基于STEM教育理念的初中物理教學(xué)設(shè)計

摘要：物理是初中的重要學(xué)科，但由于物理的抽象性和多層次性，一直是初中最難學(xué)習(xí)的學(xué)科之一.利用STEM教育理念和方法，科學(xué)的設(shè)計教學(xué)過程和方法，可以有效地幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理，提高教學(xué)效果.

關(guān)鍵詞：初中物理；STEM教育；教學(xué)設(shè)計

中圖分類號：G632文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1008-0333（2023）08-0080-03

1方案設(shè)計

1.1設(shè)計意圖，教學(xué)目標(biāo)

1.1.1設(shè)計意圖

體現(xiàn)STEM教學(xué)和探究式教學(xué)的特點.在STEM教學(xué)特點方面，側(cè)重科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的融合；在探究性教學(xué)方面，以帶領(lǐng)學(xué)生制作“浮沉子”為主線，以探究浮沉子的原理為主問題.引導(dǎo)學(xué)生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計方案、解決問題、體現(xiàn)STEM教學(xué)理念從驗證型跨越到探究型［2］.

1.1.2教學(xué)目標(biāo)

以人教版初中物理教材第十章第三節(jié)“物體的沉浮條件及應(yīng)用”為例，開展小組探究性學(xué)習(xí)，完成（表1）教學(xué)內(nèi)容.

1.2創(chuàng)設(shè)情景，引入問題

當(dāng)教師講到“沉浮的應(yīng)用”知識點時，通過提問學(xué)生，舉例沉浮的應(yīng)用，適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入關(guān)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(nèi)外潛水艇的發(fā)展現(xiàn)狀和國內(nèi)發(fā)展的不足之處，引導(dǎo)學(xué)生思考并分析潛水艇的原理.

設(shè)計意圖：利用觀察潛水艇神奇之處，且對國內(nèi)外潛水艇的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行對比，激發(fā)學(xué)生強烈的求知欲望，培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義精神.

1.3向?qū)W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(xué)生細(xì)心觀察現(xiàn)象，開始準(zhǔn)備動手制作.（圖1）

1.4浮沉子制作

1.4.1學(xué)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(jù)教師布置的任務(wù)與已有的材料進(jìn)行制作.

1.4.2提出任務(wù)

教師準(zhǔn)備好本次需要用到的材料、任務(wù)與問題.（表2）

1.4.3動手實踐

學(xué)生在制作過程中，教師既要巡視學(xué)生完成的進(jìn)度，又要對學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo).在配重方面玻璃瓶的懸浮狀態(tài)難以調(diào)節(jié)，需要用到滴管一點點精準(zhǔn)調(diào)節(jié)水量.作為教學(xué)活動的引導(dǎo)者，在學(xué)生遇到難題的時候，教師就要引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化浮沉子配重的措施：靈活應(yīng)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(shè)計意圖：這種做法第一方面能夠真正做到將課堂留給學(xué)生，以完成任務(wù)的方式培養(yǎng)學(xué)生的動手能力；第二方面，通過對產(chǎn)品浮沉子配重措施進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，喚起學(xué)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(xué)生的團(tuán)隊意識，使教學(xué)達(dá)到“操作中學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)中操作”的效果，實現(xiàn)將STEM教育理念中的技術(shù)、工程教育理念融入到初中物理教學(xué)中去.

1.4.4組織學(xué)生交流與探究

要求每組派出1～2名同學(xué)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(jìn)行介紹交流，其他組可以評價與提問，充分發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)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(tǒng)領(lǐng)作用，需要進(jìn)一步梳理和總結(jié)每組的觀點，便于后續(xù)進(jìn)行原理分析與探究.之后再一次深入真實情景，發(fā)現(xiàn)細(xì)節(jié)問題：當(dāng)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(xù)擠壓，玻璃瓶才下沉，這又是為什么？

設(shè)計意圖：以完成任務(wù)為驅(qū)動，讓學(xué)生真正能

做出產(chǎn)品，并且組內(nèi)以合作方式進(jìn)行討論、組與組之間進(jìn)行評價、教師作為“中間人”需要把握課堂節(jié)奏，適當(dāng)進(jìn)行引導(dǎo)，真正實現(xiàn)生生互動、師生互動.當(dāng)同學(xué)們以為問題都已經(jīng)得到解決的時候，再一次提出容易忽略的細(xì)節(jié)問題，讓學(xué)生體會到科學(xué)探究性學(xué)習(xí)的過程是充滿未知的、是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模瑫r也培養(yǎng)學(xué)生動手實踐與溝通合作的能力.引導(dǎo)學(xué)生對浮沉子進(jìn)行結(jié)構(gòu)與原理分析，進(jìn)而過渡到潛水艇的原理，該過程充分將STEM教育理念中科學(xué)、數(shù)學(xué)與工程層面有效融合在一起，體現(xiàn)跨學(xué)科的思維特點［1］.

2原理討論與分析

2.1引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理模型

面對學(xué)生提出的觀點與疑問，教師應(yīng)該通過引導(dǎo)學(xué)生運用科學(xué)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(fù)雜的任務(wù)進(jìn)行分解，促進(jìn)學(xué)生對知識的理解.通過直接觀察浮沉子的外觀，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，該結(jié)構(gòu)包括內(nèi)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.

2.2分析浮沉子的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)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(nèi)部氣體向上的壓力p1S，此時玻璃瓶受力平衡，有這樣一個關(guān)系：

由此得知，初始狀態(tài)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(xué)習(xí)的內(nèi)容“物體的沉與浮”以及上文的分析，同學(xué)們對物體的浮沉條件有了一定的認(rèn)識，即物體的浮沉取決于浮力與重力的關(guān)系：當(dāng)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(dāng)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(dǎo)致壓強增大，而這個壓強作用在玻璃瓶上，就會導(dǎo)致玻璃瓶內(nèi)氣體被壓縮，進(jìn)而導(dǎo)致V排減小，根據(jù)：

F浮=ρ液gV排③

此時F浮減小，即F浮＜mg，所以玻璃瓶下沉.反之，F(xiàn)浮增大，F(xiàn)浮＞mg，玻璃瓶上浮.因此，玻璃瓶的重力不變，浮力的改變是導(dǎo)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(dāng)外力擠壓礦泉水瓶時，礦泉水瓶里面的水被壓入玻璃瓶導(dǎo)致研究對象的自身重力增大，此時F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(dāng)我們用力擠壓礦泉水瓶時，玻璃瓶應(yīng)該馬上下沉，但觀察發(fā)現(xiàn)玻璃瓶并沒有馬上下沉，而是仍然漂浮在水面上，繼續(xù)用力擠壓，玻璃瓶才沉下去.

這主要跟水的張力有關(guān)，通過仔細(xì)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(dāng)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(xù)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(jīng)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(dá)到極值，玻璃瓶就不會下去，直到浮力繼續(xù)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.

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(xué)生再一次被震驚到，原來實際生活中的問題與平時做的習(xí)題有很大的區(qū)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(xì)節(jié)，需要學(xué)生養(yǎng)成批判的思維，在大家都認(rèn)為沒問題之時提出問題.因此，在分析實際問題時，我們要學(xué)會去簡化物理模型并且界定好一些相關(guān)變量，會運用浮力的本質(zhì)，進(jìn)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(xiàn)跨學(xué)科思想，以帶領(lǐng)學(xué)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(jìn)行分析和解答，最后將原理推廣到潛水艇.這個教學(xué)設(shè)計將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)教育理念很好地融入“物體的浮沉條件及應(yīng)用”這節(jié)內(nèi)容當(dāng)中.這樣的內(nèi)容不僅豐富了課堂，啟迪了學(xué)生的開放性思維，而且在真實情景中加深對浮力本質(zhì)的認(rèn)識，使學(xué)生的核心素養(yǎng)和創(chuàng)新意識得到發(fā)展.但在有限的教學(xué)時間內(nèi)，完成較多的教學(xué)目標(biāo)，需要對教師的綜合素養(yǎng)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.

參考文獻(xiàn)：

［1］李慧慧，楊文正，許秋璇.基于STEM的小學(xué)科學(xué)教學(xué)活動設(shè)計與應(yīng)用案例研究[J].中小學(xué)電教，2020，14（Z1）：84-87.

［2］王美芹，張玉峰，丁慶紅.物理單元教學(xué)目標(biāo)設(shè)計與關(guān)鍵點突破[J].中學(xué)物理，2020，38（09）：12-15.

［3］朱郁華.初中科學(xué)“過程與方法”目標(biāo)的理解與設(shè)計[J].教學(xué)與管理，2011，28（22）：56-58.

［責(zé)任編輯：李璟］

收稿日期：2022-12-15

作者簡介：施兵（1976.11-），男，江蘇省連云港人，本科，從事初中物理教學(xué)研究.