基于STEM教育理念的核心概念课程开发举隅

蔡呈腾

摘    要：在当前初中科学课程内容、资源等条件下，开发基于STEM教育理念的核心概念教学课程，是提高学生科学核心素养的重要途径。结合STEM教育理论对浮力、密度、杠杆等科学核心概念的教学，从课程目标、内容、实施和评价四个角度阐述课程开发过程。课程立足于科学概念与工程、技术以及数学的有机结合，通过创造性的选择材料和应用科学原理，经过工程设计和数学运算，最后动手实践，制成彩球温度计、浮力秤、密度秤、密度筒和密度天平。

关键词：STEM;核心概念;课程开发

当前，国内基础教育界大力推广STEM教育理念和实践，STEM教育研究和实践非常火热。但在火热的背面，也存在着不同意见与纷争。结合国内外对STEM教育研究的热点问题，主要的争论围绕着四个方面：一是STEM教育自身的相关理论;二是STEM教育研究方法运用;三是STEM教育发展变革方向;四是STEM教育课程教学研究。对于中小学教师来说，我们更多地是关注STEM教育课程教学研究的路向。

在还不太可能大规模、大范围地对现有课程进行改革的情况下，要彻底实践全科式的STEM教育理念，就需要对当前的教学进行跨领域的整合性。这里的“整合”不光是STEM包含的科学、技术、工程和数学四个领域的整合，也包含解决问题的方法与教师资源的整合。也就是学生在解决问题时可以融合各领域的特点，创造出独特的解决方案。[1]对初中科学学科来说，最好的整合方式是科学核心概念的教学与STEM教育理念整合的模式。这种模式通过共同的科学核心概念整合STEM各学科，按照技术与工程课程标准，聚焦核心概念，融合真实情境，整合科学探究与工程设计进行教学实践。[2]

初中科学课程内容中，一些科学核心概念可以与工程、技术和数学结合，成为STEM教育的“新课程”，如利用浮力、密度、杠杆等科学核心概念，通过一定的设计、加工与制作，形成一种可以测量质量、重力、密度、温度等的工具。学生通过整体项目的开发、设计、制作、使用、评价等，提高科学核心素养。

结合著名的“泰勒原理”[3]，科学核心概念与STEM教育理念整合的课程开发按照课程目标、课程内容、课程实施和课程评价四个方面进行阐述。

一、STEM教育理念的核心概念课程目标

STEM教育理念的核心概念课程的最突出特征是项目式学习（project based learning）。它是通过一个项目，让学生主动地去探索现实世界的问题和挑战，在这个过程中领会到更深刻的知识和技能。如本文阐述的“制作温度计”“制作浮力秤”“制作密度秤”“制作密度筒”“制作密度天平”等项目开发过程，情境真实，能培养学生的创造力，需要学生团队合作和领导力，以及动手能力、计划和执行项目的能力。这些能力正符合《中国学生发展核心素养》所阐述的“学生应具备的，能够适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力”[4]。当然，在培养、锻炼这些能力时，完成项目过程中就蕴含着学习科学核心概念，如阿基米德原理、物体沉浮条件、杠杆原理和密度公式等。

二、STEM教育理念的核心概念课程内容

课程內容选择能把相关科学核心概念和数学融合到技术、工程当中来，而技术与工程的制作与材料选择等，都是基于学生学力水平和认知能力，适合在课内完成的（或者需要课外的补充）“项目”。

1.认识彩球温度计

核心概念：浮力知识。

课程材料：彩球温度计。

课程内容：探究彩球温度计的工作原理，并利用此工作原理设计一个单球温度计。

2.浮力秤的制作

核心概念：浮力的知识。

课程材料：去底柱体空饮料瓶，圆柱形筒（水槽）、50克钩码2个、金属垫片、有刻度的纸条、刻度尺等。

课程内容：利用浮力知识，以去底柱体饮料瓶制作一个浮力秤，在饮料瓶体上标上相应的质量刻度，并用它称量物体质量。

3.密度秤的制作

核心概念：浮力、密度的知识。

课程材料：水、煤油、密度为1.2克/厘米3的食盐水溶液、弹簧测力计、刻度尺、笔、纸、金属块等。

课程内容：将普通的弹簧测力计改装为可以直接用来测液体密度的密度秤，将弹簧测力计上的刻度改为密度的刻度。

4.密度筒的制作

核心概念：浮力、密度的知识。

课程材料：小型透明柱体塑料筒、水槽、钩码（或砂子）等。

课程内容：根据塑料筒漂浮于水面时浮力等于重力的知识，构建“塑料筒中一定体积的不同密度液体质量”与“塑料筒漂浮于水面时浸入水中的深度”之间的关系。

5.密度天平的制作

核心概念：杠杆平衡原理、密度公式等。

课程材料：杠杆、铁架台、小筒、钩码等。

课程内容：根据杠杆平衡原理，构建“小筒中一定体积的不同液体的质量”与“配重产生的拉力的力臂”之间的关系。

三、STEM教育理念的核心概念课程实施

STEM教育理念的核心概念课程实施主要围绕三个层次展开：一是项目原理的学习，二是项目的制作，三是项目的使用。STEM教育理念融合核心概念教学的程度不同，三个层次在实施过程中的侧重点也不尽相同。

1.认识彩球温度计

（1）观察如图1所示的彩球温度计，讨论它的工作原理。

①展示一个彩球温度计，观察不同彩球沉浮情况。打开旁边的电热器，如图2所示，再观察现象，并讨论发生现象的原因。

②如图3所示，分析10个体积相同的彩球在同种液体同一温度下，有些是上浮，有些是下沉的原因。

③判断彩球温度计里各个彩球平均密度与液体密度的关系。

说明：可以引导学生对管中10个彩球逐一进行受力分析。即先分析管中发生沉浮变化的小球的受力情况，找到由于气温变化引起的变化量（ρ液）和不变的量（V排、G球），从而进行原理推导，可以降低彩球温度计工作原理的推测难度。

（2）利用彩球温度计进行读数。

①如图4所示，管中共有10个彩球，如何读数？图5中的气温为多少？

②10个彩球分别都标示出不同的温度，它们标示的示数有何特征？

③如图6所示，并没有小球处于悬浮状态，则气温是多少？

说明：对图6的读数，学生判断为22℃或24℃居多，这时就组织学生讨论，说明读数不是22℃或24℃的原因：这两个小球并非一定处于悬浮状态。

（3）比较彩球温度计与普通气温计的优点和缺点。

引导学生从量程、精确度、携带操作方便度等角度进行比较。其后再提问提高彩球温度计精确度、扩大量程的方法。

（4）如果只给一个小球和其他附属物，如何设计一支温度计？

如果从“原创”的角度来看，这个设计的思维含量高，相当于产品的开发与创造，需要作如图7的引导。

要使小球的重量发生变化，就需要在小球上加入附属物，使小球上的附属物发生变化。所以，希望设计出来的模型如图8所示。

当外界温度升高时，液体密度减小，轻质小球受到的浮力变小，则小球会下沉，小球下面的金属链条拉直部分变短，相当于总重量就小，小球又重新处于平衡状态，此时指针所指的刻度就是液体的密度。

2.浮力秤的制作

（1）播放《曹冲称象》动画视频，问：如果你是曹冲，如何向大臣们解释石头的质量等于大象的质量？

（2）讨论浮力秤的结构与组成。提供器材如图9所示：去底柱体空饮料瓶，圆柱形筒（水槽），50克钩码2个，金属垫片，有刻度的纸条，刻度尺等。

①饮料瓶在水中不能竖直在水面上怎么办？

②零刻度怎样确定？

③最小刻度值（分度值）和最大刻度（量程）怎么标？

（3）给浮力秤加上刻度。

①在塑料瓶上标出50克的刻度位置。

②推测100克刻度位置，你推测的依据是什么？

说明：在0到50克向上等距处标上100克，如图10所示。

理论推导如下：

m0g=F浮0=ρ液gV排0…①

式①中m0代表去底柱体饮料瓶加配重的质量;V排0为漂浮于水面排开水的体积。

m0g+mg=F浮=ρ液gV排=ρ液g（V排0+Sh）…②

式②中m为被测物体的质量;S为去底柱体饮料瓶瓶身的横截面积;h为被测物体放入后瓶身浸入水中的深度，即称量时0刻度到液面的距离。

将式②减去式①，则有：

mg=ρ液gSh，即m=ρ液Sh…③

由此可知，待测物体的质量m与h成正比，所以刻度是均匀的。

③通过操作，检测各小组所标示的100克刻度是否准确。

（4）讨论如何使测量仪器更精确？

说明：发给学生的去底柱体饮料瓶，横截面积各不相同。在展示各小组的刻度时，让学生评价各刻度特征，并进行比较，会发现刻度的疏密程度不同。

（5）若将水改为酒精，会带来哪些影响？

说明：将水改为酒精，会减少量程，故可设问增大量程的方法。

（6）为自制的浮力秤写一份产品说明书。此任务可作为家庭作业。

3.密度秤的制作

（1）实验引入：在弹簧测力计下挂一个体积为100厘米3的铝块，将铝块分别浸没在水、煤油、盐水中，如图11所示，观察现象，寻找规律。

（2）如果将弹簧测力计改装为密度秤，如何确定0刻度？

（3）在弹簧测力计上标上密度为0.8克/厘米3和1.0克/厘米3，并推测1.2克/厘米3的刻度位置。你的依据是什么？

说明：当学生完成这两项任务后，对学生的“作品”进行比较，分析它们的异同点。

可给每小组提供的金属块的质量或密度等不同，这样，在组织学生讨论提高密度秤精确度时，给学生创造发现问题的机会。

推测1.2克/厘米3刻度位置的原理推导：

F拉=G-F浮=G-ρ液gV排得：ρ液=[GgV排]-[1gV排]F排

上式中，G为金属块的重量，是常量;V排是金属块浸没在液体中的体积，也是常量;所以上式是ρ液关于F拉的一次函数，图像是一条直线，如图12所示。

此推测对密度秤原理进行梳理与应用，分析刻度是否均匀。可从理论与实验两个角度去推导与验证。

（4）讨论如何提高密度秤的精确度和量程？

说明：密度秤的精确度与弹簧测力计自身的精确度有关，此外选择密度大的金属块也可以提高精确度;提高金属块的重量可以增大量程。

4.密度筒的制作

（1）现有一杯未知密度的液体，给你一根筷子和若干铁丝，比较它们的密度大小。

说明：根据密度计原理，用如图13的方法判断，其中甲的密度小于乙。

（2）现给你小筒、水、配重（砂子），如何制作一个密度秤？要求待测液体放在小筒内。

①这个密度筒的原理是什么？

②0刻度如何標示？

③0.8克/厘米3和1克/厘米3的刻度如何刻？

（3）若倒入小筒的待测液体的体积改变了，刻度还一样吗？两者有何区别？通过实验比较。

（4）该浮力密度计的刻度是均匀的吗？为什么？

说明：m0g=F浮0=ρ水gV排0…①

式①中m0代表小筒加配重的质量;V排0为漂浮于水面排开水的体积。

m0g+mg=F浮=ρ水gV排=ρ水g（V排0+Sh）

…②

式②中m为待测液体的质量;S为小筒的横截面积（柱体）;h为被测液体倒入后小筒浸入水中增加的深度，即0刻度到液面的距离。

将式②减去式①，则有：

mg=ρ水gSh，即m=ρ水Sh…………③

ρ液V0=ρ水Sh………………………④

式④中，V0为倒入小筒的液体体积，是一个定值。所以有：

ρ液=[ρ水SV0]h

由上式可知，待测液体的密度ρ液与h成正比，所以刻度是均匀的。

（5）请列表比较此密度筒与现实生活中的密度计的优缺点。

5.密度天平的制作

（1）利用一根杠杆、小筒（内可装体积为V0的液体），配重（已知重量为mg）、铁架台，请利用此材料，设计一个密度天平。

①密度天平的原理？

②如何标上0刻度？

③请在图15的杠杆上标上0.8克/厘米3和1克/厘米3的刻度，推测1.2克/厘米3的刻度，并用已配好的1.2克/厘米3的食盐水验证。

（2）请从理论上推导其刻度是否均匀？

m0g·OA=mg·L0…①

（m0+ρ液V0）g·OA=mg·（L0+L）…②

②式减去①式后整理得：

ρ液=[mV0·OAL]…③

由③式可知，液体的密度与长度L成正比，所以杠杆上的刻度是均匀的。

（3）如何改变密度天平的量程、精确度？

说明：从式③可知，改变配重m、小筒内液体体积V0以及OA和杠杆的长度等，都会改变精确度和量程。

（4）评价密度天平。

说明：密度天平的最大特征是多量程和精确度，可按照不同要求进行调整。

四、STEM教育理念的核心概念课程评价

在STEM教育理念的核心概念课程中，除了重视核心概念本身在课堂中的地位之外，还需要合理安排工程、技术和数学在课堂上的含量与比例，充分考虑学生对工程技术和数学的接受程度。《初中科学课程标准》中指出：学生应通过具体的案例和活动来发展初步的技术设计能力，这种能力就包括“能初步按技术设计过程来制作简单的作品或提出设计方案”等[5]。

对五个案例进行对比分析，除核心概念在STEM项目实施过程中相似外，还有诸多不同点，比较如表1。

在具体教学过程中，需要制造一些被学生容易发现的“问题”，从而引发学生思考并解决问题。以浮力秤为例，为引发学生思考“影响精确度的因素”，发给各小组的去底饮料瓶的横截面积不相同，当各小组完成刻度任务之后，对它们的“作品”进行对比分析，从比较中发现问题。

基于STEM教育理念的核心概念教学，目的不是制作一个质量精良的产品，而是通过制作产品这个大项目过程中，发现问题，并通过体验的方式解决问题。

受到原有课程安排的影响，课堂上已经“省略”了诸多给学生提供创造性体验的机会。如以制作浮力秤为例，在课前就需要花大量的時间尝试去选择合适的材料，这其中包括去底柱体饮料瓶的选择和制作、配重的调适、刻度的标示等。从核心概念教学角度来看，这些程序好像并不重要，不需要在课堂上“浪费”时间，但从提高学生科学和工程实践能力的角度，这个不断尝试、选择、取舍的过程，就是最好的实践教育过程。[□][◢]

参考文献：

[1]宋怡，马宏佳，祁宇.STEM 教育愿景中的课程、教学与评价[J].现代教育科学，2017（11）：128.

[2]管光海.基于标准聚焦核心概念的STEM整合教育模式[J].开放教育研究，2017（12）：87-93.

[3][美]泰勒.课程与教学的基本原理[M].罗康，张阅，译.北京：中国轻工业出版社，2008：1-3.

[4]林崇德.中国学生发展核心素养研究报告[DB/OL].https：//m.wang1314.com/doc/webapp/topic/18798625.html.

[5]中华人民共和国教育部.初中科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2011：59-64.