將STEM教育融入初中物理綜合實(shí)踐活動(dòng)的教學(xué)
——以學(xué)生進(jìn)行“簡(jiǎn)易密度計(jì)”制作為例

陸衛(wèi)兵

(無(wú)錫市蠡園中學(xué)，江蘇 無(wú)錫 214072)

STEM教育出現(xiàn)于21世紀(jì)初,即科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)教育的統(tǒng)稱．其中科學(xué)在于認(rèn)識(shí)世界、解釋自然界的客觀規(guī)律;技術(shù)和工程則是在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上改造世界、實(shí)現(xiàn)對(duì)自然界的控制和利用、解決社會(huì)發(fā)展過(guò)程中遇到的難題;數(shù)學(xué)則作為技術(shù)與工程學(xué)科的基礎(chǔ)工具．由此可見(jiàn),科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)之間存在一種相互支撐、相互補(bǔ)充、共同發(fā)展的關(guān)系,它們只有在交互中,在相互碰撞中,才能實(shí)現(xiàn)深層次的學(xué)習(xí)、理解性學(xué)習(xí),也才能真正培養(yǎng)學(xué)生各個(gè)方面的技能和認(rèn)識(shí).

STEM課程重點(diǎn)是加強(qiáng)對(duì)學(xué)生4個(gè)方面的教育:一是科學(xué)素養(yǎng),即運(yùn)用科學(xué)知識(shí)(如物理、化學(xué)、生物科學(xué)和地球空間科學(xué))理解自然界并參與影響自然界的過(guò)程;二是技術(shù)素養(yǎng),也就是使用、管理、理解和評(píng)價(jià)技術(shù)的能力;三是工程素養(yǎng),即對(duì)技術(shù)工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程的理解;四是數(shù)學(xué)素養(yǎng),也就是學(xué)生發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解釋和解決多種情境下的數(shù)學(xué)問(wèn)題的能力．

義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)中的課程基本理念中的首條就是:面向全體學(xué)生,提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)．義務(wù)教育物理課程作為科學(xué)教育的組成部分,是以提高全體學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為目標(biāo)的自然科學(xué)基礎(chǔ)課程．此階段的物理課程不僅應(yīng)注重科學(xué)知識(shí)的傳授和技能的訓(xùn)練,而且應(yīng)注重對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、探究能力和創(chuàng)新意識(shí)以及科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神方面的培養(yǎng)．而科學(xué)探究學(xué)習(xí)方式是提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的一種重要而有效的途徑,新課程標(biāo)準(zhǔn)中的這些理念和STEM教育理念是一致的.

下面從實(shí)踐層面——簡(jiǎn)易密度計(jì)的制作,提供一些如何將數(shù)學(xué)、工程、技術(shù)融入物理(科學(xué))課堂的一些思路和有效的教學(xué)手段,闡述怎樣在物理教學(xué)中融合STEM教育,幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的綜合素質(zhì),提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng).

1 學(xué)情和教材分析

該課題為蘇科版物理教材8下第10章綜合實(shí)踐活動(dòng)——自制簡(jiǎn)易密度計(jì).

2 設(shè)計(jì)思想

為了體現(xiàn)STEM教育的4個(gè)維度,筆者并未采用物理課程標(biāo)準(zhǔn)中的三維目標(biāo):知識(shí)與技能、過(guò)程與方法、情感態(tài)度價(jià)值觀,而是圍繞本課主題,站在學(xué)生的角度,分別制訂了各個(gè)領(lǐng)域具體且有針對(duì)性的教學(xué)目標(biāo).

S(科學(xué)):學(xué)生理解阿基米德原理,知道同一支密度計(jì)在各種不同液體中所受浮力相等.

T(技術(shù)):學(xué)生能夠掌握利用吸管制作簡(jiǎn)易密度計(jì)的工藝及怎么讓吸管在液體中豎直漂浮.

E(工程):學(xué)生能夠設(shè)計(jì)方案——怎樣利用一根普通的飲料吸管和其他一些輔助材料和工具做成一支簡(jiǎn)易密度計(jì),并且利用這支簡(jiǎn)易密度計(jì)測(cè)量牛奶等液體的密度.

M(數(shù)學(xué)):學(xué)生能夠確定和控制變量,簡(jiǎn)易密度計(jì)浸沒(méi)在水中長(zhǎng)度確定的情況下,利用阿基米德原理和物體漂浮原理推算出其他密度液體在簡(jiǎn)易密度計(jì)上所對(duì)應(yīng)的刻度.

3 實(shí)踐情況

3.1 學(xué)生分組

基于以上設(shè)計(jì)思路,筆者把全班40名學(xué)生,每組4人,分成10組進(jìn)行授課.

3.2 提出任務(wù)

視頻引入:聚焦問(wèn)題,提出任務(wù).

講述并提問(wèn):我們發(fā)現(xiàn)雞蛋可以漂浮在鹽水中,且鹽水的密度越大,漂浮時(shí)排開(kāi)液體的體積越小.由此我們可以推測(cè),對(duì)于同一物體而言,它漂浮在各種不同液體中時(shí),其排開(kāi)液體的體積與什么有關(guān)呢?

生答:液體的密度.

點(diǎn)評(píng):學(xué)生根據(jù)阿基米德原理推出:同一物體漂浮在各種不同液體中時(shí),其排開(kāi)液體的體積與液體的密度有關(guān),體現(xiàn)了學(xué)生一定的科學(xué)素養(yǎng)．

講述:今天同學(xué)們利用一根飲料吸管,來(lái)制作一個(gè)簡(jiǎn)易密度計(jì)．桌上有飲料吸管、蠟燭、燒杯、小圓頭自攻螺絲、水、飽和食鹽水、刻度尺、天平、量筒、可樂(lè)、食用油、牛奶等器材.

3.3 動(dòng)手實(shí)踐

(1) 解決問(wèn)題.

好多學(xué)生都迫不及待地動(dòng)手了,但似乎遇到了困難．

問(wèn)題1:怎樣用蠟燭把飲料吸管一端密封起來(lái)?

圖2

點(diǎn)評(píng):學(xué)生的制作興趣很濃．從最后做的結(jié)果看,第一、二兩種方法稍微操作不慎,就有可能導(dǎo)致吸管不密封,第三種方法蠟油可能滴到吸管內(nèi)壁上,但可以確保吸管一端密封且不會(huì)影響下面的實(shí)驗(yàn)．上述的制作過(guò)程能使學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)得到了一定的培養(yǎng).

問(wèn)題2:怎樣讓下端封蠟的吸管豎直漂浮在液體中?

學(xué)生討論與交流后演示:在封蠟的吸管中放入3個(gè)小圓頭自攻螺絲,放入水中,吸管就豎起來(lái)了(如圖2所示).

點(diǎn)評(píng):由于學(xué)生沒(méi)有任何經(jīng)驗(yàn),所以很多學(xué)生先放一個(gè)螺絲試一下,發(fā)現(xiàn)吸管豎不起來(lái),接著再放一個(gè)試驗(yàn),直到放入3個(gè)螺絲吸管才豎起來(lái).學(xué)生通過(guò)多次試驗(yàn)解決了這個(gè)實(shí)際問(wèn)題,培養(yǎng)了學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng).

問(wèn)題3:怎樣對(duì)簡(jiǎn)易密度計(jì)進(jìn)行標(biāo)度?

學(xué)生討論與交流后提出:設(shè)吸管的橫截面積為S,吸管漂浮在水中時(shí),浸沒(méi)在水中的長(zhǎng)度為H,吸管漂浮在其他液體中時(shí),浸沒(méi)在其他液體中的長(zhǎng)度為h,根據(jù)漂浮原理有F浮水=F浮液,根據(jù)阿基米德原理有ρ水gSH=ρ液gSh,因此h=ρ水H/ρ液．根據(jù)上式的數(shù)量關(guān)系可對(duì)簡(jiǎn)易密度計(jì)進(jìn)行標(biāo)度.

點(diǎn)評(píng):學(xué)生根據(jù)阿基米德原理和物體漂浮原理推導(dǎo)出H和h的關(guān)系.這一過(guò)程不僅培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng),還加深了學(xué)生對(duì)科學(xué)概念(阿基米德原理和物體漂浮原理)的理解,促進(jìn)了工程問(wèn)題的解決.

(2) 進(jìn)行實(shí)驗(yàn).

在量筒中裝適量的水,把做好的吸管放入水中,使其豎直漂浮在水中,在吸管上用記號(hào)筆標(biāo)出水面的位置,用刻度尺測(cè)出該位置到吸管下端的距離,即吸管浸入水中的深度H.

點(diǎn)評(píng):學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐,培養(yǎng)科學(xué)探究能力,提高了技術(shù)素養(yǎng).

(3) 數(shù)據(jù)處理.

表1是其中一組學(xué)生實(shí)驗(yàn)后記錄的數(shù)據(jù),該組吸管總長(zhǎng)18 cm,浸入水中的深度為14 cm．根據(jù)推導(dǎo)公式h=ρ水H/ρ液,計(jì)算出液體密度與表1中的密度值相等時(shí),該簡(jiǎn)易密度計(jì)浸入的深度h.

表1 液體密度與吸管浸入液體深度

圖3

根據(jù)表中數(shù)據(jù),在吸管上標(biāo)出的對(duì)應(yīng)刻度線(如圖3所示).

點(diǎn)評(píng):學(xué)生通過(guò)測(cè)出的H值,利用h=ρ水H/ρ液這一推導(dǎo)公式計(jì)算出h值,最后進(jìn)行刻度線標(biāo)度．這一過(guò)程使學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)和技術(shù)素養(yǎng)進(jìn)一步得到提高.

3.4 問(wèn)題討論

問(wèn)題4:簡(jiǎn)易密度計(jì)的刻度線有什么特點(diǎn)?

學(xué)生討論與交流后回答:不均勻,上疏下密,且越往上密度值越小.

問(wèn)題5:怎樣檢驗(yàn)?zāi)闼谱鞯暮?jiǎn)易密度計(jì)的刻度誤差?

學(xué)生討論與交流后回答:把密度計(jì)放入已知密度值的液體中測(cè)出該液體的密度.

具體方法: (a) 用天平和量筒測(cè)出飽和食鹽水的密度；(b) 用制作的簡(jiǎn)易密度計(jì)測(cè)量飽和食鹽水的密度,并與(a)中所測(cè)得的密度值進(jìn)行比較,看看誤差有多大.

學(xué)生活動(dòng),教師來(lái)回指導(dǎo),發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)在活動(dòng)中解決.

點(diǎn)評(píng):學(xué)生上述自主探究活動(dòng)進(jìn)一步提升了他們的技術(shù)素養(yǎng).

3.5 拓展應(yīng)用

用自制的密度計(jì)分別測(cè)量可樂(lè)、食用油、牛奶等液體的密度．學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果.

點(diǎn)評(píng):學(xué)生把一根普通吸管經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制作,制成了一個(gè)能測(cè)量液體密度的密度計(jì)的過(guò)程;檢驗(yàn)密度計(jì)誤差的過(guò)程等等,都體現(xiàn)了設(shè)計(jì)過(guò)程中的工程學(xué)．整個(gè)設(shè)計(jì)、制作的過(guò)程使學(xué)生的工程素養(yǎng)得到了較大的提高.

4 評(píng)價(jià)與反思

本節(jié)課中,筆者試圖通過(guò)教學(xué)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)踐STEM教育理念,雖然在課上始終沒(méi)有跟學(xué)生提及STEM教育理念,但在整個(gè)教學(xué)過(guò)程中能夠處處體現(xiàn)STEM教育理念.可能受內(nèi)容難度和課堂時(shí)間的限制,本次活動(dòng)的開(kāi)放性不夠,還是以教師引導(dǎo)為主,對(duì)學(xué)生自主探究能力的培養(yǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程中學(xué)生萌生的很多想法沒(méi)有機(jī)會(huì)實(shí)踐.如沒(méi)有讓學(xué)生自主選擇密度計(jì)里加多少配重才合適?密度計(jì)上刻度的標(biāo)注怎樣才能準(zhǔn)確?怎樣提高自制密度計(jì)的精確度等等.

5 總結(jié)

按照教學(xué)設(shè)計(jì),本課中筆者不僅完成了預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo),還充分體現(xiàn)了STEM教育理念．

S(科學(xué)):制作簡(jiǎn)易密度計(jì)活動(dòng)中所涉及的科學(xué)原理為:阿基米德原理、物體的浮沉原理,吸管的選擇必須是粗細(xì)均勻,如果吸管粗細(xì)不均勻,那么F浮=ρ液gSH不成立,推導(dǎo)公式h=ρ水H/ρ液就不成立;吸管中加配重后降低重心才能使吸管豎起來(lái)的原理.

T(技術(shù)):在制作簡(jiǎn)易密度計(jì)的活動(dòng)中,選擇多少粗,多少長(zhǎng)的吸管?吸管一端怎么用蠟燭密封才有比較好的效果?密封的吸管怎樣才能在液體中豎起來(lái)?吸管中加多少配重比較合適?液體是放在燒杯中好還是放在量筒中好?量筒中要裝多少液體比較合適?怎么測(cè)量密度計(jì)浸入水中的長(zhǎng)度?怎樣精確進(jìn)行刻度標(biāo)注?做的過(guò)程中要用到哪些工具?先做哪一步?后做哪一步? 對(duì)以上問(wèn)題的思考能夠培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng).

E(工程):學(xué)生首先能夠明確問(wèn)題——制作簡(jiǎn)易密度計(jì),其次制訂制作方案——選取合適長(zhǎng)度和粗細(xì)的吸管,把吸管一端封蠟,封蠟一端加合適的配重,能夠在量筒中豎直漂浮,測(cè)量簡(jiǎn)易密度計(jì)浸入水中的長(zhǎng)度,利用這個(gè)數(shù)據(jù)計(jì)算簡(jiǎn)易密度計(jì)在其他密度液體中浸入液體中的長(zhǎng)度,進(jìn)而標(biāo)出刻度,然后利用做出來(lái)的簡(jiǎn)易密度計(jì)測(cè)量牛奶、可樂(lè)、食用油等物質(zhì)的密度．這些都體現(xiàn)了工程學(xué)中從明確問(wèn)題到制訂方案,進(jìn)行實(shí)驗(yàn),優(yōu)化改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)性步驟．培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng).

M(數(shù)學(xué)):學(xué)生能夠確定和控制變量,通過(guò)物體漂浮原理推導(dǎo)出公式h=ρ水H/ρ液,利用該公式計(jì)算出簡(jiǎn)易密度計(jì)上不同密度液體所對(duì)應(yīng)的刻度.這不僅培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng),還加深了學(xué)生對(duì)阿基米德原理、物體漂浮原理和科學(xué)探究的理解,促進(jìn)了工程問(wèn)題的解決.

在制作簡(jiǎn)易密度計(jì)的活動(dòng)中,需要用數(shù)學(xué)的方法測(cè)量和展示,可見(jiàn)科學(xué)與數(shù)學(xué)之間的聯(lián)系是非常顯著的.