貫徹STEM教育理念設計“制作‘潛水員’

范群英

〔摘? ? 要〕? 隨著科學技術不斷進步，解決任意一個領域的問題都有可能涉及多個領域。國家的發展迫切需要全面發展的綜合型人才，為此，教育部制定了2022年版《義務教育科學課程標準》，其修訂原則堅持目標、問題及創新三個導向。STEM教育理念將科學、技術、工程和數學等學科知識進行有效融合，不僅能夠提升學生綜合運用所學知識的能力，而且還可以培養學生的動手能力、團隊合作精神及創新精神。本文以“制作‘潛水員——認識浮力”項目式教學設計為例進行闡述，以期為STEM在小學科學教學設計中的應用提供一個參考視角。

〔關鍵詞〕? 小學科學；STEM教育理念；教學設計

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 11? ? 064-066

一、前言

STEM教學理念起源于20世紀80年代美國，歷經三十幾年的發展，目前已成為多個國家培養創新型人才的戰略性教育策略。它以項目式學習、問題解決為導向，聯系生活實際。學生利用所學知識大膽設想，調查研究，親身體驗多學科整合的方法，將直接經驗內化為自身的能力。它有利于激發學生興趣，引導學生主動學習，加深理解，培養團隊合作交流能力。將其應用到小學科學教學設計中，探索出更多具有可操作性的教學設計，可大力推動小學科學教育的發展。本文以基于STEM教育理念的“制作‘潛水員——認識浮力”項目式教學設計為例進行闡述。

二、貫徹STEM教育理念設計“制作‘潛水員——認識浮力”項目式教學

（一）課程背景與目標

浮力，是指浸在流體內的物體受到流體豎直向上的作用力，與重力的方向相反。古希臘阿基米德在兩千多年前發現了浮力原理。即物體在液體（或氣體）中所受浮力，等于所排開的液體（或氣體）的重量。早期，人類通過觀察和探索水中生物，發現魚靠魚鰾在水中能自由地上浮下潛。受到魚類等水生動物的啟發以及對水下環境的需求，人類設計出能在水下上浮下潛的工具——潛艇。

本課程通過讓五年級學生了解浮力現象及其產生原理，并通過簡單的浮力實驗，讓學生探索潛艇上浮下潛的原理，鍛煉動手實踐能力，初步認識浮力與阿基米德原理，為將來的學習打下基礎。

（二）課程領域

科學、技術、工程、數學、藝術。

（三）建議年級

五年級。

（四）建議時間

70分鐘。

（五）課程任務

認識浮力的概念及其產生的原理，知道潛艇上浮下潛的原理；利用給定的材料學習設計并制作“潛水員”，讓“潛水員”在水中能沉浮。

（六）教學過程

1.故事導入激發興趣（15分鐘）

師：上課之前，先給大家講一個故事。從前，有個孩子叫文彥博，是一個愛動腦筋的孩子。有一天，他和幾個朋友在室外踢球玩。踢了一會兒，有一個小朋友使勁踢了一腳，球飛得老遠，飛到了一棵老樹之后。大家找了許久，發現球滾到了一個很深的樹洞里。有的小朋友用棍子捅，有的小朋友用手掏，但樹洞不僅深，還彎彎曲曲，小朋友們絞盡腦汁都無法將球取出。最后，文彥博想了一個辦法，取出了樹洞里的球。你們猜猜文彥博想出什么辦法取到樹洞里的球的？

生：給樹洞灌水。

師：對了！他往樹洞里頭灌水。那為什么往樹洞里頭灌水，就能取到球呢？

生：因為浮力，球會浮起來。

師：這節課，我們先來了解一下浮力。

簡述浮力的概念和形成原理。

教師講述一則關于阿基米德發現浮力的故事及浮力公式：F浮=[ρ]gV排，向學生講解浮力的原理：當物體處于液體或氣體中時，由于上、下表面所處深度不同，受到液體或氣體的壓力也不相等，下表面受到向上的壓力比上表面受到向下的壓力大，上、下表面的壓力差就形成浮力。因此，浮力的方向是豎直向上的。

教師接著講述一則牛頓被一個自由落體的蘋果砸中后發現萬有引力定律的故事以及重力公式：G=mg。重力的方向是豎直向下的，大小與物體的質量有關。

教師講解并畫示意圖：當物體上浮時，它所受到的浮力大于自身重力；當物體漂浮或懸浮時，它所受到的浮力與自身重力相等；當物體下潛時，它所受到的浮力小于自身重力。

簡述浮力的相關應用。介紹潛艇上浮與下潛的原理。

師：浮力在我們的日常生活中有哪些應用呢？

生：游泳圈、浮板讓我們在游泳的時候浮起來。

師：對，浮力的應用例子有很多，比如輪船、氣球、潛艇和飛艇等。

教師播放視頻展示潛艇上浮下潛，引導學生思考并回答以下問題：潛艇很沉，為什么可以在水中上浮與下潛呢？

師：通常潛艇主要通過以下兩個途徑實現上浮與下潛的。一是調節水艙內的水量；二是調節潛艇俯角與仰角加上發動機的推力。由于水下壓力的存在，每艘潛艇都有一定的安全深度范圍，超過這個范圍，潛艇出現故障甚至造成事故的風險就會增加。因此，潛艇下潛到一定深度必須“踩剎車”。而要讓潛艇在水中保持一個相對平穩的懸浮狀態，就要讓潛艇和周圍水體的比重保持基本一致。要做到這一點，高壓氣瓶起到了關鍵的作用。潛艇所配備的高壓氣瓶的用處相當于魚鰾。這種“魚鰾”與水艙配合才能改變潛艇的比重，實現潛艇的浮沉。

2.執行任務（50分鐘）

出示任務和評價量規（5分鐘）。

任務：每個小組利用所給材料設計制作一個能在水里上浮下潛的“潛水員”。

材料：（以小組為單位）空的礦泉水瓶1個、剪刀1把、吸管若干、回形針若干、水。

評價量規（見文后附表）。

3.設計（10分鐘）

各小組在理解潛艇在水中上浮下潛原理的基礎上設計制作方案。教師在教室內巡視，觀察各小組設計情況，并用問題引導學生思考。

什么樣的結構可以保證“潛水員”在水中上浮下潛？

使用幾枚回形針合適？回形針少了或者多了，各有什么現象？

如何讓設計的“潛水員”在水中上浮下潛的過程中不散架？

畫好設計圖后到教師處領取材料。

制作（15分鐘）：學生以小組為單位進行“潛水員”的制作。將空的礦泉水瓶裝水，放入做好的“潛水員”，擰緊瓶蓋。

測試（10分鐘）：嘗試用手用力擠壓瓶身后放松，觀察瓶內“潛水員”出現什么樣的現象，并思考產生此現象的原因。測試三次，看各小組制作的“潛水員”上浮下潛的能力，以及制作的“潛水員”結實程度。如果失敗，重新設計、制作、測試。

匯報展示（10分鐘）：在時間充裕的情況下，給每個小組至少2分鐘的時間介紹小組設計思路、制作過程。其他小組學生可以提問，被提問小組需做出回答。

4.總結（5分鐘）

教師播放實驗演示視頻，對本課程進行總結，并解釋自制“潛水員”能夠上浮下潛的原理：當我們按壓礦泉水瓶時，由于瓶內水的壓力增加，水被壓入吸管，從而增加“潛水員”身上的重力，“潛水員”所受重力大于浮力后下沉；當撤去雙手壓力時，瓶內水的壓力降低，被壓入吸管內的水流出，“潛水員”身上的重力減少，“潛水員”上浮。

三、結語

在新課程標準的指導下，教師將STEM理念合理地應用于小學科學教學設計中，不但有利于激發學生的探究興趣，而且培養了學生發現問題、分析問題與解決問題的能力，培養學生的科學核心素養。因此，在今后的科學教學中，教師應繼續借助STEM的優勢，探索出更多具有可操作性的教學設計，進而推動小學科學教育的發展。

【本文系建甌市2022年度教育科研立項課題“STEM在小學科學教學設計中的應用研究”階段研究成果，課題立項批準號B22002】

參考文獻

[1]黃樺.基于STEM教育理念的科學教學[J].教學與管理，2018（21）：109-112.

[2]陳如平，李佩寧.美國STEM課例設計（小學卷）[M].北京：教育科學出版社，2018.