海上執(zhí)行任務(wù)的過程，將沉浮錄像片段展示給學(xué)生，然后提出問題：“潛水艇為什么能夠靈活沉入和浮出水面？”給予他們幾分鐘的時間，同桌或者前后桌之間展開討論，我發(fā)現(xiàn)學(xué)生的答案是千奇古怪的，有的認(rèn)為是“潛水艇的質(zhì)量很輕，容易浮在水面上，在下沉是的時候是通過某種力壓迫它下沉”，也有的學(xué)生認(rèn)為是“潛水艇中間是空的，就像船一樣漂浮在水上，在下沉的時候自動用水充滿空殼”，通過學(xué)生的回答，我明確了他們對浮力有基本的認(rèn)識，但停留在表面上，由此制定下一步的教學(xué)目標(biāo)。

根據(jù)學(xué)生實驗探究的學(xué)情和對浮力的認(rèn)識，設(shè)計了相關(guān)的浮力實驗。

在課堂上，教師首先將小石塊和乒乓球等放在水中，讓學(xué)生觀察實驗，然后讓學(xué)生自己結(jié)合學(xué)具演示重的物體和輕的物體在水中有什么不同，最后讓學(xué)生將手中的乒乓球往下按，試一試有什么感覺？乒乓球能夠漂浮在水面上，說明它受到了一種什么樣的力？讓學(xué)生之間再次討論，最后師生一塊得出結(jié)論：物體處在水中時，會受到一種向上托起的力，這就是浮力。

很多學(xué)生認(rèn)為沉到水底的物體不會受到浮力的作用，為此提出問題并設(shè)計實驗。

（1）浮在水面上的物體會受到浮力作用，沉到水底的物體會不會受到浮力作用？

（2）物體在水中或者空氣中時，受到的力有什么不一樣內(nèi)？

教師指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計實驗：讓學(xué)生用彈簧秤勾住石塊，分別將其放在水中和空氣中，觀察彈簧秤的讀數(shù)有什么不同，放在水中不同位置，彈簧秤讀數(shù)是否也會發(fā)生變化。最后讓學(xué)生匯報實驗結(jié)果并提出問題：“小石塊在水中的讀數(shù)為什么會變小？是浮力的作用結(jié)果么？”將學(xué)生分組，合作探究得出答案，這個時候教師暫不指導(dǎo)。

為了更深入地讓學(xué)生知道浮力的存在，再次提出問題并設(shè)計實驗：“用什么樣的方法可以讓小石塊在水中和空氣中的讀數(shù)一致呢？”，學(xué)生通過合作探究，得出：“可以用手輕輕地在空氣中上托石塊”。學(xué)生匯報完成后出示 PPT 內(nèi)容，繼續(xù)提問：“小石塊在水中時，我們并沒有用手托住石塊，為什么彈簧秤的讀數(shù)也變小了呢？這個現(xiàn)象說明了什么？”，通過這一系列讓學(xué)生直觀感受浮力的實驗設(shè)計，最后學(xué)生徹底明白了沉在水中的物體也會受到浮力的作用。

雖然學(xué)生對浮力的概念、特點(diǎn)有了初步的認(rèn)識，但是很多學(xué)生并不清楚浮力到底與什么有關(guān)，為此設(shè)計了如下的教學(xué)過程。

（1）前面的實驗，我們都清楚了在水中的物體都會受到浮力的作用，但是為什么有的會漂在水面上，有的會沉到水底呢？

（2）影響浮力大小的因素有哪些呢？

針對學(xué)生的疑惑，教師結(jié)合 PPT 中潛水艇的例子，做出總結(jié)：物體的重力大于浮力時就會往下沉，反之則會向上浮起，結(jié)合浮力的影響因素，向?qū)W生進(jìn)行關(guān)于游泳知識的講解，提高其安全意識。關(guān)于浮力的素材來源于生活，最終也要服務(wù)于實踐中，在教學(xué)的最后，教師展示浮力在生活中的一些應(yīng)用情境。

①組織學(xué)生利用多媒體觀看浮力的一些影像，比如浮橋、戰(zhàn)車、輪船和救生圈等。

②讓學(xué)生分組進(jìn)行玩具潛水艇的探究實驗，提高他們對科學(xué)的興趣，激發(fā)個性。

③讓學(xué)生根據(jù)自己的經(jīng)驗，舉例說出生活中有關(guān)浮力的例子，并介紹浮力是有用的還是有害的。

在課堂的最后階段，為了檢查學(xué)生的知識運(yùn)用能力，讓學(xué)生自己設(shè)計鋁片的形狀，自由地改變大小，要求一塊可以浮在水面上，一塊則沉入到水底，提高他們對浮力應(yīng)用的深入認(rèn)識，發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)。

在“水的浮力”STEM 情境教學(xué)片段二中，教師與學(xué)生的角色發(fā)生了一些變化，整個教學(xué)都圍繞學(xué)生的興趣愛好和學(xué)情展開，讓他們通過合作探究的方式設(shè)計有關(guān)浮力的實驗，不僅提高了其動手科學(xué)能力，更重要的是提高了其學(xué)習(xí)興趣，豐富了實驗探究過程。此外，在教學(xué)評價中，教師也要適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)變評價機(jī)制，摒棄“唯成績論”的思想，通過不斷地觀察學(xué)生的課堂表現(xiàn)，激發(fā)他們的情感和個性，要從科學(xué)探究能力、小組協(xié)作能力、實驗設(shè)計過程、辯證思維等方面給予學(xué)生評價，讓他們發(fā)現(xiàn)自己在學(xué)習(xí)中存在的優(yōu)勢和不足，從而做到揚(yáng)長避短，提高科學(xué)探究的能動性。

三、STEM 情境在應(yīng)用中需要注意的問題

STEM 情境的應(yīng)用不僅能夠鍛煉學(xué)生的問題解決能力和合作交流能力，而且，對學(xué)生科學(xué)探究意識的培養(yǎng)以及 STEM 素養(yǎng)的提升都起著非常重要的作用。但是，在實際的應(yīng)用落實當(dāng)中還是存在一些問題需要我們注意，具體如下。

第一，學(xué)生主動性不夠。也就是說，在 STEM 情境的創(chuàng)設(shè)中教師雖然設(shè)置問題，創(chuàng)設(shè)了情境，而且，STEM 每項都涉及的比較明確，但真正讓學(xué)生參與的時間很短，尤其是在問題的思考和交流中，很多教師為了節(jié)省時間根本沒有給學(xué)生留出時間進(jìn)行思考，導(dǎo)致一些問題情境的價值根本沒有發(fā)揮其作用，也不利于學(xué)生 STEM 綜合素養(yǎng)的提升。

第二，教師對 STEM 的理解不到位，尤其是 T 和 E，也就是技術(shù)和工程，簡單地說就是，一些教師將工程理解為“建筑工程類”，很難將工程素養(yǎng)與科學(xué)課程中的物理知識、化學(xué)知識或者是生物知識結(jié)合在一起，導(dǎo)致 STEM 情境的創(chuàng)設(shè)價值得不到最大化實現(xiàn)，學(xué)生的綜合素養(yǎng)也得不到有效的提升。

當(dāng)然，除了上述兩個問題之外，還包括教師對教材內(nèi)容的挖掘問題以及教師專業(yè)素養(yǎng)的問題等，這些都在不同程度上影響著 STEM 模式應(yīng)用價值的實現(xiàn)，也不利于學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的全面提升。所以，在日后的實踐應(yīng)用中，教師要做好研究，通過各種問題的改進(jìn)以及完善來確保學(xué)生在 STEM 情境下的科學(xué)課堂中獲得全面發(fā)展。

四、結(jié)語

STEM 情境下的初中科學(xué)課堂應(yīng)該是有助于課改基本理念落實的，也應(yīng)該是有助于學(xué)生 STEM 綜合素養(yǎng)的提升的。所以，新時期的科學(xué)教師要借助這一模式的應(yīng)用來打破傳統(tǒng)，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，繼而，使學(xué)生在合作、探究、動手操作以及獨(dú)立思考的過程中養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，同時，也確保課程改革在一步步實現(xiàn)的過程中學(xué)生的綜合能力也得到鍛煉和培養(yǎng)。