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)生完成的進度，又要對學(xué)生進行適當(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行改進優(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)生的團隊意識，使教學(xué)達到“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，需要進一步梳理和總結(jié)每組的觀點，便于后續(xù)進行原理分析與探究.之后再一次深入真實情景，發(fā)現(xiàn)細節(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(jié)奏，適當(dāng)進行引導(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)生對浮沉子進行結(jié)構(gòu)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(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)進行分解，促進學(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：

［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.