基于STEM理念的初中物理綜合實(shí)踐活動
——以“制作簡易的密度計”為例

(江蘇省蘇州市立達(dá)中學(xué)校,江蘇 蘇州 215000)

2015年教育部在《關(guān)于“十三五”期間全面深入推進(jìn)教育信息化工作的指導(dǎo)意見(征求意見稿)》中首次提出探索STEM教育模式，STEM課程是一種基于項(xiàng)目的學(xué)習(xí)方式,一般以解決工程問題為主線,提高學(xué)生的科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等方面的素養(yǎng)。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》(以下簡稱《新課標(biāo)》)提出：注重全體學(xué)生的發(fā)展,改變學(xué)科本位觀念,提倡學(xué)習(xí)方式的多樣化,注重學(xué)科滲透,從生活走向物理,從物理走向社會。物理課程的基本理念和STEM教育理念是一致的，筆者從自身教學(xué)實(shí)踐出發(fā),以蘇科版八年級物理下冊第十章綜合實(shí)踐活動“制作簡易的密度計”為例,談?wù)勅绾螌TEM教育融入實(shí)踐活動中,從而提高學(xué)生的核心素養(yǎng)。

1 巧變?nèi)S目標(biāo),加強(qiáng)四維素養(yǎng)

《新課標(biāo)》要求教學(xué)設(shè)計立足三維目標(biāo),分別是知識與技能、過程與方法、情感態(tài)度價值觀。筆者在細(xì)讀《新課標(biāo)》后,從四維素養(yǎng)視角確立了體現(xiàn)STEM教育要求的教學(xué)目標(biāo)。

S(科學(xué)):掌握阿基米德原理和排水法測體積的技能;通過對漂浮物體的受力分析,理解同一密度計在不同液體中受到的浮力是相等的;運(yùn)用控制變量法,探究提高密度計測量準(zhǔn)確程度的方法。

T(技術(shù)):解決讓柱形物體在不同液體中豎直漂浮的問題。

E(工程):根據(jù)任務(wù)單,利用不同的器材,測量鹽水的密度,從而理解密度計的原理;利用吸管、鋼珠和刻度尺制作簡易密度計。

M(數(shù)學(xué)):推導(dǎo)密度計浸入各種液體中深度h的表達(dá)式;結(jié)合反比例函數(shù)及其圖像,理解密度計刻度不均勻的原因;推導(dǎo)密度計相鄰刻度線間距Δh的表達(dá)式。

2 任務(wù)式驅(qū)動，體驗(yàn)工程設(shè)計之過程

2.1 引入

讓學(xué)生觀察同一個大蒜在水和鹽水中漂浮的照片,找出兩張圖片的區(qū)別,思考形成原因。

學(xué)生回答:大蒜漂浮在鹽水中時露出液面的體積比漂浮在水中時多。

引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合阿基米德原理和二力平衡條件進(jìn)行公式推導(dǎo)，因?yàn)镕浮液=G，所以ρ液gV排液=mg，V排液=m/ρ液。當(dāng)m一定時,ρ液越大,則V排液越小,體現(xiàn)了學(xué)生的科學(xué)和數(shù)學(xué)素養(yǎng)。

2.2 利用量杯、水和大蒜,測量鹽水的密度

學(xué)生討論與交流后,提出如下解決思路:大蒜在兩種液體中都是漂浮的,因而它受到的浮力相等。結(jié)合阿基米德原理做如下推導(dǎo):因?yàn)镕浮液=F浮水，所以ρ液gV排液=ρ水gV排水，得到：ρ液=ρ水V排水/V排液。

點(diǎn)評:同一物體漂浮在不同液體中時受到的浮力相等,這是密度計原理中最重要的等量關(guān)系,體現(xiàn)了尋找不變量這一數(shù)學(xué)思維。學(xué)生采用排水法，用量杯分別測出V排水和V排液,即可算出鹽水密度。

2.3 利用刻度尺、水和一個圓柱形空桶,測量鹽水的密度

學(xué)生交流后提出:用刻度尺測出圓桶底部直徑，計算出底面積,再分別測出小桶漂浮在水和鹽水中時底部所處的深度,算出V排,即可計算出液體密度。引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)公式，因?yàn)棣岩?ρ水V排水/V排液，所以ρ液=ρ水(Sh排水)/(Sh排液)=ρ水h排水/h排液。

通過公式推導(dǎo),學(xué)生發(fā)現(xiàn)測量圓桶底部直徑這一步驟是沒有必要的,體現(xiàn)了工程設(shè)計思維。

一個設(shè)計方案是否合理,需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證、評估,并在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)方案。學(xué)生將圓桶放入水中,發(fā)現(xiàn)小桶不能直立漂浮。

教師啟發(fā)學(xué)生思考:小桶無法直立漂浮會造成什么影響？學(xué)生回答:如果小桶不能直立漂浮,V排≠Sh排,從而無法得到等式ρ液=ρ水(Sh排水)/(Sh排液)=ρ水h排水/h排液。

學(xué)生們從“大蒜漂浮在水中時,大頭始終朝下”這一現(xiàn)象獲得啟發(fā),他們想到:在小桶底部放入適量配重,使小桶的重心變低,可使它豎直漂浮。

通過這一過程的學(xué)習(xí),學(xué)生不僅加深了對科學(xué)概念的理解,還培養(yǎng)了他們的數(shù)學(xué)和工程素養(yǎng)。改進(jìn)方案后,測出h排水=6.4cm,h排液=5.8cm，算出鹽水的密度為1.10g/cm3。

2.4在圓柱形小桶側(cè)面貼上刻度尺貼紙,將其改造成一個能直接讀出多種液體密度的工具

有學(xué)生提出:1.0g/cm3和1.1g/cm3這兩根刻度的間距為0.6cm,能否以0.6cm為間隔等距離標(biāo)注其他刻度線？學(xué)生往往基于原有認(rèn)知來解決新問題，初二學(xué)生依次學(xué)過6種測量工具的使用，它們是:溫度計、刻度尺、秒表、量筒、托盤天平和彈簧測力計。這些測量工具刻度線之間的間隔是相等的,或者說刻度是均勻的,因而學(xué)生提出以上想法并不奇怪。教師如果立刻否決這個想法,并告知學(xué)生正確的標(biāo)注方法,不利于提高學(xué)生的素養(yǎng)。筆者選用密度為0.8g/cm3的無水酒精進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果讓學(xué)生很意外:小桶底部在酒精中的深度為8.0cm,看來等距法標(biāo)注是不正確的。

引導(dǎo)學(xué)生將等式稍作如下變形:因?yàn)棣岩?ρ水h排水/h排液，所以h排液=ρ水h排水/ρ液。ρ水和h排水已知,只需將需要標(biāo)注的液體密度ρ液代入就可算出對應(yīng)的h排液(如表1)。

表1

通過完成以上任務(wù),學(xué)生對密度計的制作方法有了大致的了解,知道測出h排水是制作密度計的關(guān)鍵。接下來,筆者讓學(xué)生自己動手制作密度計,以提升學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。

2.5 利用吸管和鋼珠自制密度計

提供的實(shí)驗(yàn)器材為:水,量筒1個,粗吸管A、中等吸管B、細(xì)吸管C各一根(三根吸管質(zhì)量相等,一端密封,且貼有刻度尺貼紙)和20顆小鋼珠。

學(xué)生第一次制作密度計,表現(xiàn)得小心翼翼,他們先放入較少數(shù)量的鋼珠,發(fā)現(xiàn)吸管不能豎直漂浮。經(jīng)過多次嘗試和總結(jié)經(jīng)驗(yàn),逐步解決問題,學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)得到提升。各小組選擇的吸管不一定相同,放入的鋼珠數(shù)量也不盡相等,因而各組的數(shù)據(jù)存在差異，在教學(xué)中分享了兩個小組的數(shù)據(jù)(如表2和表3)，小組甲選用了細(xì)吸管C、放5顆鋼珠，小組乙則選用了粗吸管A、放6顆鋼珠，表2是小組甲數(shù)據(jù)，表3是小組乙數(shù)據(jù)。

表2

表3

3 從實(shí)驗(yàn)到理論,體現(xiàn)數(shù)理結(jié)合之美

指導(dǎo)學(xué)生將表2、表3的數(shù)據(jù)輸入Excel表格,生成散點(diǎn)圖表,“添加趨勢線”，畫出h-ρ圖像(如圖1)。

圖1

各小組根據(jù)本組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并結(jié)合表2、表3及對應(yīng)圖像,討論得出結(jié)論:(1) 密度計刻度線不均勻,不能用等距法標(biāo)注其他刻度線,也不能用等分法得到更小數(shù)值的刻度線;(2) 密度計上的刻度值,越往上數(shù)值越小、刻度線越疏,越往下數(shù)值越大、刻度線越密。

對數(shù)字敏感的學(xué)生還發(fā)現(xiàn):(1) 以1.0g/cm3和0.8g/cm3這兩根刻度線為例,小組甲的兩線間距為2.6cm,小組乙則為1.5cm;(2) 深度h與液體密度ρ的函數(shù)關(guān)系圖像類似于反比函數(shù)圖像。

結(jié)合各組選用的器材有差異這一現(xiàn)象,學(xué)生提出以下兩個猜想:(1) 兩刻度線的間距Δh可能與密度計的總質(zhì)量m和吸管橫截面積S有關(guān)。(2) 深度h與液體密度ρ可能成反比。

3.1 運(yùn)用實(shí)驗(yàn)探究規(guī)律

如何用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證猜想(1)？學(xué)生通過思考,做出如下設(shè)計:(1) 在粗細(xì)不同的吸管中放入相同個數(shù)的鋼珠,研究Δh與S的關(guān)系;(2) 在同一個吸管中,放入不同個數(shù)的鋼珠,研究Δh與m的關(guān)系;(3) 用水和無水酒精(0.8g/cm3)作為樣本,記錄密度計在這兩種液體中的深度,并計算出Δh。

學(xué)生設(shè)計表格,分組實(shí)驗(yàn),分析數(shù)據(jù)后得出以下結(jié)論:(1) 當(dāng)密度計總質(zhì)量m一定時,橫截面積S越小,兩根刻度線的間距Δh越大;(2) 當(dāng)密度計橫截面積S一定時,總質(zhì)量m越大,兩根刻度線的間距Δh越大。

控制變量法是常用的科學(xué)研究方法，學(xué)生運(yùn)用控制變量法設(shè)計實(shí)驗(yàn),然后進(jìn)行實(shí)驗(yàn),收集信息,分析數(shù)據(jù),培養(yǎng)了學(xué)生分析、解決問題的能力,提升了學(xué)生的物理和數(shù)學(xué)素養(yǎng)。

3.2 數(shù)學(xué)演繹，推導(dǎo)公式

學(xué)生進(jìn)一步推導(dǎo),可驗(yàn)證猜想(2)，因?yàn)閂排液=m/ρ液，所以Sh排液=m/ρ液，即：h排液=m/(Sρ液)。

對于同一支密度計，m、S一定,設(shè)k=m/S,則h排液=k/ρ液,可證明猜想(2)正確。同時,學(xué)生還發(fā)現(xiàn)：對該等式作變形處理,就可從理論上證明猜想(1)，Δh=h排水-h排液=m/(Sρ水)-m/(Sρ液)=(1/ρ水-1/ρ液)m/S，可以發(fā)現(xiàn):兩根刻度線的間距Δh的大小由密度計的質(zhì)量m和橫截面積S的比值決定。

4 結(jié)語

我們現(xiàn)有的STEM項(xiàng)目大多數(shù)從國外引進(jìn),這些項(xiàng)目的設(shè)計可能比較成熟,但不一定適用于國內(nèi)的教學(xué)進(jìn)度和教學(xué)內(nèi)容,這就需要我們學(xué)科教師積極地開發(fā)適合中國國情的STEM課程。物理學(xué)科作為自然科學(xué)的重要分支,實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)科的基礎(chǔ),很多實(shí)驗(yàn)教具需要教師和學(xué)生動手制作,將STEM的理念引入課堂,物理學(xué)科具有天然的學(xué)科優(yōu)勢。

當(dāng)然,完全按照STEM的模式教授每一節(jié)物理課是不現(xiàn)實(shí)的,我們可以將STEM的理念融入部分章節(jié)的教學(xué)中,把多學(xué)科的素養(yǎng)有機(jī)結(jié)合起來。在蘇科版初中物理教材中有九章安排了“綜合實(shí)踐活動”，這些“綜合實(shí)踐活動”都需要學(xué)生靈活運(yùn)用整章甚至多章的知識點(diǎn),利用身邊的器材動手制作,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。我們可以按照STEM的課程模式,重新設(shè)計這些“綜合實(shí)踐活動”,從而幫助學(xué)生增強(qiáng)多種知識和技能的遷移能力,提升他們科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)素養(yǎng)。