将工程教育融入初中物理课堂的教学实践

宋云云 刘剑霜

摘   要：工程教育不仅对国家未来的创新能力和竞争力有决定性影响，而且是人类生存和发展的必要基础。文章以学生实践活动——制作浮沉子和简易密度计为例，试图把工程教育融入初中物理课堂教学中，努力激发和培养学生的工程意识和工程实践能力。

关键词：工程教育;初中物理课堂教学;浮沉子;简易密度计

中图分类号：G633.7 文獻标识码：A     文章编号：1003-6148（2019）12-0061-2

STEM教育即科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科的简称，强调多学科之间的交叉融合。工程教育作为STEM教育的分支，在我国初中物理教学中很少有体现。教师应在教学过程中注重工程教育的融入，在注重科学知识建立的基础上，培养学生问题解决与人工造物的能力，体验工程产品的设计与制作过程。本文从实践层面出发——以苏科版初中物理教材中浮沉子和简易密度计的制作为例，提供一些将工程教育融入物理课堂的思路，阐述怎样在物理教学中融合工程教育，提高学生的工程素养[1]。

1    浮沉子制作：改进优化，唤起工程意识

在制作过程中，学生首先要思考瓶子的硬度、配重等条件对实现上浮和下沉的影响，从而选择制作浮沉子的材料。由于悬浮状态难以掌控，需精确调节小瓶中的水量，学生用滴管多次微调，最终实现悬浮。教师也可引导学生逆向思维，即先让小瓶沉到底，通过向水中不断加盐增大浮力来使其悬浮。学生灵活运用了决定物体浮沉的另一因素——浮力，向水中加盐确实比微调小瓶中的水量操作起来更容易，现象也更直观。此外，还有学生带来了意外的惊喜：将大瓶装满水，瓶口敞开，小瓶漂浮在大瓶瓶口处。盖上大瓶瓶盖，小瓶缓慢下沉。拧开瓶盖，小瓶又上浮。无需挤压瓶身，瓶盖开合就能实现浮沉子的上浮和下沉。通过制作、改进的过程，学生更直观地观察到了浮沉子的浮沉现象，理解了其中的浮沉原理。教师要有意识地给予学生工程研究的机会，激发和培养学生的开放性思维及对产品的优化意识。

2    简易密度计制作：解决工程问题，培养工程能力

制作简易的密度计这一综合实践活动是苏科版初中物理教材2012年新增的，旨在培养初中生的动手实践能力。在实际教学过程中，根据工程设计流程，教师可拟定以下四个问题让学生分组进行合作探究，通过将工程理念融入综合实践活动中，引导学生逐步解决制作中的工程问题，培养学生的工程实践能力。

2.1    明确问题：密度计是如何测量出液体密度的

将鸡蛋放入水中，不断向水中加盐发现鸡蛋漂浮时排开液体的体积越来越小，由此引导学生作出推测：同一物体，它漂浮时排开液体的体积是由液体的密度决定的[2]。通过这一实验向学生讲解密度计的原理这一新知识，建立好科学基础，为制作密度计做好准备。向学生展示做好的密度计，要求学生认真观察其构造，选择合适的材料进行制作（如表1）。

表1  制作材料

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2.2    制定解决方案：如何制作密度计

教师引导学生结合选取的材料大胆构想，对密度计的构成、外观进行整体的设计，并画出简略设计图，结合设计图进行制作。但是，在实际制作过程中，学生会遇到装置底部密封困难、重心难以调节以及不易标度等问题。此时教师要引导学生明确问题，并提出如果你是工程师会如何解决这些问题？促使学生用尽可能多的方式进行讨论与试验，寻找合理的问题解决方案。

对于用橡皮泥封口效果差、用熔化的石蜡易使封口破损等问题，引导学生综合考虑，设计封口方案。对于配重无法确定，装置重心难以调节的问题，引导学生用微调的思想通过多次试验来解决。对以上问题的思考能够有效培养学生的技术素养。对于密度计标度问题，学生首先要根据教材提供的思路，运用数学知识推导出H和h的关系h=■·H，并理解标度的原理。而在实际标度时，学生又会遇到以下问题：在吸管外壁画刻度易被液体冲洗掉。用刀具刻画虽不会被冲洗掉，但印记不清晰，容易造成读数误差，而且若刻画力度掌握不当还可能导致吸管破损渗漏。经过对比思考之后，学生想到可以先用笔在细长的纸条上画上刻度线，再把纸条插入吸管内壁中。因此，教师可建议学生在选择材料时，首先考虑透明吸管，便于读数。然后，使吸管竖直漂浮在水中，在管壁上标出水面位置，即吸管浸入水中的深度H。将标好刻度的密度计浸入不同密度的液体中，测得对应的浸入深度h。表2是其中一组学生进行实验时记录的数据，该组吸管总长15 cm，浸入水中的深度为10 cm。根据标度公式h=■·H，计算出该密度计浸入不同密度的液体时的浸入深度。

表2 液体密度与吸管浸入液体深度

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根据表中的数据，在吸管上标出相应的刻度线（图1）。在密度计制作过程中学生不断思考、探究，促进了一系列工程问题的解决。学生的工程实践能力得到了一定的培养。

2.3    分析解决方案：如何用密度计测量液体的密度

密度计制作完成之后，引导学生对其测量的精确程度进行检验。先用天平和量筒根据ρ=■测出饱和食盐水的密度，再用自制密度计测量[3]。比较两种测量方法哪种更为准确，得出利用密度计测量未知液体密度的便捷性，初步感受工程设计给人类社会和生活带来的便利。之后教师可以引导学生对食油、酱油等液体的密度进行测量，并与水的密度做比较，可以对密度有一个更为感性的认识。

2.4    优化解决方案：如何使测量结果更精确

通过对密度已知液体的测量，发现密度计存在一定的误差。有学生提出可能是配重没有调节到位，可把用作配重的铜丝、铁丝换成订书钉、小钢珠，因为它们大小相同、质量相等，方便对配重进行微调;有学生提出自制密度计的刻度线太密，容易造成读数误差，应将相邻两条刻度线之间的距离增大。由标度公式h=■·H可知，■一定，要使间距Δh变大，可通过增大H来实现。增大H可通过选取更细的吸管使它的横截面积变小来实现。

学生用一根普通吸管经过设计、制作，做成了一个能测量液体密度的仪器，并对仪器误差进行检验、分析，对成品进行了优化，整个过程与工程设计流程相吻合。

将工程教育融入初中物理教学中，让学生成为小工程的制作者，能够让学生体验工程产品的设计与制作过程，从而强化他们的物理概念。这样的工程教育过程为学生营造了独立思考、协作学习、探索创新的良好学习环境，能够激发和培养学生的工程意识和工程能力。

参考文献：

[1]陆卫兵.将STEM教育融入初中物理综合实践活动的教学——以学生进行“简易密度计”制作为例[J].物理教师，2019，40（5）：43-45.

[2]凌严.以“制作简易密度计”为例谈“综合实践活动”的有效开展[J].中学物理教学参考，2016，45（20）：44.

[3]张莉.课外实践 课堂深入 赢素养生长——谈苏科版“综合实践活动——制作简易的密度计”[J].物理教学探讨，2017，35（7）：25-27.

（栏目编辑    张正严）