STEM情境下的初中科学课堂的构建——以教学“水的浮力”为例

（杭州市钱塘新区义蓬中学，浙江 杭州 311225）

在科技迅速发展的今天，STEM 的提出以及应用不仅改变了传统课堂单纯讲授以及以掌握学习目标为教学根本目的的现状，也对学生自主、探究等学习能力的培养以及学生综合素养的形成起着非常重要的作用。所以，在当今的初中科学课程的教学过程中，教师要做好教材的深入研究，要通过 STEM 情境的创设以及相对应的 STEM 教学目标的设计来为学生的全面发展做好保障。因此，本文笔者结合“水的浮力”这节课的教学对如何构建 STEM 情境下的初中科学课堂进行论述，以确保学会生在自主、交流、探究以及推理等课堂活动中获得全面的发展。

一、什么是 STEM 情境

所谓的STEM是由科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）的英语首字母组成，目的就是要将相关的学科融合在一起，以此来培养学生的综合素养，改变传统的思维习惯。而 STEM 情境是指在教学的过程中，教师要通过 STEM 情境的创设来引导学生进入到一定的场景当中，通过问题的思考探究以及相关活动的组织来为学生综合素养的全面提升做好保障工作。

二、STEM 情境在“水的浮力”教学中的应用

1.应用情境一

在明确了 STEM 情境的应用原则之后，我们就要结合课堂所教授的内容来进行落实和应用。本文以“水的浮力”这节课的教学为例进行论述。

明确本节课的教学内容，即要让学生“探究影响浮力大小的因素”，简单地说，就是要让学生在实验操作中掌握这一部分内容。所以，我们将 STEM 教育目标设定为提高学生的动手操作能力、问题探究能力以及合作交流能力等综合能力，同时，还要确保学生在参与课堂活动中形成STEM 综合素养。具体的课程开展过程如下。

首先，组织学生结合教材内容先回答下面几个问题。

（1）大胆猜测哪些因素能够影响物体的浮力大小？尝试进行解释。

（2）探究影响浮力大小的因素这一实验中都需要用到哪些实验用品？

（3）为什么人在死海中能够浮起来？

（4）大轮船的浮力大还是小轮船的浮力大？

实验之前我们可以先组织学生在小组内针对这四个问题进行讨论，鼓励学生从浮力的概念以及相关的知识入手来进行猜测，目的就是要通过这一问题交流和独立思考的过程来培养学生的探究能力，继而，为学生创新意识的培养以及科学素养的提升打好基础。

接着，给学生布置一项工程，也就是要让学生完成一个工程项目，其实在水的浮力这一内容的教学中就是要组织学生以小组为单位进行实验，通过实验装置连接以及相关的分析来达到培养学生工程素养以及技术素养的目的。因此，在“探究影响浮力大小的因素”这一实验中，我组织学生以小组为单位进行工程项目的设计。如：项目的名称、项目的目的、项目完成需要的保障条件、项目开展的步骤、项目的评价等等。所以，在具体的教学过程中，我先组织学生结合教材内容准备实验用品，并简要本次实验的思路以及步骤。

之后，组织学生按照实验的步骤进行操作，借助所准备的实验用品进行操作。

（1）通过借助弹簧测力计测出木块的重力；

（2）将木块的一部分放在水里，并借助弹簧测力计记录示数；

（3）通过改变木块在水里的深度，即：将木块淹没在水里，并记录下弹簧测力计的示数；

（4）通过将木块淹没在浓盐水里，记录弹簧测力计的示数；

学生结合教材内容自主对这一项目进行操作，并思考下面几个问题：

（1）为什么要设立这四个实验？每一个实验的目的是什么？

（2）为什么要借助控制变量法来进行该实验？能够说明什么？

（3）步骤二和步骤三之间的比较能够说明什么？

（4）步骤三和步骤四之间又能说明什么？

鼓励学生大胆地进行猜测，并说出自己的观点和看法，同时自主对不同步骤中木块的受力情况进行分析，以确保学生在自主完成这一项目中形成基本的实验技术素养以及实验完成项目的工程素养。而且，学生在自己搭建装置、自主实验操作中对科学这门课学习的态度也会逐渐变得积极一些，进而，为学生课堂参与度的提高也有密切的联系。

最后，组织学生对四组实验的数据进行分析和比较，并得出本次实验的结论，即：浸在液体中的物体，所受浮力的大小与其排开液体的体积和液体的密度有关系，之后，通过对液体中物体受力情况的分析以及数据的推理，我们可以得出 F 浮=G排液，这也是我们通常所说的阿基米德原理。

综上整个过程可以看出，我们先组织学生对相关的问题进行思考和探究，目的就是要通过对问题的解决来培养学生的科学素养，使学生在探究中树立起创新意识。之后，组织学生以小组为单位独立设计实验、操作实验、分析实验，这样的过程其实就是培养学生实验能力和技术操作能力的过程，也是学生完成工程项目的过程，简单地说就是，学生就像一个工程师一样去思考问题，对小组成员进行合理分工，对各种实验工具进行合理利用等，并对实验的结果进行猜想和预判，最后，通过数据的测量、分析、计算等都是利用数学进一步解释现象。可见，整个过程中学生不仅是这堂课的主人，而且，还在参与活动、设计实验、操作实验、处理实验数据、得出实验结论的过程中形成基本的 STEM 综合素养，最终，也为学生的各方面能力的锻炼和提高做好保障。

2.应用情境二

在以往的初中科学课堂实验中，一般都是教师主导课堂，学生为教学的辅助者，教学过程通常为教师演示实验、学生观看、教师提问和学生回答的模式，中间存在大量填鸭式教学内容，师生、生生之间的互动性较低，不利于学生科学思维的发展。基于 STEM 情境下，教师要通过创设丰富的实验自学、互学和展学活动，激发学生的合作探究精神，让他们积极地融入思考中。“水的浮力”这节课的教学重点为指导学生初步学会做水的浮力的实验，能够通过实验现象来探究水的浮力，教学难点则是指导学生认识沉到水底的物体也会受到水的浮力作用。在创设STEM 教学情境中，我们利用了另外一种方法。

教师准备好实验教具，包括水槽、弹簧秤、乒乓球、薄膜塑料块以及多媒体资料等；为了体现学生的主体性，为他们准备了学具水槽、弹簧秤、玩具潜水艇、铁块、小石块等。教学导入中，先让学生观看我国潜水艇海上执行任务的过程，将沉浮录像片段展示给学生，然后提出问题：“潜水艇为什么能够灵活沉入和浮出水面？”给予他们几分钟的时间，同桌或者前后桌之间展开讨论，我发现学生的答案是千奇古怪的，有的认为是“潜水艇的质量很轻，容易浮在水面上，在下沉是的时候是通过某种力压迫它下沉”，也有的学生认为是“潜水艇中间是空的，就像船一样漂浮在水上，在下沉的时候自动用水充满空壳”，通过学生的回答，我明确了他们对浮力有基本的认识，但停留在表面上，由此制定下一步的教学目标。

根据学生实验探究的学情和对浮力的认识，设计了相关的浮力实验。

在课堂上，教师首先将小石块和乒乓球等放在水中，让学生观察实验，然后让学生自己结合学具演示重的物体和轻的物体在水中有什么不同，最后让学生将手中的乒乓球往下按，试一试有什么感觉？乒乓球能够漂浮在水面上，说明它受到了一种什么样的力？让学生之间再次讨论，最后师生一块得出结论：物体处在水中时，会受到一种向上托起的力，这就是浮力。

很多学生认为沉到水底的物体不会受到浮力的作用，为此提出问题并设计实验。

（1）浮在水面上的物体会受到浮力作用，沉到水底的物体会不会受到浮力作用？

（2）物体在水中或者空气中时，受到的力有什么不一样内？

教师指导学生设计实验：让学生用弹簧秤勾住石块，分别将其放在水中和空气中，观察弹簧秤的读数有什么不同，放在水中不同位置，弹簧秤读数是否也会发生变化。最后让学生汇报实验结果并提出问题：“小石块在水中的读数为什么会变小？是浮力的作用结果么？”将学生分组，合作探究得出答案，这个时候教师暂不指导。

为了更深入地让学生知道浮力的存在，再次提出问题并设计实验：“用什么样的方法可以让小石块在水中和空气中的读数一致呢？”，学生通过合作探究，得出：“可以用手轻轻地在空气中上托石块”。学生汇报完成后出示 PPT 内容，继续提问：“小石块在水中时，我们并没有用手托住石块，为什么弹簧秤的读数也变小了呢？这个现象说明了什么？”，通过这一系列让学生直观感受浮力的实验设计，最后学生彻底明白了沉在水中的物体也会受到浮力的作用。

虽然学生对浮力的概念、特点有了初步的认识，但是很多学生并不清楚浮力到底与什么有关，为此设计了如下的教学过程。

（1）前面的实验，我们都清楚了在水中的物体都会受到浮力的作用，但是为什么有的会漂在水面上，有的会沉到水底呢？

（2）影响浮力大小的因素有哪些呢？

针对学生的疑惑，教师结合 PPT 中潜水艇的例子，做出总结：物体的重力大于浮力时就会往下沉，反之则会向上浮起，结合浮力的影响因素，向学生进行关于游泳知识的讲解，提高其安全意识。关于浮力的素材来源于生活，最终也要服务于实践中，在教学的最后，教师展示浮力在生活中的一些应用情境。

①组织学生利用多媒体观看浮力的一些影像，比如浮桥、战车、轮船和救生圈等。

②让学生分组进行玩具潜水艇的探究实验，提高他们对科学的兴趣，激发个性。

③让学生根据自己的经验，举例说出生活中有关浮力的例子，并介绍浮力是有用的还是有害的。

在课堂的最后阶段，为了检查学生的知识运用能力，让学生自己设计铝片的形状，自由地改变大小，要求一块可以浮在水面上，一块则沉入到水底，提高他们对浮力应用的深入认识，发展科学素养。

在“水的浮力”STEM 情境教学片段二中，教师与学生的角色发生了一些变化，整个教学都围绕学生的兴趣爱好和学情展开，让他们通过合作探究的方式设计有关浮力的实验，不仅提高了其动手科学能力，更重要的是提高了其学习兴趣，丰富了实验探究过程。此外，在教学评价中，教师也要适当地转变评价机制，摒弃“唯成绩论”的思想，通过不断地观察学生的课堂表现，激发他们的情感和个性，要从科学探究能力、小组协作能力、实验设计过程、辩证思维等方面给予学生评价，让他们发现自己在学习中存在的优势和不足，从而做到扬长避短，提高科学探究的能动性。

三、STEM 情境在应用中需要注意的问题

STEM 情境的应用不仅能够锻炼学生的问题解决能力和合作交流能力，而且，对学生科学探究意识的培养以及 STEM 素养的提升都起着非常重要的作用。但是，在实际的应用落实当中还是存在一些问题需要我们注意，具体如下。

第一，学生主动性不够。也就是说，在 STEM 情境的创设中教师虽然设置问题，创设了情境，而且，STEM 每项都涉及的比较明确，但真正让学生参与的时间很短，尤其是在问题的思考和交流中，很多教师为了节省时间根本没有给学生留出时间进行思考，导致一些问题情境的价值根本没有发挥其作用，也不利于学生 STEM 综合素养的提升。

第二，教师对 STEM 的理解不到位，尤其是 T 和 E，也就是技术和工程，简单地说就是，一些教师将工程理解为“建筑工程类”，很难将工程素养与科学课程中的物理知识、化学知识或者是生物知识结合在一起，导致 STEM 情境的创设价值得不到最大化实现，学生的综合素养也得不到有效的提升。

当然，除了上述两个问题之外，还包括教师对教材内容的挖掘问题以及教师专业素养的问题等，这些都在不同程度上影响着 STEM 模式应用价值的实现，也不利于学生学科素养的全面提升。所以，在日后的实践应用中，教师要做好研究，通过各种问题的改进以及完善来确保学生在 STEM 情境下的科学课堂中获得全面发展。

四、结语

STEM 情境下的初中科学课堂应该是有助于课改基本理念落实的，也应该是有助于学生 STEM 综合素养的提升的。所以，新时期的科学教师要借助这一模式的应用来打破传统，调动学生的学习兴趣，继而，使学生在合作、探究、动手操作以及独立思考的过程中养成良好的学习习惯，同时，也确保课程改革在一步步实现的过程中学生的综合能力也得到锻炼和培养。