探究、整合、實踐：基于STEM教育的初中物理概念教學探索

肖 晨

（蘇州工業園區金雞湖學校，江蘇 蘇州 215021）

本文以蘇科版8年級物理“力 彈力”教學片段為例，闡述STEM教育理念下“探究、整合、實踐”的初中物理概念教學設計，以期為初中物理概念教學的實踐探索有所啟示，供一線教師參考與借鑒.

1 同質性情境創設，進階建構物理概念

列舉學生熟悉的生活現象，如運動員舉杠鈴和狗拉雪橇，引導學生根據現象分析得出運動員通過舉的動作對杠鈴產生力，狗通過拉的動作對雪橇產生力.為避免學生對力的認識存在局限性，教師提出問題：有人認為，力是由于肌肉緊張引起的，只有人和動物才能產生力的作用，對嗎？你能否舉例說明……

圖1-4均取材于教材內容，基于學生的已有經驗以及對教材內容的分析，筆者將其分成兩組，進一步分析圖3中鏟車通過舉的動作對重物產生力，圖4中火車頭通過拉的動作對車廂產生力.學生逐步領悟不僅人和動物能產生如拉、舉等力的作用，鏟車火車頭等物體也能對其他物體產生如拉、舉等作用.創設同質性的問題情境，破除已有的迷思概念，初步建立“力”的概念.

圖1 運動員舉杠鈴

圖2 狗拉雪橇

圖3 鏟車舉重物

圖4 火車頭拉車廂

問題1：“一個巴掌拍不響”“孤掌難鳴”說明產生力的作用時，一定有幾個物體同時存在？

問題2：對于手拍桌子而言，誰是施力物體？誰是受力物體？

問題3：之前列舉的力，兩個物體都是直接接觸的.不直接接觸的物體之間能否產生力？請舉例說明.

為了深化學生對“力”的概念的理解，以問題鏈驅動學生歸納總結“力”的本質特征，區分受力物體與施力物體，學生以討論的形式辨識不直接接觸的物體是否產生力，明確其概念的外延，進階建構“力”的概念.

2 精細化活動體驗，深度探究物理規律

精細化的活動設計能夠讓學生重視科學探究過程中的細節，解讀環節設計的依據，探尋物理規律的特征.筆者設計4個體驗活動引領學生觀察物理現象、感悟概念特點、探究物理規律、遷移規律應用等，采用定性觀察與定量分析相結合的方式，由淺至深、由表及里深度探究物理規律，為彈簧測力計的作品制作做好知識儲備.

活動1：借助生活中隨手取材的實驗器材，要求學生用手對氣球、握力圈、橡皮泥、彈簧、直尺施加力，如圖5.觀察這些物體受到力時，發生了怎樣的變化？

圖5 實驗器材

活動2：再次壓握力圈，增大對握力圈施加的外力.

活動3：探究彈簧伸長的長度與外力的關系.

活動4：用圖6實驗裝置測量物體（兩只雞蛋、蘋果等）對它的拉力.

圖6 實驗裝置

活動1讓學生感受物體受到力的作用時，物體的形狀發生了變化，領會到力的作用效果是使物體發生形變.教師追問學生撤去外力后，物體發生的變化一樣嗎？能否繼續對這些發生形變的物體進行分類？以直觀的現象和切身的感受幫助學生了解彈性形變與塑性形變.教師提問學生：在壓氣球、拉彈簧、壓握力圈、壓塑料尺時，增大對物體施加的外力，物體彈性形變的大小有什么變化？基于活動體驗定性認識物體形變程度與所受外力的關系，為探尋彈簧伸長的長度與外力的關系做好鋪墊.

活動2中要求學生用力壓握力圈時，分享手有什么感覺.同時歸納一下彈力定義.學生小組活動后討論用力壓握力時會產生兩個彈力，手對握力圈的彈力是由手發生彈性形變產生的，而握力圈對手的彈力是由握力圈發生彈性形變產生的，均是施力物體發生彈性形變后，力圖恢復其原來的形狀，而對另一個物體產生的力.該活動的設計精準指出學生認識上存在的疑惑，幫助學生把握彈力的概念，也是彈力概念理解上的難點.

活動3引導學生使用實驗器材，包括鐵架臺、彈簧、米尺、鉤碼（50g）探究彈簧伸長的長度與外力的關系，如圖6.由于鉤碼重力一定，為了實驗現象更加明顯，選取彈簧的勁度系數為25N/m.學生判斷彈簧長度與伸長量的不同之處，經歷猜想與假設、制定實驗方案、收集實驗數據等科學探究過程，定量分析彈簧伸長量與所受外力的大小關系，得出實驗結論.

活動4要求學生測量常見的雞蛋、蘋果的對彈簧的拉力，既是對實驗結論的遷移應用，解決生活中的實際問題，學生思考如何測量力的大小，體會彈簧測力計裝置的雛形，也為下一節物體重力的測量做好學習準備，為學生的認知過程搭建臺階.

3 跨學科知識整合，實踐應用作品制作

通過對力、彈力以及物體彈性形變與外力的關系等核心內容的整合，學生綜合應用跨學科知識開展作品制作，并不斷完善作品的質量，培養學生精益求精的科學品質.突出知識的內在聯系，鼓勵學生綜合運用相關知識，訓練方法與技能，創造性地解決實驗器材制作任務.具體任務分解包括引出問題、建構模型、制作模型、模型改建等，如圖7.創設的情境要能夠進行器材制作，并能應用相關學科知識開展器材制作.學生以小組為單位，進行器材模型問題研究并收集相關問題的解決技術和數據，建構初步模型，嘗試制作器材毛胚，制作模型.學生利用新建構的概念解決新問題，學生小組交流改進，形成器材的成品.

圖7 作品制作任務分解

教師要求學生討論分析圖6所用裝置測量力的大小時存在的不足.教師演示將裝置中鉤子下移，外面套上透明塑料管，并把彈簧上端固定.如果標上刻度，裝置就可隨意移動，更加方便攜帶使用，如圖8.

圖8 改進后的實驗裝置

教師補充器材：透明塑料管、黑色簽字筆等.要求學生小組合作自制彈簧測力計，并制定使用說明書.學生在制作改進過程中需要選取合適的彈性材料，首先要滿足其伸長量與所受外力成正比，其次還要考慮其彈性限度范圍等.對透明塑料管的選取需要考慮透明度、密度等因素，標注刻度時要關注相關數學知識，作品制作過程中要求學生以物理學科知識為主，適當整合數學、材料學、化學等學科內容，在匯報作品設計與功能時，分享交流制作過程的心得體會，感悟知識間相互貫穿，敢于提出衍生的問題，如怎樣提升彈簧測力計的精確度等問題等，培養學生的批判性思維.

4 基于STEM教育的初中物理概念教學的思考

一是關注概念建構的探究過程.精細化的科學探究過程能夠引導學生深入理解物理概念建構的過程，顯化科學方法的正確應用，才能對物理知識體系有高階認識，提煉知識與技能的精華.教師需要重視教材資源的二次開發，洞悉教材內容的編排意圖，以多樣化的情境設計，采用問題鏈的形式，精心設計問題驅動學生完成探究任務，真正意義上理解基本概念、原理、規律等構成的物理知識體系.

二是關注用以致學的內容整合.素養導向的教學過程要求學生在運用知識過程中實現知識與素養的互動、轉化與共生，使得知識內容的整合具有明確的目標導向，體現物理知識的實用性.在問題解決過程中整合知識內容，能夠賦予知識以情境化、實踐性的特征，消除學生獲取知識的“惰性”不足，將物理知識根植于學生的實踐過程，真正發展學生的核心素養.

三是關注跨學科實踐的作品制作.結合學生的認知特點，依托跨學科實踐進行作品制作，完成形式多樣的活動任務，利用表現性評價全方位評估學生的參與過程，提升學生的高階能力.跨學科實踐的作品制作是生產生活中實際問題解決的真實縮影，具有綜合性、開放性、探究性等，要求學生靈活遷移知識與方法應用于相關物理問題的解決，進而實現工程設計中問題解決方案的開發與優化，實踐作品的制作與優化.