基于STEM-SOS模式下的初中物理復習課設計
——以“浮力”復習為例

陳嫻敏

(福建省福州第十八中學,福建 福州 350025)

STEM-SOS教學模式是一個以國家相關標準作為重點的一種K-12階段的STEM教學模式,以項目學習和探究學習作為基礎,通過設計和完成項目,彰顯以教師為引導,以學生為中心的教學特點.項目的主題源自于學生在生活中遇到的問題,涉及到科學(Science)、技術(Technology)、工程(Engineering)、數學(Mathematics)領域,以及社會(Social Study)和英語語言藝術(English language Arts)的知識與技能[1].在STEM-SOS模式中,以項目延伸學生學習體驗,加深對理論與概念的理解,掌握分析問題、探索解決問題的方法,為高階段的學習奠定基礎.

初中物理教師應基于以學生為主體的課堂教學,以難點突破視角重新設計復習課,在“浮力”復習中,以此為出發點開設復習課,能讓學生在復習中體會到物理的樂趣,發揮出復習課“溫故而知新”的作用,提高物理知識水平.

1 巧妙設計層次問題,激起學生復習動力

STEM-SOS模式下的初中物理“浮力”復習課,教師可圍繞“浮力”設計一系列層次性問題,激活學生思維的同時激起復習舊知識的動力,利用不同層次的問題引導學生,確保問題指向浮力產生的本質,將抽象化的浮力知識變得更為具體,使其在問題導向下更好地理解與掌握浮力相關內容[2].設計層次性問題時,應當堅持由簡及繁、由淺及深、由易到難的基本原則,為學生帶來引人入勝的感覺[3].

比如,教師可以設計以下問題:浮力產生的原因是什么?物體的沉浮條件是什么?浮力的定義是什么?大小和方向呢?阿基米德原理的內容、公式、適用條件分別是什么?浮力有哪幾種計算方法?利用這些問題讓學生主動回顧與浮力有關的理論知識,使其進一步理解阿基米德原理、物體的浮沉條件及應用等,有效提升教學的效果.

2 利用情境展開復習,分析浮力產生的原因

在這一環節,筆者先創設一個新的情境,提出問題:福建和臺灣直線距離為130公里,連接福建和臺灣最快的交通方式是什么?你有什么新的設計方案能最快地來往福建和臺灣?通過情境激發學生的學習熱情,學生提出各種想法,比如飛機直航、修建直通大橋等.接著,老師利用多媒體設備播放一段世界上最長的海底隧道——港珠澳大橋的視頻,簡單介紹修建方法,因其超大的建筑規模、空前的施工難度和頂尖的建造技術而聞名于世,激起學生的愛國之情.接著提出問題,我們為閩臺海底隧道做哪些設想?海底隧道如何建成呢?通過提問,學生討論,喚起浮力知識.接著展示材料信息:每一節密封的長方體沉管長、寬、高分別是180 m,35 m,10 m,總質量是6×107kg.當密封沉管灌水下沉到海底后,將其下半部分埋入海底的泥沙中,再將灌入的海水全部抽出,此時空心密封沉管不會再上浮.

問題:請你用浮力的知識解釋下半部分埋入海底泥沙中的密封沉管不會再上浮的原因?

激發學生原有知識:浮力產生的原因是上下表面壓力差.在這個情境下,學生回答出答案:長方體沉管下半部分埋入海底的泥沙中,底部沒有水,F向上=0,沉管不受浮力.為了讓學生強化對浮力產生原因的理解,老師馬上播放王亞平太空授課實驗:太空浮力消失實驗.通過前面的記憶喚醒和重組問題,學生能很快的回答出在太空失重狀態下,沒有重力,就沒有壓力,就不存在壓力差,因此太空中浮力消失.

利用問題引導學生理解浮力產生的原因——壓力差法,再通過王亞平太空授課中,浮力消失的實驗視頻強化他們對浮力產生原因這一知識的認識,對浮力產生的本質原因有了更深的理解.在復習中,通過創設全新的情境,研究貼近實際生活和太空授課的浮力現象,利用生動、直觀的實驗將枯燥乏味的課堂練習以明了清晰的動態化樣式呈現出來,讓學生在情境中觀察、思考、分析與處理,不斷鍛煉他們的思維能力,突破浮力這一難點.

3 運用情境推進復習,進行浮力計算訓練

浮力問題比較常見的一種題型就是相同物體在液體中處于下沉、懸浮、漂浮三種狀態,比較物體受到浮力的大小關系[4].計算浮力的方法有阿基米德法、稱重法與受力分析法,有的問題比較復雜,僅僅依靠一種方法難以解決,學生應具備綜合應用多種計算方法的能力,才能夠準確、高效解題.在本環節中,教師可這樣設問[5].

問題:畫出漂浮在海面上的密封沉管所受的力,漂浮在海面上的密封沉管在灌水前受到的浮力是多少牛頓?

通過作圖題的訓練,學生馬上想到用受力分析法解決該題.因為漂浮,所以F浮=G物,學生能很快的通過分析計算得出正確答案.

問題:當往密封沉管灌水使其下沉到上表面剛好水平浸沒在海水中時,注入的海水重力至少為多少牛頓?

這道題,主要訓練學生鞏固復習阿基米德原理法F浮=G排=m排g=ρ液gV排解題,特別引導學生強化m排g這個推導公式.

在定性比較浮力這類試題中,除在研究同一物體在不同液體中浮力的大小關系以外,還存在兩種情況,即為不同體積、同質量的物體在同一液體中的浮力大小關系;不同質量、同體積的物體在同一液體中的浮力大小關系.在本環節中,教師把這兩種情況整合到一起,通過一些細節分析引導學生選擇適當的方法展開分析與解題[6].

4 加工抽象物理模型,順利轉化實際情境

在此環節中,教師提出問題:通過港珠澳大橋海底隧道一施工現場,如圖1所示,畫出主船體將長方體沉管放入水至全部浸沒的過程中,主船體所受浮力隨物體浸入水中的深度變化的圖像.

隔離法:如圖2對沉管浮力分析,沉管下放至浸沒,V排先增大后不變,根據阿基米德原理可知沉管受到浮力先增大后不變.

圖2 沉管浮力 圖3 主船體和沉管總體受力分析

整體法:如圖3對主船和沉管受力分析,總重不變,因為漂浮,總的浮力不變.因此,在沉管下降過程中,主船體受到的浮力先變小后不變,如圖4所示.

圖4 主船體所受浮力隨深度關系

這一問題對學生的綜合能力要求更高,在解題過程中涉及到浮力大小的影響因素、平衡法求浮力、整體法和隔離法受力分析的綜合應用,能讓學生在復習課中鍛煉和提升學習能力[7].

在充分利用港珠澳大橋的材料引入浮力知識的復習后,讓學生采用頭腦風暴式的思維導圖,將浮力復習的知識體系進行梳理,如圖5所示.

圖5 浮力知識思維導圖

5 適當拓展情境教學,提升學生探究能力

利用海底隧道素材,復習浮力的幾種解法后,通過一道綜合的計算題,涉及浮力、密度、液體壓強、圖像等問題,強化學生分析問題、歸納問題、解決問題的能力.

在水平桌面上放置一個底面積為100 cm2,質量為400 g的圓筒,筒內裝有16 cm深的某液體,彈簧測力計的下端懸掛著一個底面積為50 cm2的金屬柱,當金屬柱從液面上方逐漸浸入液體中直到全部浸沒時,彈簧測力計的示數F與金屬柱浸入液體深度h的關系如圖6所示．(圓筒厚度忽略不計,筒內液體沒有溢出)

圖6 彈簧測力計示數與浸入液體深度圖像

求:(1)金屬柱浸沒時受到的浮力大小;

(2)該液體的密度大小;

(3)金屬柱浸沒時,水對容器底的壓強比未放入金屬柱前增加了多少?

前面各環節利用海底隧道素材,引領學生自主復習浮力知識,本環節順理成章地進行定量計算,通過分析圖像數據,不僅可以讓學生回顧求解浮力的幾種方法,還能夠鍛煉他們綜合分析的能力.

總之,基于STEM-SOS模式下的初中物理復習教學,教師需要將知識置于實際情境中,轉變以往傳統落后復習模式的束縛與禁錮,通過鞏固知識復習、激發思維、題型訓練、重難點突破,結合“浮力”相關知識的特征科學制定復習計劃,以學生為主體,提升復習的質量和效率.