STEM教育理念的初中物理單元教學設計

季然 楊曉輝 李燊 劉瀚文 呂立君

摘 要：知識經(jīng)濟時代人才競爭異常激烈，一種創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的STEM教育理念備受關注。STEM教育是運用跨學科整合的方式來解決現(xiàn)實問題，注重知識的遷移與融合，為單元教學提供機會。文章分析了STEM教育與單元教學的關系，以學科整合為背景運用單元教學的方法融入STEM教育理念，最后以“浮力”為例進行單元教學設計進行STEM教育的嘗試。

關鍵詞：STEM教育;初中物理;單元教學;浮力

中圖分類號：G642? 文獻標識碼：A? 文章編號：1673-260X（2022）03-0098-05

知識經(jīng)濟時代人才競爭異常激烈，一種創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的STEM教育理念備受關注。STEM是Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學）四門學科的英文首字母的縮寫。STEM教育理念是通過多學科知識融合提高學生解決實際問題的能力[1]。單元教學從核心內(nèi)容或核心問題出發(fā)，將零碎的知識結構化，利用結構化的知識解決問題。通過單元教學知識的結構化，教學內(nèi)容的情境化，教學方法的多樣化，讓學生在解決生產(chǎn)生活中復雜問題時，知識不再分裂，方法不再單一。單元教學需要跨學科知識融合，需要創(chuàng)設真實的情境問題，因此STEM教育理念的初中物理單元教學成為可能。

1 STEM教育與單元教學的關系

STEM教育雖然是以科學、技術、工程、數(shù)學的英文首字母來命名，但并不是這四門學科簡單的疊加。它強調將不同學科零散的知識通過跨學科的整合融合成一個有機的整體。STEM教育具有跨學科性、情境性、體驗性，設計性的特點[2]。單元教學追求知識的結構化，在學科知識的基礎上，利用跨學科思維來解決實際問題，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。

1.1 明確目標激發(fā)單元教學

單元學習前要明確目標，不應該是來自教材上簡單的冰冷的知識目標。首先要對單元教學內(nèi)容進行梳理并與STEM目標對應，分析教學內(nèi)容背后所蘊含的物理方法、跨學科概念、程序性知識與反省類知識等隱性知識[3]。通過單元教學活動設計，將知識與科學素養(yǎng)素貫穿各個環(huán)節(jié)，通過教學實施聚焦于目標的達成。

1.2 促進單元情境教學

在物理的學習過程中無論是建立概念還是探究規(guī)律都離不開情境。STEM教育的發(fā)展是以情境作為載體，單元教學設計需要根據(jù)教學內(nèi)容與生活或生產(chǎn)相結合，創(chuàng)設與教學內(nèi)容相關的問題情境或活動情境，讓學生在體驗式學習和沉浸式學習中，經(jīng)歷科學探究和科學思維的認識方式，使學生除了學會教材中的知識還進一步提升學生的科學素養(yǎng)水平。

1.3 整合跨學科知識，加強單元教學

在解決問題時，僅僅知道一些概念和規(guī)律是不夠的，因為實際問題大多數(shù)是綜合性的，需要在解決問題的過程中調用不同學科的知識與方法。單元教學從知識整合的角度分析，建立不同學科知識間的內(nèi)在聯(lián)系，構建學生自己的知識網(wǎng)絡。教學過程中通過學生之間的合作學習，將不同學科的知識融會貫通。

1.4 持續(xù)評價，完善單元教學

單元教學往往需要一段時間才能完成，有利于持續(xù)性評價。依據(jù)單元教學前設定的目標，可以采用布魯姆的診斷性評價，過程性評價和終結性評價來時刻監(jiān)測與反饋學生的學習情況，方便及時優(yōu)化和改進教學設計，促進教學目標的達成。

2 STEM教育理念的“浮力”單元教學設計

2.1 教學分析與設計思路

浮力選自人教版八年級物理下冊第十章，共三節(jié)內(nèi)容。這部分內(nèi)容是“力”“運動和力”與“壓強”的進一步延伸和綜合運用[4]。“力”的學習讓學生知道力的三要素以及應用力的示意圖描述力。這為學生認識浮力提供了基礎。在“運動和力”學習中，重點學習了二力平衡的狀態(tài)與條件，為學生分析浮沉條件做了知識上的準備。“壓強”的學習是從固體壓強—液體壓強—流體壓強，而浮力的認識也是從液體逐步過渡到氣體，為本單元的學習奠定了堅實的基礎。將該單元的知識體系進行梳理。浮力這一單元主要包括三個部分，包括測量浮力的大小、影響浮力大小的因素、分析浮力產(chǎn)生的原因，其中在尋找影響浮力大小因素的過程中，總結出阿基米德原理與浮沉條件。

科學探究是初中物理新課程的核心理念之一，而本單元中包括兩個重要的探究實驗，分別是探究浮力大小跟哪些因素有關和探究浮力的大小跟排開液體所受重力的關系[5]。對于八年級的學生而言，在學習浮力概念之前，學生在日常生活中已經(jīng)對浮力有豐富的感性認識。并且通過力和壓強的學習，學生已經(jīng)具備一定的科學探究能力。而這兩個探究實驗側重于猜想與假設和設計實驗兩個環(huán)節(jié)。盡管傳統(tǒng)的浮力教學時教師會帶領學生進行實驗，但在設計實驗時常常都是教師主導，學生并未真正經(jīng)歷設計實驗的過程。我們本次的單元教學設計主要以問題為中心并融入STEM教育的工程思想，強化浮力在工程方面的作用和影響，針對探究實驗將采用工程思維的方式讓學生真正的自行設計實驗，并布置開放性的作業(yè)，激發(fā)學生的學習興趣，促進科學探究能力、科學思維能力及問題解決能力的發(fā)展。

2.2 教學目標

教學目標是在正式的物理教學以前，教師對學生學習成果的預期設定。通過教學使得學生在知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度與價值觀所要達到的預期結果。依據(jù)課程標準和教學分析[6]，確定單元教學目標。在知識與技能方面，科學目標為認識浮力，知道浮力的方向和產(chǎn)生的原因;工程目標為知道浮沉條件;數(shù)學目標為學會推導公式計算浮力;在過程與方法方面，科學目標為使用相關器材測量浮力的大小，技術目標為自主進行探究實驗得到浮力的大小與哪些因素有關以及浮力的大小跟排開液體所受中重力的關系，工程目標為使用相關材料自制簡易潛水艇;在情感態(tài)度與價值觀方面，技術目標為體驗團隊合作，勇于表達自己的想法，培養(yǎng)參與探究實驗的興趣，工程目標為體會科學技術對生產(chǎn)和生活的重要性。

2.3 教學設計

此次將浮力單元為三個課時來完成。第一課時為感知浮力，通過創(chuàng)設工程情境—遼寧艦完成浮力的方向與浮力大小的測量的教學內(nèi)容，體現(xiàn)STEM教育的科學、技術、數(shù)學三方面;第二課時為探究浮力實驗，本節(jié)課包括兩個探究實驗，分別是探究浮力大小與哪些因素有關和探究浮力的大小與排開液體所受重力的關系，教學過程中主要采用“以問題為中心”，學生自主設計實驗，體現(xiàn)STEM教育的技術、工程、數(shù)學三方面;第三課時為浮力產(chǎn)生的原因，主要教學內(nèi)容為浮沉條件，讓學生能夠理解潛水艇的工作原理并自制潛水艇，充分體現(xiàn)STEM教育的特點。

第一課時 感知浮力教學設計。

（1）創(chuàng)設工程情境提出問題。

教師活動：展示“遼寧艦”相關資料，了解遼寧艦的基本情況。遼寧艦為什么在水中不會下沉？學生活動：因為水對物體有一個力的作用。

設計意圖：了解遼寧艦增強國家的認同感和榮譽感。回顧受力分析及二力平衡的知識。

（2）運用演示實驗，確定浮力的方向。教師活動：我們就把這個力稱為浮力，生活還有哪些事例能夠證明浮力的存在？浮力的方向是怎么樣？

學生活動：鴨子在水中游泳、游泳圈在水面漂浮等等。

設計意圖：引出學生對浮力方向的錯誤前概念，為建立正確的浮力方向做準備。

教師活動：自制教具進行演示實驗，小球用紅繩固定在玻璃容器底部，向玻璃容器內(nèi)倒入水，直至將小球完全浸沒。觀察小球和紅繩的狀態(tài)。大燒杯傾斜，再一次觀察。浮力方向是怎樣呢？

學生活動：無論玻璃容器是傾斜還是水平放置，紅繩始終在豎直方向被拉直。

設計意圖：演示實驗的現(xiàn)象打破學生錯誤的前概念，增強學生的求知欲，總結出浮力的方向。

（3）自主設計測量浮力的方法。

教師活動：力有方向還有大小。測量力的大小通常用哪個儀器？如何測量出小鐵塊的浮力？

學生活動：先測量出小鐵塊的重力，在將鐵塊放入水中，讀出彈簧測力的示數(shù)。然后相減就是浮力。

教師活動：準備好的實驗器材（彈簧測力計、鐵塊、燒杯、水、鹽水），測量小鐵塊浸沒在水中受浮力的大小。注意觀察小鐵塊浸沒過程中彈簧測力計示數(shù)的變化。

設計意圖：了解實驗原理，利用彈簧測力計，總結出浮力的測量方法稱重法，觀察實驗現(xiàn)象為接下來探究浮力的大小與哪些因素有關做準備。

第二課時 探究浮力實驗教學設計。

實驗1：浮力的大小與哪些因素有關

（1）復習引入，提出猜想與假設。

教師活動：回憶上一節(jié)課所學內(nèi)容，我們發(fā)現(xiàn)當物體慢慢浸沒的過程中，彈簧測力計示數(shù)怎么變化。浮力的大小和哪些因素有關呢。

學生活動：彈簧測力計的示數(shù)越來越小。可能與物體浸沒的深度有關;可能與物體浸在液體中體積有關;可能與液體的密度有關;可能與物體的密度有關。

設計意圖：回顧上一節(jié)課實驗所觀察到現(xiàn)象，引發(fā)學生思考，喚醒學生的求知欲。

（2）設計實驗方案。

教師活動：提供實驗儀器（彈簧測力計、鐵塊、鋁塊、銅塊、燒杯、水、鹽水、煤油、刻度尺）學生自主設計實驗方案。

學生活動：小組討論，發(fā)現(xiàn)浮力與多個因素有關，要采用控制變量法。浮力大小與物體的密度的關系;浮力大小與液體的密度的關系;浮力大小與物體浸入液體的體積的關系;浮力大小與物體浸沒的深度的關系。

設計意圖：學生根據(jù)已有的物理知識和教師提供的實驗器材，在設計過程中感受探究的樂趣。

（3）進行實驗、收集數(shù)據(jù)。

教師活動：提醒學生設計實驗表格，記錄數(shù)據(jù)。

學生活動：選取控制變量法進行實驗，設計實驗表格。

設計意圖：培養(yǎng)學生利用表格收集數(shù)據(jù)的能力。

（3）交流結果。

教師活動：請同學們分析實驗數(shù)據(jù)，交流結果。

學生活動：浮力大小與物體的密度無關;與液體的密度有關;與物體浸入液體體積有關;與物體浸沒深度無關。

設計意圖：此次實驗定性分析浮力大小與哪些因素有關，通過學生自主實驗培養(yǎng)學生的設計實驗方案的能力，分析數(shù)據(jù)得出結論，分享經(jīng)驗，增強合作學習的能力。

實驗2：探究浮力的大小跟排開液體所受重力的關系

（1）利用阿基米德原理的故事，引導學生進行探究學習。

教師活動：引入阿基米德原理的故事，請學生利用浮力的知識幫助阿基米德解決這個難題。

學生活動：學生討論第一種方法將王冠和黃金放入同一種液體中，采用稱重法，計算浮力，若浮力相同就證明工匠的清白。第二種方法王冠和黃金浸沒同一液體中，收集溢出的液體，若溢出的液體的體積一樣，證明工匠的清白。

教師活動：液體的體積容易進行測量嗎？彈簧測力計可以直接測得質量嗎？

學生活動：體積不同意進行測量，但同一種液體，密度相同，彈簧測力計測出的重力就能夠知道液體的質量。修改實驗方案二將王冠和黃金浸沒同一液體中，收集溢出的液體，若溢出的液體的重力一樣，證明工匠的清白。

設計意圖：利用已有的知識，尋找解決問題的方案，不斷修改實驗方案，培養(yǎng)學生科學科學探究的能力。

（2）學生自主實驗。

教師活動：提供實驗所需要的實驗器材：彈簧測力計，鐵塊，細線，溢水杯，小桶、水。如何測量鐵塊浮力？如何收集排開的液體？

學生活動：稱重法測鐵塊的浮力。用小桶收集排開的液體。小組1：彈簧測力計測鐵塊的重力，將溢水杯裝滿水，把物塊放入水中，讀出彈簧測力計的讀數(shù)，用小桶收集溢出的水，測出小桶和排開水的總重力將小桶中水倒出，測空桶重力。多次測量，記錄實驗數(shù)據(jù)。小組2：彈簧測力計測鐵塊的重力，將溢水杯裝滿水，把物塊放入水中，讀出彈簧測力計的讀數(shù)，用小桶收集溢出的水，測出小桶和排開水的總重力，和空桶的重力，多次測量，每次測量前溢水杯中的水填滿。記錄實驗數(shù)據(jù)。

教師活動：分享小組的實驗步驟，與實驗數(shù)據(jù)，分析第1組的錯誤，第2組的實驗數(shù)據(jù)存在實驗誤差，分析實驗誤差。

學生活動：第1組實驗溢水杯每次測量前未填滿水，排開液體減少，導致排開水減少。第2組的實驗數(shù)據(jù)，由于小桶多次使用，內(nèi)壁有水，若忽略實驗誤差，得到浮力的大小等于排開液體所受重力。

教師活動：剛剛討論了物塊全部浸沒時浮力的大小跟排開液體所受重力的關系，如果物體浸入液體有部分浸入得到的結論會和浸沒一樣嗎？

學生活動：進行實驗，填寫表格，無論是部分進入還是全部浸沒，浮力的大小等于被它排開的液體所受的重力。

設計意圖：學生在實驗過程中，培養(yǎng)學生的交流合作能力。通過分析實驗數(shù)據(jù)，尋找誤差原因，減小系統(tǒng)誤差。

教師活動：課后結合本節(jié)課所學內(nèi)容嘗試制作密度計。

設計意圖：通過小制作，不僅鞏固本節(jié)課知識還培養(yǎng)學生的動手能力，提高物理學習的興趣。

第三課時 浮力產(chǎn)生原因教學設計。

（1）演示實驗引入新課。

教師活動：演示手堵瓶口實驗。為什么用手掌堵住瓶口，乒乓球就可以上浮？浮力產(chǎn)生的原因是什么呢？

學生活動：乒乓球受到浮力。

設計意圖：通過趣味小實驗，激發(fā)學生的興趣。

教師活動：乒乓球各個面所受的浮力大小是否一樣呢？自制實驗道具，制作長方體框架，六個面用橡皮膜連接。浸沒在水中，觀察橡皮膜的凹陷程度，并分析原因。

學生活動：下表面的凹陷程度比上表面大。說明下表面所受壓力比上表面大。浮力產(chǎn)生原因是上下表面的壓力差導致的。

教師活動：如果我們已知物體的上下表面的壓力，能否計算出物體所受浮力？

學生活動：F浮=F下表面-F上表面

教師活動：現(xiàn)在有幾種方法計算一個物體的浮力？

學生活動：三種稱重法、阿基米德原理、壓力差法。教師活動：如果一個物體在水中保持靜止狀態(tài)，物體所受浮力是多大呢？進行受力分析。

學生活動：物體在水中只受重力和浮力，因為是靜止狀態(tài)，所以二力平衡，重力與浮力大小相等方向相反。

設計意圖：通過分析浮力產(chǎn)生原因得出計算浮力的新方法，并和學生一起總結浮力計算方法，幫助學生及時地進行知識的整合。

（2）了解潛水艇分析浮沉條件。

教師活動：生活中除了像遼寧艦漂浮在水上，還有海螺可以懸浮在水中，還有一些物體可以沉入水底？這是什么原因？

學生活動：分析水中懸浮的物體，浮力和重力相等。浮力大于重力就會上浮，浮力小于重力就會下沉。

教師活動：能舉出哪些實例處于懸浮狀態(tài)？

學生活動：潛水艇。

教師活動：觀看蛟龍?zhí)栆曨l。潛水艇是怎么做到從漂浮、再下沉、再懸浮、上浮到漂浮這一過程。

學生活動：增大或減小排開液體體積實現(xiàn)。

設計意圖：運用生活中的實例，訓練學生分析問題。

教師活動：雞蛋懸浮鹽水中，如何讓它上浮和下沉？增大與減小浮力的方法？

學生活動：改變浮力的大小。增大浮力：鹽水水中繼續(xù)加鹽;減小浮力：鹽水中加入水、增大或減小排開液體的體積，增大或減小液體的密度。

設計意圖：通過解決實際問題，總結改變浮力方法。

教師活動：課后制作簡易的潛水艇。并繪制出潛水艇從漂浮、再下沉、再懸浮、在上浮到漂浮過程的浮力與深度的關系圖。

設計意圖：學生制作潛水艇，對浮沉條件知識進一步強化，并從圖像的角度復習了浮力的知識。

3 總結

本次研究以初中物理八年級下冊“浮力”單元進行的STEM教育理念的教學設計，旨在為我國STEM教育理念的研究開拓新的視角，并為單元教學的發(fā)生尋找新土壤[7]，培養(yǎng)學生工程思維意識和問題解決能力。在整個的教學設計中教師主要為學生的學習提供支架，創(chuàng)設問題情境，不斷提出問題，引發(fā)學生思考。本設計避免了傳統(tǒng)浮力教學中出現(xiàn)的一次性探究，實驗方案固定無修正，對于輪船、潛水艇等僅了解原理，不涉及工程設計和工程思維等問題，讓學生在真實的問題情境中運用工程思維，整合各學科知識解決問題，促進科學素養(yǎng)的發(fā)展。對于知識的強化也不再采用傳統(tǒng)的習題檢測，而是讓學生運用所學習知識制作密度計和潛水艇，真正進行動手實踐，解決實際問題，提升學生的問題解決能力。融入STEM教育理念的物理單元教學有利于提升學生綜合運用科學原理，技術手段，工程思維，數(shù)學模型來解決實際問題的能力。

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參考文獻：

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〔2〕李慧慧，楊文正，許秋璇.基于STEM的小學科學教學活動設計與應用案例研究[J].中小學電教，2020，14（Z1）：84-87.

〔3〕王美芹，張玉峰，丁慶紅.物理單元教學目標設計與關鍵點突破[J].中學物理，2020，38（09）：12-15.

〔4〕中華人民共和國教育部.普通初中物理課程標準修訂版（2020年版）[M].北京人民教育出版社，2020.

〔5〕朱郁華.初中科學“過程與方法”目標的理解與設計[J].教學與管理，2011，28（22）：56-58.

〔6〕王宣頤，韓思月，尹思佳，等.基于STEM的小學科學課教學設計研究——以“搭高塔”課程為例[J].科教導刊（中旬刊），2020，18（05）：141-142.

〔7〕王宏，劉麗，馬池珠.指向深度學習的STEM教育探究[J].現(xiàn)代教育技術，2020，30（03）：108-113.