STEM教育与初中物理实践活动的融合教学——以学生制作“弹簧测力计”为例

唐扬英

(淮南市龙湖中学 安徽淮南 232000)

引言

STEM教育起源于20世纪90年代的美国，目前已普遍应用在全世界的中小学教育中。STEM是科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)和数学(Mathematics)四门学科的英文首字母缩写，它不是四科的简单叠加，而是着力于将科学、技术、工程与数学教育进行深度融合，形成有机的整体。它注重通过真实情景下的问题探究，以问题为导向，进行知识的重建和整合，以达到思维的拓展和综合能力的提升，实现创新型人才和技能型人才的培养。2017年我国教育科学院发布了《中国STEM教育白皮书》，提出：STEM教育包括了STEM学科课程和综合课程，让我们的学生从小接受STEM课程教育，是为了建立其系统的知识结构，让其掌握科学的思维方法，培养其良好的思维习惯，在学习过程中，更加注重学生运用所学知识创造性解决问题的能力培养。2018年5月，我国教育科学院再次推出了《中国STEM教育2029创新行动计划》，这标志着我国从基础教育层面落实培养面向未来的科技创新型人才计划已经开始全面正式实施。它提倡STEM教育应该惠及全体学生，以便能够对未来人才的创新思维和科学探究能力进行有效的培养。

《义务教育物理课程标准》在课程性质中指出：作为科学教育的组成部分，作为自然科学的基础课程，义务教育阶段的物理课程的目标是提高全体学生的科学素养。在这一阶段，物理课程不仅应该注重传授科学知识和训练基本技能，而且更应该注重培养学生的学习兴趣、探究能力和创新意识以及科学态度、科学精神等。而这些都与STEM教育理念不谋而合。

下面笔者以具体的课例——制作弹簧测力计，从实践的角度阐述怎样在物理教学中融入STEM教育，通过让学生运用所学知识解决实际问题的方式，提升学生创造性解决问题的能力。

一、教材分析

本课题参考的是沪粤版物理教材八年级下册第六章第二节的课外活动：探究弹簧测力计的原理；制作弹簧测力计。课题设计将橡皮筋换成弹簧，是考虑到实验结果的知识应用拓展，培养学生的工程素养，也是考虑到橡皮筋的弹性限度较小。教材内容如图1所示：

二、设计思路

为了既体现课程标准的基本理念又能与STEM教育理念有效融合，围绕本课题的内容，笔者以学生为本，制定了如下具有针对性的具体的教学目标。

S(科学)：理解胡克定律，知道物体重力与质量的关系。

T(技术)：能够通过实践活动掌握制作弹簧测力计的工艺。

E(工程)：能够设计方案——怎样利用弹簧和其他材料和工具做成一个测力计，并利用自制测力计测量物体的重力。

M(数学)：能够确定并控制变量，得出弹性限度内弹簧长度的变化量与受力大小成正比的规律，利用物体的重力和质量的关系进行换算并标度测力计。

三、具体实施

(一)学生分组

基于以上设计思路，笔者将48名学生，按每组4人，分成了12组。

(二)提出任务一

1.实验引入，聚焦问题

师：由实验可知，对弹簧施力越大，弹簧伸得就越长。弹簧的伸长量与其受到的拉力大小有何关系?

生：弹簧受到的拉力越大，它的伸长量就越大。伸长量可能与受到的拉力大小成正比。

点评：学生根据初步的实验印象及数学知识储备，提出自己的猜想，既体现了学生一定的科学素养又凸显了一定的学科互通意识。

师：今天请同学们利用实验台上的器材，动手验证一下自己的想法是否正确。每个实验桌上有铁架台、棉线、图钉、弹簧、木板、钩码(50克8个)、铁丝、剪刀、硬纸板、刻度尺、钳子等器材。

2.动手实验

学生进行实验，每组都可以将实验器材参照教材图6-20顺利进行组装，实验过程中碰到的小问题，也都可以依靠小组成员间的合作一起解决。在小组间交流时学生们又有了新的发现。

发现一：为什么开始弹簧的伸长量随拉力的倍数变化呈倍数变化，后来当拉力大到一定时就不成正比了呢？

解决问题：

同学之间谈论交流，发现每根弹簧都有各自能承受的限度，超出弹性限度，将不再遵循伸长量与施力大小成正比这一规律。

点评：在处理数据的过程中，有的小组将实验数据列成表格，有的小组将实验数据绘制成了图像，处理数据时学生充分展示了自己的数学功底，感受到数学的支撑作用，无意间打破了学科间的界限，体验“发现”的惊喜。

发现二：虽然同一根弹簧的伸长量确实随拉力的倍数变化呈倍数变化，但当受力相同时，有些弹簧的伸长量并不相等，这是怎么回事呢？

解决问题：

针对问题，各组同学之间进行了实验数据对比，发现相同的弹簧受力相同时，伸长量相同；但当弹簧的原长、材料、粗细及弹簧圈直径有一个不同时，即使受力相同弹簧的伸长量也是不同的。

点评：有了这一意外的发现，学生的兴趣明显增强，特别是在发现多个影响因素后学生的态度更严谨。他们的思维明显活跃了起来。

3.得出结论

经过实验、对比，得出结论：在一定的弹性限度内，弹簧的伸长量与其所受拉力成正比。

他们在经过讨论后还得出：如果弹簧测力计弹簧损坏，更换弹簧必须用相同的弹簧。

点评：实验过程中善于发现问题，并能注意到将数据在组与组之间进行对比，能够确定变量并加以控制，找到问题的症结所在，而后又能由实验的结果马上想到实际问题的解决方案，这不仅仅体现了数学知识的迁移、数学对科学的支撑，也体现了学生的工程素养。

(三)提出任务二

请同学们用掌握的知识和经验，解决生活中如何测量力的大小的问题，自制一个弹簧测力计。

1.动手制作

小组同学讨论后，很快进入制作过程。各组在制作过程中虽然遇到了各种问题，但经过群策群力，他们都很顺利地解决了问题。

问题一：用图钉、细线将弹簧悬挂在木板上时，弹簧与木板间有摩擦。

解决问题：

学生组内讨论交流后，采用了以下方案：方案一,铁钉钉在木板上，线系在钉子上，用线将弹簧挂在钉子下方；方案二，铁钉钉在木板上，用胶带将铁丝固定在钉子上,用铁丝将弹簧挂在铁钉下方；方案三，铁钉钉在木板上，用铁丝将弹簧悬挂在铁钉下方，在钉子两侧绕多匝棉线，避免铁丝滑动。如图2所示。

点评：制作过程中，最初学生信心满满，到后来越来越谨慎，特别是钉钉子时，学生慎之又慎，尽力避免钉子歪了或位置斜了。从结果看，方案一在测量时弹簧容易前后摆动，视觉误差较大。方案二测量时若铁丝旋动，容易造成弹簧伸长与受力不在一条直线上。方案三很好地避免了前两种方案的弊端。在此过程中，学生不仅培养了严谨的制作态度，也提升了技术素养。

问题二：怎样标度弹簧测力计？

解决问题：

学生通过讨论交流后得出：在不受拉力时弹簧下端对应的木板位置标识“0”，然后将已知质量大小的钩码挂在弹簧下端的挂钩上，在弹簧的下端对应的木板位置做出标志，根据G=mg将质量转换成力，在弹簧下端对应木板位置标度力的大小。

点评：学生根据胡克定律和G=mg解决了如何标度的问题，这一过程使得学生对科学概念的理解得到了进一步加深，同时也促进了工程问题的解决。

2.动手实验

学生将自制的测力计悬挂在铁架台上，或用手提着，当弹簧自然伸长时在弹簧下端对应的木板位置标零，然后在弹簧下端的挂钩上按1个、2个、3个……依次挂上钩码，依次在弹簧下端对应的木板位置标出对应拉力的大小。实验中，很多小组都不约而同地选择了4个或5个钩码。学生处理的数据如下表所示：

表1 钩码质量与重力的关系

问题三：弹簧下端与木板间有间距，怎样准确标识？为什么选择4个或5个钩码？

解决问题：

学生发现问题后使用了三角尺、刻度尺或纸张的直角很快解决了这个问题，有的小组直接将笔竖直放置进行标记。在前面实验的基础上，为防止超出弹簧的弹性限度，大多数小组选择4个或5个钩码。

点评：细节决定仪器的准确程度，细节处见态度，细节处体现技术素养。

问题四：请测出一个笔袋的重力，思考如何提高仪器的精确程度。

解决问题：

学生测量过程中发现测量结果误差很大，一起交流讨论后得出：需要进一步分度，分度值越小，测量结果越精确。因为弹簧的伸长量与拉力大小成正比，他们便用刻度尺很快地对测力计进行了分度，并用硬纸板或铁丝制作了指针，将指针固定在弹簧自然伸长状态时的下端指示“0”的位置，然后再次对笔袋进行了测量。

点评：学生通过对刻度的划分、指针的制作进一步提升了技术素养。

3.拓展应用

用测力计分别测量钢笔、剪刀、橡皮等的重力，学生交流实验结果。

点评:学生用一根普通的弹簧经过设计，不仅探究了胡克定律，还制作了一个能测量力的测力计，同时提高了测力计的准确程度，等等，体现了设计过程中的工程学，有利于学生工程素养的提高。

四、评价与反思

在本节课中，笔者努力将STEM教育理念与课堂教学相融合，使STEM教育理念在教学中的各个环节中得以体现。但因受内容难度和课堂时间的限制，本次教学的开放性还不够，在研究胡克定律时，没有完全铺开，对问题的探讨还不够深入，在实验探究过程中学生萌生的很多想法也没有得到实践，对学生自主探究能力的培养还存在着一定的局限性。

五、总结

按照教学设计，笔者较成功地将初中物理课程标准与STEM教育理念进行了融合，完成了预设的教学目标。

S(科学)：制作弹簧测力计活动中所涉及的科学知识有胡克定律、重力与质量的关系，标度时注意量程的制定——不能超出弹簧的弹性限度，利用胡克定律进行分度。学生在实践过程中深刻理解了这些科学知识。

T(技术)：在制作弹簧测力计时怎样减少弹簧与木板的摩擦，怎样才能较准确地固定铁钉的位置，怎样才能让悬挂弹簧的铁丝既灵活又不会前后摆动，怎样才能将弹簧下端与木板上的位置较准确地一一对应，如何确定弹簧测力计的量程，怎样提高仪器的精确程度，操作的过程中要使用哪些工具，怎样有条不紊地进行操作，这些问题的思考和解决，都非常有利于提升学生的技术素养。

E(工程)：学生首先能够明确任务，即探究弹簧测力计的原理，制作弹簧测力计。其次，制订探究方案和制作方案——根据前面胡克定律探究的结果确定所制作弹簧的量程，根据胡克定律对刻度进行划分标识。最后，利用自制的弹簧测力计测量笔袋、橡皮等的重力。从明确任务到制订方案，再到动手操作，优化改进测量工具，提高准确性、精确度，较好地培养了学生的工程素养。

M(数学)：在探究胡克定律的实验中，学生能够将实验数据在组与组之间进行对比，很快地发现并确定变量，从而进行控制变量，通过列表、画图像等方式得出严谨的实验结论。在进行刻度分度时，能够利用重力与质量的关系，将质量与重力进行转换，确定分度的方式方法。这些过程不仅加深了学生对胡克定律、重力与质量关系的认识与理解，也很好地提升了学生的数学素养，为工程问题的解决起到了很好的支撑作用。