STEM教育與初中物理實踐活動的融合教學
——以學生制作“彈簧測力計”為例

唐揚英

(淮南市龍湖中學 安徽淮南 232000)

引言

STEM教育起源于20世紀90年代的美國，目前已普遍應用在全世界的中小學教育中。STEM是科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)和數學(Mathematics)四門學科的英文首字母縮寫，它不是四科的簡單疊加，而是著力于將科學、技術、工程與數學教育進行深度融合，形成有機的整體。它注重通過真實情景下的問題探究，以問題為導向，進行知識的重建和整合，以達到思維的拓展和綜合能力的提升，實現創新型人才和技能型人才的培養。2017年我國教育科學院發布了《中國STEM教育白皮書》，提出：STEM教育包括了STEM學科課程和綜合課程，讓我們的學生從小接受STEM課程教育，是為了建立其系統的知識結構，讓其掌握科學的思維方法，培養其良好的思維習慣，在學習過程中，更加注重學生運用所學知識創造性解決問題的能力培養。2018年5月，我國教育科學院再次推出了《中國STEM教育2029創新行動計劃》，這標志著我國從基礎教育層面落實培養面向未來的科技創新型人才計劃已經開始全面正式實施。它提倡STEM教育應該惠及全體學生，以便能夠對未來人才的創新思維和科學探究能力進行有效的培養。

《義務教育物理課程標準》在課程性質中指出：作為科學教育的組成部分，作為自然科學的基礎課程，義務教育階段的物理課程的目標是提高全體學生的科學素養。在這一階段，物理課程不僅應該注重傳授科學知識和訓練基本技能，而且更應該注重培養學生的學習興趣、探究能力和創新意識以及科學態度、科學精神等。而這些都與STEM教育理念不謀而合。

下面筆者以具體的課例——制作彈簧測力計，從實踐的角度闡述怎樣在物理教學中融入STEM教育，通過讓學生運用所學知識解決實際問題的方式，提升學生創造性解決問題的能力。

一、教材分析

本課題參考的是滬粵版物理教材八年級下冊第六章第二節的課外活動：探究彈簧測力計的原理；制作彈簧測力計。課題設計將橡皮筋換成彈簧，是考慮到實驗結果的知識應用拓展，培養學生的工程素養，也是考慮到橡皮筋的彈性限度較小。教材內容如圖1所示：

二、設計思路

為了既體現課程標準的基本理念又能與STEM教育理念有效融合，圍繞本課題的內容，筆者以學生為本，制定了如下具有針對性的具體的教學目標。

S(科學)：理解胡克定律，知道物體重力與質量的關系。

T(技術)：能夠通過實踐活動掌握制作彈簧測力計的工藝。

E(工程)：能夠設計方案——怎樣利用彈簧和其他材料和工具做成一個測力計，并利用自制測力計測量物體的重力。

M(數學)：能夠確定并控制變量，得出彈性限度內彈簧長度的變化量與受力大小成正比的規律，利用物體的重力和質量的關系進行換算并標度測力計。

三、具體實施

(一)學生分組

基于以上設計思路，筆者將48名學生，按每組4人，分成了12組。

(二)提出任務一

1.實驗引入，聚焦問題

師：由實驗可知，對彈簧施力越大，彈簧伸得就越長。彈簧的伸長量與其受到的拉力大小有何關系?

生：彈簧受到的拉力越大，它的伸長量就越大。伸長量可能與受到的拉力大小成正比。

點評：學生根據初步的實驗印象及數學知識儲備，提出自己的猜想，既體現了學生一定的科學素養又凸顯了一定的學科互通意識。

師：今天請同學們利用實驗臺上的器材，動手驗證一下自己的想法是否正確。每個實驗桌上有鐵架臺、棉線、圖釘、彈簧、木板、鉤碼(50克8個)、鐵絲、剪刀、硬紙板、刻度尺、鉗子等器材。

2.動手實驗

學生進行實驗，每組都可以將實驗器材參照教材圖6-20順利進行組裝，實驗過程中碰到的小問題，也都可以依靠小組成員間的合作一起解決。在小組間交流時學生們又有了新的發現。

發現一：為什么開始彈簧的伸長量隨拉力的倍數變化呈倍數變化，后來當拉力大到一定時就不成正比了呢？

解決問題：

同學之間談論交流，發現每根彈簧都有各自能承受的限度，超出彈性限度，將不再遵循伸長量與施力大小成正比這一規律。

點評：在處理數據的過程中，有的小組將實驗數據列成表格，有的小組將實驗數據繪制成了圖像，處理數據時學生充分展示了自己的數學功底，感受到數學的支撐作用，無意間打破了學科間的界限，體驗“發現”的驚喜。

發現二：雖然同一根彈簧的伸長量確實隨拉力的倍數變化呈倍數變化，但當受力相同時，有些彈簧的伸長量并不相等，這是怎么回事呢？

解決問題：

針對問題，各組同學之間進行了實驗數據對比，發現相同的彈簧受力相同時，伸長量相同；但當彈簧的原長、材料、粗細及彈簧圈直徑有一個不同時，即使受力相同彈簧的伸長量也是不同的。

點評：有了這一意外的發現，學生的興趣明顯增強，特別是在發現多個影響因素后學生的態度更嚴謹。他們的思維明顯活躍了起來。

3.得出結論

經過實驗、對比，得出結論：在一定的彈性限度內，彈簧的伸長量與其所受拉力成正比。

他們在經過討論后還得出：如果彈簧測力計彈簧損壞，更換彈簧必須用相同的彈簧。

點評：實驗過程中善于發現問題，并能注意到將數據在組與組之間進行對比，能夠確定變量并加以控制，找到問題的癥結所在，而后又能由實驗的結果馬上想到實際問題的解決方案，這不僅僅體現了數學知識的遷移、數學對科學的支撐，也體現了學生的工程素養。

(三)提出任務二

請同學們用掌握的知識和經驗，解決生活中如何測量力的大小的問題，自制一個彈簧測力計。

1.動手制作

小組同學討論后，很快進入制作過程。各組在制作過程中雖然遇到了各種問題，但經過群策群力，他們都很順利地解決了問題。

問題一：用圖釘、細線將彈簧懸掛在木板上時，彈簧與木板間有摩擦。

解決問題：

學生組內討論交流后，采用了以下方案：方案一,鐵釘釘在木板上，線系在釘子上，用線將彈簧掛在釘子下方；方案二，鐵釘釘在木板上，用膠帶將鐵絲固定在釘子上,用鐵絲將彈簧掛在鐵釘下方；方案三，鐵釘釘在木板上，用鐵絲將彈簧懸掛在鐵釘下方，在釘子兩側繞多匝棉線，避免鐵絲滑動。如圖2所示。

點評：制作過程中，最初學生信心滿滿，到后來越來越謹慎，特別是釘釘子時，學生慎之又慎，盡力避免釘子歪了或位置斜了。從結果看，方案一在測量時彈簧容易前后擺動，視覺誤差較大。方案二測量時若鐵絲旋動，容易造成彈簧伸長與受力不在一條直線上。方案三很好地避免了前兩種方案的弊端。在此過程中，學生不僅培養了嚴謹的制作態度，也提升了技術素養。

問題二：怎樣標度彈簧測力計？

解決問題：

學生通過討論交流后得出：在不受拉力時彈簧下端對應的木板位置標識“0”，然后將已知質量大小的鉤碼掛在彈簧下端的掛鉤上，在彈簧的下端對應的木板位置做出標志，根據G=mg將質量轉換成力，在彈簧下端對應木板位置標度力的大小。

點評：學生根據胡克定律和G=mg解決了如何標度的問題，這一過程使得學生對科學概念的理解得到了進一步加深，同時也促進了工程問題的解決。

2.動手實驗

學生將自制的測力計懸掛在鐵架臺上，或用手提著，當彈簧自然伸長時在彈簧下端對應的木板位置標零，然后在彈簧下端的掛鉤上按1個、2個、3個……依次掛上鉤碼，依次在彈簧下端對應的木板位置標出對應拉力的大小。實驗中，很多小組都不約而同地選擇了4個或5個鉤碼。學生處理的數據如下表所示：

表1 鉤碼質量與重力的關系

問題三：彈簧下端與木板間有間距，怎樣準確標識？為什么選擇4個或5個鉤碼？

解決問題：

學生發現問題后使用了三角尺、刻度尺或紙張的直角很快解決了這個問題，有的小組直接將筆豎直放置進行標記。在前面實驗的基礎上，為防止超出彈簧的彈性限度，大多數小組選擇4個或5個鉤碼。

點評：細節決定儀器的準確程度，細節處見態度，細節處體現技術素養。

問題四：請測出一個筆袋的重力，思考如何提高儀器的精確程度。

解決問題：

學生測量過程中發現測量結果誤差很大，一起交流討論后得出：需要進一步分度，分度值越小，測量結果越精確。因為彈簧的伸長量與拉力大小成正比，他們便用刻度尺很快地對測力計進行了分度，并用硬紙板或鐵絲制作了指針，將指針固定在彈簧自然伸長狀態時的下端指示“0”的位置，然后再次對筆袋進行了測量。

點評：學生通過對刻度的劃分、指針的制作進一步提升了技術素養。

3.拓展應用

用測力計分別測量鋼筆、剪刀、橡皮等的重力，學生交流實驗結果。

點評:學生用一根普通的彈簧經過設計，不僅探究了胡克定律，還制作了一個能測量力的測力計，同時提高了測力計的準確程度，等等，體現了設計過程中的工程學，有利于學生工程素養的提高。

四、評價與反思

在本節課中，筆者努力將STEM教育理念與課堂教學相融合，使STEM教育理念在教學中的各個環節中得以體現。但因受內容難度和課堂時間的限制，本次教學的開放性還不夠，在研究胡克定律時，沒有完全鋪開，對問題的探討還不夠深入，在實驗探究過程中學生萌生的很多想法也沒有得到實踐，對學生自主探究能力的培養還存在著一定的局限性。

五、總結

按照教學設計，筆者較成功地將初中物理課程標準與STEM教育理念進行了融合，完成了預設的教學目標。

S(科學)：制作彈簧測力計活動中所涉及的科學知識有胡克定律、重力與質量的關系，標度時注意量程的制定——不能超出彈簧的彈性限度，利用胡克定律進行分度。學生在實踐過程中深刻理解了這些科學知識。

T(技術)：在制作彈簧測力計時怎樣減少彈簧與木板的摩擦，怎樣才能較準確地固定鐵釘的位置，怎樣才能讓懸掛彈簧的鐵絲既靈活又不會前后擺動，怎樣才能將彈簧下端與木板上的位置較準確地一一對應，如何確定彈簧測力計的量程，怎樣提高儀器的精確程度，操作的過程中要使用哪些工具，怎樣有條不紊地進行操作，這些問題的思考和解決，都非常有利于提升學生的技術素養。

E(工程)：學生首先能夠明確任務，即探究彈簧測力計的原理，制作彈簧測力計。其次，制訂探究方案和制作方案——根據前面胡克定律探究的結果確定所制作彈簧的量程，根據胡克定律對刻度進行劃分標識。最后，利用自制的彈簧測力計測量筆袋、橡皮等的重力。從明確任務到制訂方案，再到動手操作，優化改進測量工具，提高準確性、精確度，較好地培養了學生的工程素養。

M(數學)：在探究胡克定律的實驗中，學生能夠將實驗數據在組與組之間進行對比，很快地發現并確定變量，從而進行控制變量，通過列表、畫圖像等方式得出嚴謹的實驗結論。在進行刻度分度時，能夠利用重力與質量的關系，將質量與重力進行轉換，確定分度的方式方法。這些過程不僅加深了學生對胡克定律、重力與質量關系的認識與理解，也很好地提升了學生的數學素養，為工程問題的解決起到了很好的支撐作用。