基于STEM教育理念的初中物理教學設計
——以帶領學生制作“浮沉子”為例

施 兵

(江蘇省灌云縣云湖初級中學,江蘇 連云港 222200)

1 方案設計

1.1 設計意圖,教學目標

1.1.1 設計意圖

體現STEM教學和探究式教學的特點.在STEM教學特點方面,側重科學、技術、工程、數學的融合;在探究性教學方面,以帶領學生制作“浮沉子”為主線,以探究浮沉子的原理為主問題.引導學生在實踐中發現問題、設計方案、解決問題、體現STEM教學理念從驗證型跨越到探究型[2].

1.1.2 教學目標

以人教版初中物理教材第十章第三節“物體的沉浮條件及應用”為例,開展小組探究性學習,完成(表1)教學內容.

表1 “探究浮沉子的原理”的STEM教學目標

1.2 創設情景,引入問題

當教師講到“沉浮的應用”知識點時,通過提問學生,舉例沉浮的應用,適當引導學生進入關于潛水艇的討論,之后播放視頻:觀看潛水艇的神奇之處,了解國內外潛水艇的發展現狀和國內發展的不足之處,引導學生思考并分析潛水艇的原理.

設計意圖:利用觀察潛水艇神奇之處,且對國內外潛水艇的發展現狀進行對比,激發學生強烈的求知欲望,培養學生的愛國主義精神.

1.3 向學生展示“如意”的浮沉子

教師可以展示浮沉子在水中的上浮與下沉,之后讓學生細心觀察現象,開始準備動手制作.(圖1)

圖1 浮沉子展示

1.4 浮沉子制作

1.4.1 學生分組

基于以上分析,筆者將班級分為10組、每組4～6人,各組根據教師布置的任務與已有的材料進行制作.

1.4.2 提出任務

教師準備好本次需要用到的材料、任務與問題.(表2)

表2 材料與任務

1.4.3 動手實踐

學生在制作過程中,教師既要巡視學生完成的進度,又要對學生進行適當的指導.在配重方面玻璃瓶的懸浮狀態難以調節,需要用到滴管一點點精準調節水量.作為教學活動的引導者,在學生遇到難題的時候,教師就要引導學生優化浮沉子配重的措施:靈活應用逆向思維,無需用滴管一點點加水,而是首先讓玻璃瓶沉入礦泉水瓶底部,通過加鹽的方式改變水的密度,從而使玻璃瓶上浮.

設計意圖:這種做法第一方面能夠真正做到將課堂留給學生,以完成任務的方式培養學生的動手能力;第二方面,通過對產品浮沉子配重措施進行改進優化,喚起學生的工程意識;最后一方面,通過小組之間的討論,在一定程度上能夠提高學生的團隊意識,使教學達到“操作中學習,學習中操作”的效果,實現將STEM教育理念中的技術、工程教育理念融入到初中物理教學中去.

1.4.4 組織學生交流與探究

要求每組派出1～2名同學作為代表上臺,對自己在制作浮沉子過程中遇到的問題和浮沉原理的初步理解進行介紹交流,其他組可以評價與提問,充分發揮學生在教學中的主體地位.代表交流之后,教師不要急于給出答案,而是要起到統領作用,需要進一步梳理和總結每組的觀點,便于后續進行原理分析與探究.之后再一次深入真實情景,發現細節問題:當用力擠壓瓶身,觀察到小玻璃瓶還在水面上漂浮了一段時間,只有繼續擠壓,玻璃瓶才下沉,這又是為什么?

設計意圖:以完成任務為驅動,讓學生真正能做出產品,并且組內以合作方式進行討論、組與組之間進行評價、教師作為“中間人”需要把握課堂節奏,適當進行引導,真正實現生生互動、師生互動.當同學們以為問題都已經得到解決的時候,再一次提出容易忽略的細節問題,讓學生體會到科學探究性學習的過程是充滿未知的、是嚴謹的,同時也培養學生動手實踐與溝通合作的能力.引導學生對浮沉子進行結構與原理分析,進而過渡到潛水艇的原理,該過程充分將STEM教育理念中科學、數學與工程層面有效融合在一起,體現跨學科的思維特點[1].

2 原理討論與分析

2.1 引導學生建構物理模型

面對學生提出的觀點與疑問,教師應該通過引導學生運用科學的研究方法去解決問題,在本案例中問題的解決離不開物理模型的建立.教師在分析問題前要將復雜的任務進行分解,促進學生對知識的理解.通過直接觀察浮沉子的外觀,對其結構進行分析,該結構包括內部有開口向下的玻璃瓶,外部有裝水和空氣的礦泉水瓶,如圖2所示.

圖2 浮沉子的結構與受力分析

2.2 分析浮沉子的結構及其受力分析

教師簡單介紹:浮沉子的沉、浮與潛水艇的沉、浮原理十分相似,雖然結構簡單,但是其中包含的道理卻不簡單,接下來我們一起對其原理進行分析.首先,我們分析玻璃瓶漂浮在水面上時的情況,以玻璃瓶為研究對象(圖2),受到豎直向下的重力mg、上方氣體向下的壓力p0S和內部氣體向上的壓力p1S,此時玻璃瓶受力平衡,有這樣一個關系:

mg+p0S=p1S

①

AB液面上、下兩側的壓強相等:

p1+ρgh1=p0+ρg(h1+h2)

②

①②兩式聯立得:

mg=ρgh2S=ρgV排=F浮

由此得知,初始狀態玻璃瓶漂浮在水面上時重力是等于浮力的.

2.3 浮沉子原理的分析

2.3.1 分析浮沉子的沉與浮

通過之前學習的內容“物體的沉與浮”以及上文的分析,同學們對物體的浮沉條件有了一定的認識,即物體的浮沉取決于浮力與重力的關系:當F浮>mg時,物體會上浮;反之,物體會下沉.

第一種情況,將玻璃瓶為研究對象時,玻璃瓶的重力不變,當外力擠壓礦泉水瓶,礦泉水瓶上方氣體的體積減小,在不考慮溫度變化的情況下,體積減小就會導致壓強增大,而這個壓強作用在玻璃瓶上,就會導致玻璃瓶內氣體被壓縮,進而導致V排減小,根據:

F浮=ρ液gV排

③

此時F浮減小,即F浮mg,玻璃瓶上浮.因此,玻璃瓶的重力不變,浮力的改變是導致玻璃瓶浮沉的原因.

第二種情況,將玻璃瓶與有水的部分看成一個整體作為研究對象,它的浮力不變,當外力擠壓礦泉水瓶時,礦泉水瓶里面的水被壓入玻璃瓶導致研究對象的自身重力增大,此時F浮mg,玻璃瓶上浮.

2.3.2 分析浮沉子沒有立即下沉的原因

按照上文的解釋,當我們用力擠壓礦泉水瓶時,玻璃瓶應該馬上下沉,但觀察發現玻璃瓶并沒有馬上下沉,而是仍然漂浮在水面上,繼續用力擠壓,玻璃瓶才沉下去.

這主要跟水的張力有關,通過仔細觀察玻璃瓶的入水過程,我們在捏的時候,玻璃瓶就即將下降了,但是當玻璃瓶即將沒入水面時,玻璃瓶就不再下降了,因為此時液面表面張力的作用就不能忽視了.雖然我們在持續加力,玻璃瓶里的水面也在上升,浮力也在減小,但表面張力也在增加,甚至玻璃瓶已經在水面以下了,但在表面張力的作用下,形成了凹形的液面(圖3),但是只要表面張力沒有達到極值,玻璃瓶就不會下去,直到浮力繼續減小,表面張力實在是拉不住了,玻璃瓶才會掙脫液面的束縛,開始沉下去.

圖3 沉浮子下沉的原因分析

分析至此,一切都撥云見日,原來浮力改變與重力改變兩種說法都是正確的.這樣的分析與探究過程,使得學生再一次被震驚到,原來實際生活中的問題與平時做的習題有很大的區別,真實情景問題的答案并不全是非對即錯的,而且處處存在細節,需要學生養成批判的思維,在大家都認為沒問題之時提出問題.因此,在分析實際問題時,我們要學會去簡化物理模型并且界定好一些相關變量,會運用浮力的本質,進一步提升解決實際生活中的浮沉問題的能力[3].

STEM教育體現跨學科思想,以帶領學生制作“浮沉子”為主線,一個問題的思考貫穿整個制作過程,之后對浮沉子的原理進行分析和解答,最后將原理推廣到潛水艇.這個教學設計將科學、技術、工程、數學教育理念很好地融入“物體的浮沉條件及應用”這節內容當中.這樣的內容不僅豐富了課堂,啟迪了學生的開放性思維,而且在真實情景中加深對浮力本質的認識,使學生的核心素養和創新意識得到發展.但在有限的教學時間內,完成較多的教學目標,需要對教師的綜合素養有更高的要求.高效實施STEM初中物理課堂,需要我們每個教育工作者為之努力.