以中考浮力命題為例探究STEM教育理念下的物理教學

陳日維，楊艷敏

福建師范大學物理與能源學院，福州 350117

在積極落實“雙減”政策并全面提高教育教學質量的背景下，僅掌握代用物理公式方式解題顯然不能達到讓學生接受更高質量教育的要求。如何將STEM 理念應用于初中物理教學和考試之中，已經成為我國物理教育工作者熱烈討論的話題［1］。2019年，教育部發布的《關于加強初中學業水平考試命題工作的意見》中指出：應結合不同學科特點，合理設置試題結構，減少機械記憶試題和客觀性試題比例，提高探究性、開放性、綜合性試題比例，積極探索跨學科命題，提高試題情境設計水平。《義務教育物理課程標準（2022年版）》中倡導的“跨學科實踐”包含“物理學與日常生活”“物理學與工程實踐”和“物理學與社會發展”三個二級主題，具有跨學科性和實踐性特點，與日常生活、工程實踐及社會熱點問題密切相關，強調加強課程綜合，開展跨學科主題實踐活動，培養創新型人才，注重“做中學”［2］。

STEM 教育是指將科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數學（Mathematics）融為一體的教育，其學習和教學方式是達成知識再現、聯結、應用、鞏固和生成的有效載體和催化劑，其跨學科整合的教學模式可以促進學生掌握知識與技能并遷移應用于真實問題［3－4］。2014年，國務院發布的《關于深化考試招生制度改革的實施意見》中強調，考試評價體系要求體現學生應用所學知識分析和解決實際問題，讓學生從“解題”發展為“解決實際問題”。因此，建立STEM 引領下的初中物理命題制，既能體現以學生發展為本的核心素養導向下的深化課程改革和評價，又能體現對學生跨學科知識整合與應用的考查，體現從“生活”到“試題”的遷移，再從“試題”到“生活”的升華。2017年衢州中考物理第35 題以建設屋頂光伏電站工程為情境，在引導學生關注社會生產實踐的同時，考查學生對電路連接、歐姆定律、電功和電功率以及地球與宇宙等科學知識的掌握和綜合應用。2018年重慶市中考物理題，將《岳陽樓記》中的“皓月千里，浮光躍金，靜影沉璧”作為題干，以選擇題的形式考查學生對反射、折射等知識的理解。

本文以“雙減”政策實施后的物理中考浮力相關試題為例，以STEM教育理念中的“科學、技術、工程、數學”四個維度為抓手，剖析試題情境、測試目標和評價作用，挖掘命題的育人功能和導向作用，引導與促進初中物理教學質量的提升，以評促教、以評促學和以評育人，切實培養學生的物理核心素養。

1 考情分析

隨著“雙減”政策落地，2022年（“雙減”政策施行后的首年）的物理中考命題也在悄然發生變化，物理考題遵循“依標命題、難度適宜、教考銜接”的原則，重視基礎又有提高，源于教材又有創新，考查全面又有側重，貼近生活又緊跟時代。與壓強、物體的密度等相關的浮力計算是中考物理的重點與難點內容，是中考物理近些年的熱點和重點考查題型。本文充分調研了2022年山東、湖北、福建、廣東、廣西和江蘇等地的中考試卷中浮力相關試題（表1），分析命題特點，發現這些浮力相關命題的情境與工程、技術密切相關，涵蓋了豐富的生活實際、高新科技情境、不同板塊、不同學科的知識，核心考點“隱藏”于命題情境中。雖然試題文字篇幅明顯增加，但計算難度和考點與歷年實質上相差無幾。不過，“雙減”政策下物理中考命題在考查學生的計算和公式運用能力基礎上，更關注學生有效提取信息、構建模型，增強對多學科、寬領域知識整合應用的能力。“雙減”政策實施前的部分教學模式顯然不能滿足新時期下創新品質人才培養的要求，必須要做相應調整。

表1 2022年部分地區中考及模擬考試浮力計算題、綜合題考題情境

2 基于STEM教育理論對中考浮力計算題的深入探討

STEM教育理念旨在解決學科孤立、課本知識碎片化的問題，著力培養學生的創新能力和分析問題、解決問題的綜合素質，與現階段我國正在大力推行的跨學科實踐存在很強的內在關聯。下面將基于STEM教育理論中“S（科學）、T（技術）、E（工程）、M（數學）”四個維度，以浮力內容為切入點，深入剖析初中物理中考試題的考點、情境、難度。

例1（2022年福建中考第24 題）如圖1 是一款能自動沉浮的潛水玩具，正方體潛水器內裝有智能電磁鐵，將它放入裝有水的圓柱形薄壁容器中，容器放置在水平鐵板上，不計容器的重力。潛水器啟動后通過傳感器測出其底部與鐵板間的距離L，自動調節電磁鐵電流的大小，改變潛水器與鐵板間的吸引力F 的大小。閉合開關前，潛水器處于漂浮狀態。閉合開關，潛水器啟動后先勻速下沉，完全浸沒入水中后，變為加速下沉直至容器底部，下沉全過程F 隨L 變化的關系保持不變，水深變化的影響可忽略不計。已知潛水器的邊長為10 cm，重為5 N，容器的底面積為1000 cm2，水深為25 cm。求：

圖1 例1 示意圖

（1）潛水器漂浮時受到的浮力；

（2）下沉全過程潛水器受的重力所做的功；

（3）潛水器沉底靜止后容器對鐵板的壓強。

STEM 理論分析：試題涉及科學、技術、工程、數學四個維度的知識（表2），是一道培養學生形成多學科素養、利用相關綜合知識解決實際問題的典型綜合計算題。試題以常見的潛水器玩具為模型，實際考查了傳感器和電磁感應現象在生活中的實際應用，其中涉及定量分析的科學思想和推理的邏輯方法。學生在掌握浮力、壓強、重力做功相關知識的基礎上，還要深刻理解試題真實的應用模型，突破定量分析運動過程的難點。與此同時，試題重點還是考查學生對浮力、壓強核心考點知識的掌握情況，對于技術上傳感器的工作原理、電流的相關知識、工程上玩具下沉的過程并不是本題的解題關鍵，對于數學能力的考查也只是簡單的代數計算和一次函數的應用。試題中的電吸力可以根據阿基米德原理解答。通過STEM 理論分析，可以看出本題是以科學內容為重點，以技術、工程為背景，以數學知識為基礎的題目組合，解題時應快速檢索信息，分離干擾因素。

表2 2022年福建中考第24 題的STEM 理論分析

例2（2022年山東濱州中考第24 題）建造某跨江大橋時，需將長百米、重千余噸的橋梁從江中吊起，如圖2 施工時采用了將橋梁與水面成一定傾角出水的起吊方案。為了探究該方案的合理性，某學習小組做了以下兩個模擬實驗。水平桌面上放置一個裝有適量水的燒杯，杯的底面積為1×10－2m2，將小金屬板用細線吊著，然后將其浸沒在燒杯內的水中，杯中的水沒有溢出；將同一小金屬板分別與水面平行和與水面成一定傾角從水下緩慢拉出，如圖3 乙、丙所示。在這兩個過程中測力計所受拉力的變化情況，如圖3 中丁圖坐標圖像所示。（g＝10 N/kg，ρ＝1×103kg/m3）求：

圖2 例2 示意圖

圖3 模擬實驗圖

（1）根據實驗數據，實驗2 中最大拉力比實驗1 中最大的拉力減小了多少；

（2）小金屬板的密度；

（3）當小金屬板浸沒水中后，水對燒杯底部增大的壓強。

STEM 理論分析：表3 給出了基于STEM 理論的四個維度的分析。試題不僅是單純的浮力計算題，還涉及到了分子間作用力的知識以解釋最大拉力不等的情況，是一道典型的以工程知識為背景的計算題。工程方面，兩個實驗的結論已在圖形中體現，學生無需了解其中的受力原理，只要抓住圖像突變時對應的物理原因就可以輕松解題。然而，試題蘊含了科學探究中的問題、證據、解釋和交流等要素，注重凸顯“做中學”的育人價值。

表3 2022年山東濱州中考第24 題STEM 理論分析

例3（2022年重慶中考模擬第22 題）智能制造是第四次工業革命的核心技術，如圖4所示是為圓柱體涂抹防護油的智能裝置。其外殼是敞口的長方體容器，距容器底面h0處固定一個支撐板C，C 的中心有一小圈孔，圓柱體放在支撐板C 的正中央。長方體的左下角有注油口，防護油能夠勻速注入長方體容器內部，當油的深度為0.175 m 時，圓柱體剛好浮起離開支撐板C。隨著液面升高，圓柱體豎直上浮，當油面上升到壓力傳感器時，停止注油，此時撐桿的P 點對圓柱體有20 N 的豎直向下的壓力。已知h0＝0.1 m，小圓孔面積S0＝8×10－3m2，圓柱體底面積S＝2×10－2m2，圓柱體重12 N，支撐板C 的厚度不計，g 取10 N/kg。求：

圖4 例3 示意圖

（1）注油前，圓柱體對支撐板C 的壓強；

（2）圓柱體剛好浮起離開支撐板C 時浸入油中的體積；

（3）圓柱體的高度。

STEM 理論分析：本題是基于智控裝置的應用型計算題（表4），試題用油作為液體并且通過注油的方式來逐漸增加浮力，背景較為新穎。學生不僅要應用浮力的知識解題，更要看懂圖片，腦海中構建受力模型。學生在解題時只需要對技術、工程板塊進行了解，題目重點考查了相關物理定理和基礎的數學運算。

表4 2022年重慶中考模擬第22 題STEM 理論分析

3 基于STEM 教育的浮力章節教學啟示

3.1 補充跨學科素材，創設多樣情境

STEM教育理念下，物理試題存在閱讀量增加和情境多變等新趨勢，部分學生存在科學知識面過窄、跨學科間知識遷移性差等問題，無疑將增加試題閱讀理解能力的難度，并影響試題正確解答。因此，適當結合工業與生活情境（如輪船吃水線、潛艇載壓艙等），融入其他學科知識形成跨學科學習材料包（表5），教師從交叉學科角度闡釋物理知識，既能通過學科交叉聯系增加學生的興趣，又可以有效鞏固學生的知識網絡，串聯起學生的知識碎片。

表5 基于STEM 理論的跨學科學習材料包舉例

具體到浮力部分，教師可以引導學生利用所學的浮力和工程知識自行設計、改進潛水艇，或是還原試題情境，將試題本身的情境引用至課堂之中。創造多樣情境可以將教學的重點轉移到對于知識點的深入理解上來，優化原有的設問內容，在教學中補充大量的相關跨學科知識，提供跨學科學習的材料包，進行跨學科實踐活動，如小組形式匯報、試寫科技論文、物化研究成果等新的活動項目，讓學生去主動尋找學科間的知識聯系，增加其知識的厚度。

3.2 培養學生高階思維能力，注重知識應用

試題的新情境還重點考查了學生在思維上的舉一反三、知識的靈活應用能力，物理學習離不開培養學生對于物理概念、習題分析能力的強化，這將決定學生的高階思維能力認知層次中的“分析、評價、創造”三個指標［5－6］。從豐富學生的經歷和體驗入手，在相關事實上獲得抽象結論，由感性到理性，再落實到新情境下相同問題中，列舉“換湯不換藥”的例子，由理性再到感性。如此反復，實現從具體現象的發現逐步升華至物理觀念的建構和科學思維的認知。例如，從“阿基米德測金王冠密度”的故事中可以獲得浮力大小的影響因素，教師可以引導學生學以致用，利用類似的方法測出鐵塊、銅塊的密度，并將此內容設置為STEM 主題的課后調查作業以增加學生實際體驗，可再獲得新的感性認識，這時學生自然就會開始思考實驗過程的設置、結論的收集整理等一系列科學探究過程。

根據2022年物理中考試題分析可知，教師可以在工程技術為背景、科學為重點、數學知識為基礎的模式下編制試題。在日常練習中有意識地培養學生利用STEM 表格的分析方式研究試題，將試題的設問、背景從“科學、技術、工程、數學”四個角度剖析，排除干擾的文字，將核心知識點慢慢剝離出來，找到“科學”部分內容作為核心知識檢索找到解題思路。經過有意識地多次訓練后，學生能自己歸納出考點信息，在后期的復習課中學生也會自主加強對相關章節內容的重點復習。以上是基于STEM 理論，對2022年全國多地市浮力中考及模擬題分析和提升學生解決問題能力的一點教學啟示，以期能在未來的初中物理教學中提供一點參考。