STEM情境下的初中科學課堂的構建
——以教學“水的浮力”為例

（杭州市錢塘新區義蓬中學，浙江 杭州 311225）

在科技迅速發展的今天，STEM 的提出以及應用不僅改變了傳統課堂單純講授以及以掌握學習目標為教學根本目的的現狀，也對學生自主、探究等學習能力的培養以及學生綜合素養的形成起著非常重要的作用。所以，在當今的初中科學課程的教學過程中，教師要做好教材的深入研究，要通過 STEM 情境的創設以及相對應的 STEM 教學目標的設計來為學生的全面發展做好保障。因此，本文筆者結合“水的浮力”這節課的教學對如何構建 STEM 情境下的初中科學課堂進行論述，以確保學會生在自主、交流、探究以及推理等課堂活動中獲得全面的發展。

一、什么是 STEM 情境

所謂的STEM是由科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）的英語首字母組成，目的就是要將相關的學科融合在一起，以此來培養學生的綜合素養，改變傳統的思維習慣。而 STEM 情境是指在教學的過程中，教師要通過 STEM 情境的創設來引導學生進入到一定的場景當中，通過問題的思考探究以及相關活動的組織來為學生綜合素養的全面提升做好保障工作。

二、STEM 情境在“水的浮力”教學中的應用

1.應用情境一

在明確了 STEM 情境的應用原則之后，我們就要結合課堂所教授的內容來進行落實和應用。本文以“水的浮力”這節課的教學為例進行論述。

明確本節課的教學內容，即要讓學生“探究影響浮力大小的因素”，簡單地說，就是要讓學生在實驗操作中掌握這一部分內容。所以，我們將 STEM 教育目標設定為提高學生的動手操作能力、問題探究能力以及合作交流能力等綜合能力，同時，還要確保學生在參與課堂活動中形成STEM 綜合素養。具體的課程開展過程如下。

首先，組織學生結合教材內容先回答下面幾個問題。

（1）大膽猜測哪些因素能夠影響物體的浮力大小？嘗試進行解釋。

（2）探究影響浮力大小的因素這一實驗中都需要用到哪些實驗用品？

（3）為什么人在死海中能夠浮起來？

（4）大輪船的浮力大還是小輪船的浮力大？

實驗之前我們可以先組織學生在小組內針對這四個問題進行討論，鼓勵學生從浮力的概念以及相關的知識入手來進行猜測，目的就是要通過這一問題交流和獨立思考的過程來培養學生的探究能力，繼而，為學生創新意識的培養以及科學素養的提升打好基礎。

接著，給學生布置一項工程，也就是要讓學生完成一個工程項目，其實在水的浮力這一內容的教學中就是要組織學生以小組為單位進行實驗，通過實驗裝置連接以及相關的分析來達到培養學生工程素養以及技術素養的目的。因此，在“探究影響浮力大小的因素”這一實驗中，我組織學生以小組為單位進行工程項目的設計。如：項目的名稱、項目的目的、項目完成需要的保障條件、項目開展的步驟、項目的評價等等。所以，在具體的教學過程中，我先組織學生結合教材內容準備實驗用品，并簡要本次實驗的思路以及步驟。

之后，組織學生按照實驗的步驟進行操作，借助所準備的實驗用品進行操作。

（1）通過借助彈簧測力計測出木塊的重力；

（2）將木塊的一部分放在水里，并借助彈簧測力計記錄示數；

（3）通過改變木塊在水里的深度，即：將木塊淹沒在水里，并記錄下彈簧測力計的示數；

（4）通過將木塊淹沒在濃鹽水里，記錄彈簧測力計的示數；

學生結合教材內容自主對這一項目進行操作，并思考下面幾個問題：

（1）為什么要設立這四個實驗？每一個實驗的目的是什么？

（2）為什么要借助控制變量法來進行該實驗？能夠說明什么？

（3）步驟二和步驟三之間的比較能夠說明什么？

（4）步驟三和步驟四之間又能說明什么？

鼓勵學生大膽地進行猜測，并說出自己的觀點和看法，同時自主對不同步驟中木塊的受力情況進行分析，以確保學生在自主完成這一項目中形成基本的實驗技術素養以及實驗完成項目的工程素養。而且，學生在自己搭建裝置、自主實驗操作中對科學這門課學習的態度也會逐漸變得積極一些，進而，為學生課堂參與度的提高也有密切的聯系。

最后，組織學生對四組實驗的數據進行分析和比較，并得出本次實驗的結論，即：浸在液體中的物體，所受浮力的大小與其排開液體的體積和液體的密度有關系，之后，通過對液體中物體受力情況的分析以及數據的推理，我們可以得出 F 浮=G排液，這也是我們通常所說的阿基米德原理。

綜上整個過程可以看出，我們先組織學生對相關的問題進行思考和探究，目的就是要通過對問題的解決來培養學生的科學素養，使學生在探究中樹立起創新意識。之后，組織學生以小組為單位獨立設計實驗、操作實驗、分析實驗，這樣的過程其實就是培養學生實驗能力和技術操作能力的過程，也是學生完成工程項目的過程，簡單地說就是，學生就像一個工程師一樣去思考問題，對小組成員進行合理分工，對各種實驗工具進行合理利用等，并對實驗的結果進行猜想和預判，最后，通過數據的測量、分析、計算等都是利用數學進一步解釋現象。可見，整個過程中學生不僅是這堂課的主人，而且，還在參與活動、設計實驗、操作實驗、處理實驗數據、得出實驗結論的過程中形成基本的 STEM 綜合素養，最終，也為學生的各方面能力的鍛煉和提高做好保障。

2.應用情境二

在以往的初中科學課堂實驗中，一般都是教師主導課堂，學生為教學的輔助者，教學過程通常為教師演示實驗、學生觀看、教師提問和學生回答的模式，中間存在大量填鴨式教學內容，師生、生生之間的互動性較低，不利于學生科學思維的發展。基于 STEM 情境下，教師要通過創設豐富的實驗自學、互學和展學活動，激發學生的合作探究精神，讓他們積極地融入思考中。“水的浮力”這節課的教學重點為指導學生初步學會做水的浮力的實驗，能夠通過實驗現象來探究水的浮力，教學難點則是指導學生認識沉到水底的物體也會受到水的浮力作用。在創設STEM 教學情境中，我們利用了另外一種方法。

教師準備好實驗教具，包括水槽、彈簧秤、乒乓球、薄膜塑料塊以及多媒體資料等；為了體現學生的主體性，為他們準備了學具水槽、彈簧秤、玩具潛水艇、鐵塊、小石塊等。教學導入中，先讓學生觀看我國潛水艇海上執行任務的過程，將沉浮錄像片段展示給學生，然后提出問題：“潛水艇為什么能夠靈活沉入和浮出水面？”給予他們幾分鐘的時間，同桌或者前后桌之間展開討論，我發現學生的答案是千奇古怪的，有的認為是“潛水艇的質量很輕，容易浮在水面上，在下沉是的時候是通過某種力壓迫它下沉”，也有的學生認為是“潛水艇中間是空的，就像船一樣漂浮在水上，在下沉的時候自動用水充滿空殼”，通過學生的回答，我明確了他們對浮力有基本的認識，但停留在表面上，由此制定下一步的教學目標。

根據學生實驗探究的學情和對浮力的認識，設計了相關的浮力實驗。

在課堂上，教師首先將小石塊和乒乓球等放在水中，讓學生觀察實驗，然后讓學生自己結合學具演示重的物體和輕的物體在水中有什么不同，最后讓學生將手中的乒乓球往下按，試一試有什么感覺？乒乓球能夠漂浮在水面上，說明它受到了一種什么樣的力？讓學生之間再次討論，最后師生一塊得出結論：物體處在水中時，會受到一種向上托起的力，這就是浮力。

很多學生認為沉到水底的物體不會受到浮力的作用，為此提出問題并設計實驗。

（1）浮在水面上的物體會受到浮力作用，沉到水底的物體會不會受到浮力作用？

（2）物體在水中或者空氣中時，受到的力有什么不一樣內？

教師指導學生設計實驗：讓學生用彈簧秤勾住石塊，分別將其放在水中和空氣中，觀察彈簧秤的讀數有什么不同，放在水中不同位置，彈簧秤讀數是否也會發生變化。最后讓學生匯報實驗結果并提出問題：“小石塊在水中的讀數為什么會變小？是浮力的作用結果么？”將學生分組，合作探究得出答案，這個時候教師暫不指導。

為了更深入地讓學生知道浮力的存在，再次提出問題并設計實驗：“用什么樣的方法可以讓小石塊在水中和空氣中的讀數一致呢？”，學生通過合作探究，得出：“可以用手輕輕地在空氣中上托石塊”。學生匯報完成后出示 PPT 內容，繼續提問：“小石塊在水中時，我們并沒有用手托住石塊，為什么彈簧秤的讀數也變小了呢？這個現象說明了什么？”，通過這一系列讓學生直觀感受浮力的實驗設計，最后學生徹底明白了沉在水中的物體也會受到浮力的作用。

雖然學生對浮力的概念、特點有了初步的認識，但是很多學生并不清楚浮力到底與什么有關，為此設計了如下的教學過程。

（1）前面的實驗，我們都清楚了在水中的物體都會受到浮力的作用，但是為什么有的會漂在水面上，有的會沉到水底呢？

（2）影響浮力大小的因素有哪些呢？

針對學生的疑惑，教師結合 PPT 中潛水艇的例子，做出總結：物體的重力大于浮力時就會往下沉，反之則會向上浮起，結合浮力的影響因素，向學生進行關于游泳知識的講解，提高其安全意識。關于浮力的素材來源于生活，最終也要服務于實踐中，在教學的最后，教師展示浮力在生活中的一些應用情境。

①組織學生利用多媒體觀看浮力的一些影像，比如浮橋、戰車、輪船和救生圈等。

②讓學生分組進行玩具潛水艇的探究實驗，提高他們對科學的興趣，激發個性。

③讓學生根據自己的經驗，舉例說出生活中有關浮力的例子，并介紹浮力是有用的還是有害的。

在課堂的最后階段，為了檢查學生的知識運用能力，讓學生自己設計鋁片的形狀，自由地改變大小，要求一塊可以浮在水面上，一塊則沉入到水底，提高他們對浮力應用的深入認識，發展科學素養。

在“水的浮力”STEM 情境教學片段二中，教師與學生的角色發生了一些變化，整個教學都圍繞學生的興趣愛好和學情展開，讓他們通過合作探究的方式設計有關浮力的實驗，不僅提高了其動手科學能力，更重要的是提高了其學習興趣，豐富了實驗探究過程。此外，在教學評價中，教師也要適當地轉變評價機制，摒棄“唯成績論”的思想，通過不斷地觀察學生的課堂表現，激發他們的情感和個性，要從科學探究能力、小組協作能力、實驗設計過程、辯證思維等方面給予學生評價，讓他們發現自己在學習中存在的優勢和不足，從而做到揚長避短，提高科學探究的能動性。

三、STEM 情境在應用中需要注意的問題

STEM 情境的應用不僅能夠鍛煉學生的問題解決能力和合作交流能力，而且，對學生科學探究意識的培養以及 STEM 素養的提升都起著非常重要的作用。但是，在實際的應用落實當中還是存在一些問題需要我們注意，具體如下。

第一，學生主動性不夠。也就是說，在 STEM 情境的創設中教師雖然設置問題，創設了情境，而且，STEM 每項都涉及的比較明確，但真正讓學生參與的時間很短，尤其是在問題的思考和交流中，很多教師為了節省時間根本沒有給學生留出時間進行思考，導致一些問題情境的價值根本沒有發揮其作用，也不利于學生 STEM 綜合素養的提升。

第二，教師對 STEM 的理解不到位，尤其是 T 和 E，也就是技術和工程，簡單地說就是，一些教師將工程理解為“建筑工程類”，很難將工程素養與科學課程中的物理知識、化學知識或者是生物知識結合在一起，導致 STEM 情境的創設價值得不到最大化實現，學生的綜合素養也得不到有效的提升。

當然，除了上述兩個問題之外，還包括教師對教材內容的挖掘問題以及教師專業素養的問題等，這些都在不同程度上影響著 STEM 模式應用價值的實現，也不利于學生學科素養的全面提升。所以，在日后的實踐應用中，教師要做好研究，通過各種問題的改進以及完善來確保學生在 STEM 情境下的科學課堂中獲得全面發展。

四、結語

STEM 情境下的初中科學課堂應該是有助于課改基本理念落實的，也應該是有助于學生 STEM 綜合素養的提升的。所以，新時期的科學教師要借助這一模式的應用來打破傳統，調動學生的學習興趣，繼而，使學生在合作、探究、動手操作以及獨立思考的過程中養成良好的學習習慣，同時，也確保課程改革在一步步實現的過程中學生的綜合能力也得到鍛煉和培養。