中学物理验证型STEM教学模式——以“测量物质的密度”教学为例

刘健智 刘新武 马瑛瑛，2

(1. 湖南师范大学物理与电子科学学院,湖南 长沙 410081; 2. 广东省三水华侨中学,广东 佛山 528100)

随着智能制造时代的到来,世界各国都非常重视复合型、技能型与创新型人才的培养,因此STEM专业人才的培养应运而生．STEM是由科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)的首字母组成．我国也重视STEM教育,如教育部出台的官方文件:《基础教育改革与发展的决定》明确“加强初中分科课程与综合课程相结合的改革”;《教育信息化“十三五”规划》鼓励跨学科学习并在其中应用信息技术即进行STEM教育,全国各地也积极响应并正在进行STEM教育模式的探索,出现了很多成功的案例．[1]

1 物理教学融入STEM教育:合适路径

当前,STEM教育的具体实施有3种课程路径:一是独立的选修课程;二是一门综合课程;三是基于某一学科的教学方式、教学模式或策略．[2]笔者认为,第一种路径增加了学生的负担且受益的学生受到限制;第二种路径在中学实施难度较大,只适合于小学阶段;第三种路径克服了前两者的问题,教师可以灵活地进行教学设计,将STEM教育融入学科教学之中．[1]笔者前期研究也表明,最合适的融入STEM教育的学科是中学物理,其可行性表现在: ① STEM教育与物理教学联系紧密; ② 物理实验已体现了科—工整合思想; ③ 大量教学内容可渗透STEM教育理念,同时我们探讨了3条中学物理教学中的具体实施融合的路径．[3]物理课程的目标就是注重学生能力的培养,以提高全体学生的科学素养,促进其核心素养的养成为己任,以“注意学科渗透,关心科技发展”为课程理念．[4]实际上,当初美国教育工作者提出STEM教育的目的就是要让学生的理工素养得到提升．

因此,运用STEM教育理念组织物理教学,创新物理教学模式,值得我们尝试与实践．

2 物理教学融入STEM教育:教学模式

将STEM教育渗透到中学物理教学中,该采取怎样的教学模式,如何进行教学设计,笔者赞同谢丽、李春密的观点:在物理教学中,由于要达到S、T、E、M 4门学科高度融合实属不易,现实操作性不太强,教师可以根据所选取的课题有针对性地融合2至3门学科,这样也可防止STEM教育的形式化．[5]傅骞把STEM教育应用模式分成验证、探究、制造、创造4大类．[6]笔者认为,这正是物理教学融入STEM教育的4个阶段——从“验证”的初级阶段,到“探究”的过渡阶段,再到“制造”的高级阶段,最终到“创造”的终极阶段——逐步将学生从“技能型”培养成“创造型”人才．

上述的培养STEM人才的4个阶段,符合循序渐进的原则．创造力的培养,作为STEM教育的最终目标,不是一蹴而就的．我们要研究什么教学时段、哪些教学内容可以开展验证型、探究型、制造型、创造型STEM教学,并构建每个阶段的教学模式．通常在初学物理时开展验证型STEM教学．本文构建了中学物理教学中的“验证型”STEM教学模式,并以初中物理“测量物质的密度”进行案例说明．至于其他3种STEM教学模式,后续进行研究．

3 物理验证型STEM教学模式的构建

STEM教育与验证性实验相结合就构成了验证型STEM教学．传统的验证性实验是对诸如物理定理、规律和定律等结论的证明.这些结论大家普遍公认,实践检验其是真实的,一般不可被推翻．[7]而验证型STEM教学,除了验证已知结论外,还可能要对某种现象或猜想进行验证,从而发现自己的假设或者认识是否正确,如果不正确,就提出新的假设并再一次进行验证．

3.1 教学目标

(1) 培养学生的实验好奇心.

提高初中生的STEM兴趣是开展STEM教学的首要条件,特别是对刚接触物理的初中生来说更为重要．验证型STEM教学通过学生亲自实验验证某种假设,能够提升其好奇心,有了好奇心才能发现生活中的现象并提出有质量的科学问题,才会积极参入STEM课堂．例如,有好奇心的学生会观察到经过头发摩擦的气球能粘在墙上,然后提出问题:多次与头发摩擦的气球是否更易粘在墙上?影响气球粘在墙上的难易程度与头发的哪些因素有关?等等．

(2) 训练学生的跨学科思维.

例如,在上述气球粘附在墙上的问题中,学生可能会预测有一个结果:黏附时间随摩擦次数的增多而增长,进而进行对这个观测结果的验证活动．这个实践活动就是验证型STEM教学活动,它的教学意义表现在:首先,学生认识到猜想的正确性需要有科学的实验依据,进而科学认知思维得到了训练;其次,学生们会发现解决问题还需要借助一些技术,如VR虚拟技术、平面绘图、3D打印等;要分析和计算需要数学知识;有时还需要机械构造、材料加工、电气工程等知识,这样就帮助学生建立了跨学科的思维．

3.2 基本要素

基于上述教学目标,笔者构建的验证型STEM教学模式包括提出问题、提出假设、验证假设(包括设计实验、进行实验)、分析论证、总结交流等5个基本要素．

(1) 提出问题.

问题尽量由学生提出．但对于初中生来说,一般由教师提出,问题要:联系生活实际;紧扣物理教材;难易程度适当;符合认知特点．

(2) 提出假设.

假设要让学生在自己的认知基础上合理地提出．如果学生遇到困难,教师可以积极引导,不能直接告知学生．

(3) 验证假设.

验证假设可细分为设计实验和进行实验．首先要学生自行设计方案,包括:准备所需的物品或设备;画出实验装置图或拟出证明思路;构思实验步骤或技术路线;设计记录数据的表格等．然后,分小组对方案进行评估,包括:是否可行;成本高低;安全与否;意义大小等．

(4) 分析论证.

对收集的数据进行处理．为了便于观察,利用电脑软件如微软Excel制作图表,使数据的呈现更直观．在制作图形中,一般需要对直线或曲线进行拟合,学生也熟悉了电脑技术;也巩固了如何计算平均值、有效数字、科学计数法等数学知识．最后,根据实验结果与假设之间的关系:完全支持、部分支持、彻底否定你原来的假设?

(5) 总结交流.

对于实验结果完全支持假设的实验,教师引导学生反思“新学到哪些知识”“操作的注意事项”等,然后撰写一份实验报告．对于实验结果未能完全支持假设的实验,引导学生对全过程进行反思后,重新对方案进行设计、进行实验,直到解决问题．当然,也可以反思“假设”是否存在问题或错误．

以上能叫要素,不能叫环节,因为实际上的验证型STEM教学活动不一定完全按照上述程序进行,可以少于或者多于上述要素,要素间的程序也可以变化或者交替使用．如果机械呆板地照搬上述操作程序,除了可能无法完成实践活动，最关键的是固化了学生的思维从而限制学生的创造性,这恰好与STEM教育的宗旨背道而驰．

4 教学案例设计:测量物质的密度

4.1 设计意图

充分体现验证性活动与STEM教育的整合．

验证性.两个活动: (1) 检测小吃摊使用的油的健康与否; (2) 鉴别石头的种类．活动内容贴近生活,学生感兴趣,让学生通过活动掌握测量物质密度的物理方法．

STEM:该案例侧重数学与科学的融合,包括密度的概念,长度的测量,单位的换算,密度的计算等．

该案例的科学方法是运用密度知识对油的种类进行鉴别,判断是否是地沟油．教师首先播放鉴别地沟油的微视频,在了解一些先进且快速的诸如色谱检测、质谱检测、测量电导率等鉴别技术之后,学生的科技视野得到拓展,体现了技术与科学融合的STEM教育的主要特点．

4.2 教学分析

(1) 教学内容分析．在教学安排上,该活动案例承上启下:在上一节学习了密度后继续学习物质密度的测量,为下一节“密度与社会生活的联系”作好铺垫．基于教材,不依赖于教材,通过与生活联系紧密的知识内容的重构,选择验证型STEM教学模式,符合八年级学生的认知水平,降低了学习难度,培养了学生的观察、动手和问题解决的能力,训练了跨学科思维能力．

(2) 学习者分析．8年级刚学习物理的学生,通常感觉物理知识很抽象,而且要用到数学工具,同时还要通过实验证明物理结论,因此学习起来有一定的难度．但学生已经学过了质量、密度等概念,因而为本案例STEM教学活动的开展夯实了物理知识基础．

4.3 设计思路

教师创造条件,学生主动参与验证型STEM活动．小组成员间交流合作、动手实验,鉴别地沟油和矿石的类别,完成教学目标．验证活动中涉及到的STEM的学习内容如表1所示．

表1 “测量物质的密度”涉及的STEM内容

4.4 活动设计1:测量样品油的密度

4.4.1 设计意图,教学目标

学会发现和提出问题、选择有趣的验证性课题;会设计解决问题的方案;通过活动掌握液体密度的测量方法;培养运用相关的物理、化学、数学知识和技术手段解决实际问题的能力．

4.4.2 创设情境,激趣引题

教师播放“地沟油新闻”的微视频,内容包括: ① 从路边小吃摊,到大排档,甚至到高级餐馆,地沟油被不良商家用于各种食物的制造; ② 地沟油的提炼方法及其原材料; ③ 地沟油的危害．

4.4.3 开展活动,验证实验

(1) 提出问题:学校或家庭附近的餐饮店使用的油会是地沟油吗?

(2) 提出假设:是．

(3) 设计实验．小组成员讨论,设计验证方案．

合作交流:地沟油与色拉油在气味和颜色上的差异不明显,因此肉眼无法辨别,但可以利用上节课学习到的密度知识,尝试测量样品油的密度．

器材准备:样品油,烧杯,量筒,天平．

实验步骤: ① 设计出表格(表2); ② 测出数据; ③ 将数据填入表格; ④ 计算样品油的密度．

表2 样品油的密度的测量数据

教师提问:如何使用量筒?

教师启发:量筒的： ① 单位标度?② 分度值?③ 量程?④ 正确读数方法?

观察交流:读数时,不同的视线位置测出的油的体积的数据有稍许的差别．

教师总结:使用量筒要“一看二放三读”:先看分度值和量程;再放在水平台桌上;视线平视液面读数．

(4) 进行实验.

查阅资料:利用互联网或图书资料查得:地沟油密度为0.94 g/cm3～0.96 g/cm3;色拉油密度为0.90 g/cm3～0.93 g/cm3．

学生操作实验,收集数据．教师巡视启发,指导帮助,重点放在量筒和天平的规范使用上．

(5) 分析论证．各小组把数据填进表格,计算密度;将结果与查得的密度值对比,验证假设:样品油是否是地沟油．

(6) 总结交流．教师总结活动过程,纠正学生的不规范操作,培养学生严谨的科学态度;提醒学生清洗量筒和烧杯,培养安全意识．学生反思自己的实验操作,纠正一些不当的做法．

4.5 活动设计2:测量一矿石的密度

4.5.1 设计意图,教学目标

学会发现和提出问题、选择有趣的验证性课题;会设计解决问题的方案;通过活动掌握固体密度的测量方法;培养综合运用相关学科知识和技术手段解决实际问题的能力．

4.5.2 创设情境,激趣引题

图1 矿石

教师展示在路边拾到的一块“石头”(图1),让同学们帮助其鉴别这是哪种矿石．

4.5.3 开展活动,验证实验

(1) 提出问题:矿石的种类如何鉴别．

(2) 提出猜想:石灰岩?铁矿?铜矿?等等．

(3) 设计方案.

合作交流:测量其密度,再与一些矿石的密度对比,矿石的种类就鉴别出来了．

提出问题:如何测量体积?

小组合作:采集小组实验所需的样品．

方案1:首先要得到形状规则的矿石,如长方体,这时要用到手持式切割机;然后用直尺测量出样本的长宽高,最后算出体积．

方案2:用锤子敲出样品,再利用量筒测量其体积．具体方案: ① 记下量筒中水的原来的体积V1; ② 用细线系好样品,将其完全浸没或沉入水中,但不要溢出,记下此时量筒的读数V2; ③ 计算样品的体积V=V2-V1．

(4) 评估方案.

方案1中规则的样品很难得到．方案2更适合实际情况,应用范围更广．

改良方案2:用锤子容易损坏矿石,因此还是用切割机获得样品,不必样本形状规则．

通过方案2的实践,我们学会了形状不规则固体的体积的测量方法,这种方法叫排水法．排水法在以后的学习或生活中还会经常用到．

(5) 实施方案.

查阅资料:学生设法查出一些矿石的密度,按照数据的一定顺序制作出表3．

表3 常见矿石的密度值(从小到大排列)

学生分组操作,收集数据．教师巡视启发,适时帮助,重点指导学生使用切割机,提醒学生注意安全．

(6) 分析论证．完成表格4,计算出矿石样品的密度,验证自己的猜测是否正确．

表4 矿石样品密度的测量数据

(7) 总结交流．小组之间交流后,发现改良后的方案二更简便、更迅速,并总结实验中的注意事项．

5 对验证型STEM教学模式的反思

物理验证型STEM教学模式下的课堂是否高效?

所谓高效课堂,是指在相同的教学时量内,学生能够落实更多的教学目标．新课程下,特别是STEM教育理念下的物理课堂,不仅仅要让学生建构起物理观念,更要让学生的科学思维、科学探究、科学态度与责任等物理学科核心素养得到提升,同时还要培养学生的多学科知识的融合和技术手段的应用能力,提升学生解决问题的能力,为学生创造力的培养做出应有的贡献．

以“测量物质的密度”的验证型STEM教学为例,虽然比传统的一个课时增加了一个课时,但根据上述高效课堂的界定,它却是高效的,因为它落实的教学目标比传统的教学多出了很多,简单地说,表现在:问题具有生活情境,解决好问题具有挑战性;学生觉得物理有用,成就感和自我效能感得到增强;解决实际问题的能力得到培养,发散性思维能力得到训练,多学科知识的融合意识和能力得到增强;学会了生活中经常用到的切割机的使用,培养了动手能力,提升了安全意识;实验验证活动中,训练了学生的问题、证据、解释、交流等与科学探究有关的能力．以上这些教学内容,都体现了物理学科核心素养目标得到了落实．

因此,中学物理验证型STEM教学模式下的课堂是高效课堂．