基于STEM教育理念的初中物理教学设计——以带领学生制作“浮沉子”为例

施 兵

(江苏省灌云县云湖初级中学,江苏 连云港 222200)

1 方案设计

1.1 设计意图,教学目标

1.1.1 设计意图

体现STEM教学和探究式教学的特点.在STEM教学特点方面,侧重科学、技术、工程、数学的融合;在探究性教学方面,以带领学生制作“浮沉子”为主线,以探究浮沉子的原理为主问题.引导学生在实践中发现问题、设计方案、解决问题、体现STEM教学理念从验证型跨越到探究型[2].

1.1.2 教学目标

以人教版初中物理教材第十章第三节“物体的沉浮条件及应用”为例,开展小组探究性学习,完成(表1)教学内容.

表1 “探究浮沉子的原理”的STEM教学目标

1.2 创设情景,引入问题

当教师讲到“沉浮的应用”知识点时,通过提问学生,举例沉浮的应用,适当引导学生进入关于潜水艇的讨论,之后播放视频:观看潜水艇的神奇之处,了解国内外潜水艇的发展现状和国内发展的不足之处,引导学生思考并分析潜水艇的原理.

设计意图:利用观察潜水艇神奇之处,且对国内外潜水艇的发展现状进行对比,激发学生强烈的求知欲望,培养学生的爱国主义精神.

1.3 向学生展示“如意”的浮沉子

教师可以展示浮沉子在水中的上浮与下沉,之后让学生细心观察现象,开始准备动手制作.(图1)

图1 浮沉子展示

1.4 浮沉子制作

1.4.1 学生分组

基于以上分析,笔者将班级分为10组、每组4～6人,各组根据教师布置的任务与已有的材料进行制作.

1.4.2 提出任务

教师准备好本次需要用到的材料、任务与问题.(表2)

表2 材料与任务

1.4.3 动手实践

学生在制作过程中,教师既要巡视学生完成的进度,又要对学生进行适当的指导.在配重方面玻璃瓶的悬浮状态难以调节,需要用到滴管一点点精准调节水量.作为教学活动的引导者,在学生遇到难题的时候,教师就要引导学生优化浮沉子配重的措施:灵活应用逆向思维,无需用滴管一点点加水,而是首先让玻璃瓶沉入矿泉水瓶底部,通过加盐的方式改变水的密度,从而使玻璃瓶上浮.

设计意图:这种做法第一方面能够真正做到将课堂留给学生,以完成任务的方式培养学生的动手能力;第二方面,通过对产品浮沉子配重措施进行改进优化,唤起学生的工程意识;最后一方面,通过小组之间的讨论,在一定程度上能够提高学生的团队意识,使教学达到“操作中学习,学习中操作”的效果,实现将STEM教育理念中的技术、工程教育理念融入到初中物理教学中去.

1.4.4 组织学生交流与探究

要求每组派出1～2名同学作为代表上台,对自己在制作浮沉子过程中遇到的问题和浮沉原理的初步理解进行介绍交流,其他组可以评价与提问,充分发挥学生在教学中的主体地位.代表交流之后,教师不要急于给出答案,而是要起到统领作用,需要进一步梳理和总结每组的观点,便于后续进行原理分析与探究.之后再一次深入真实情景,发现细节问题:当用力挤压瓶身,观察到小玻璃瓶还在水面上漂浮了一段时间,只有继续挤压,玻璃瓶才下沉,这又是为什么?

设计意图:以完成任务为驱动,让学生真正能做出产品,并且组内以合作方式进行讨论、组与组之间进行评价、教师作为“中间人”需要把握课堂节奏,适当进行引导,真正实现生生互动、师生互动.当同学们以为问题都已经得到解决的时候,再一次提出容易忽略的细节问题,让学生体会到科学探究性学习的过程是充满未知的、是严谨的,同时也培养学生动手实践与沟通合作的能力.引导学生对浮沉子进行结构与原理分析,进而过渡到潜水艇的原理,该过程充分将STEM教育理念中科学、数学与工程层面有效融合在一起,体现跨学科的思维特点[1].

2 原理讨论与分析

2.1 引导学生建构物理模型

面对学生提出的观点与疑问,教师应该通过引导学生运用科学的研究方法去解决问题,在本案例中问题的解决离不开物理模型的建立.教师在分析问题前要将复杂的任务进行分解,促进学生对知识的理解.通过直接观察浮沉子的外观,对其结构进行分析,该结构包括内部有开口向下的玻璃瓶,外部有装水和空气的矿泉水瓶,如图2所示.

图2 浮沉子的结构与受力分析

2.2 分析浮沉子的结构及其受力分析

教师简单介绍:浮沉子的沉、浮与潜水艇的沉、浮原理十分相似,虽然结构简单,但是其中包含的道理却不简单,接下来我们一起对其原理进行分析.首先,我们分析玻璃瓶漂浮在水面上时的情况,以玻璃瓶为研究对象(图2),受到竖直向下的重力mg、上方气体向下的压力p0S和内部气体向上的压力p1S,此时玻璃瓶受力平衡,有这样一个关系:

mg+p0S=p1S

①

AB液面上、下两侧的压强相等:

p1+ρgh1=p0+ρg(h1+h2)

②

①②两式联立得:

mg=ρgh2S=ρgV排=F浮

由此得知,初始状态玻璃瓶漂浮在水面上时重力是等于浮力的.

2.3 浮沉子原理的分析

2.3.1 分析浮沉子的沉与浮

通过之前学习的内容“物体的沉与浮”以及上文的分析,同学们对物体的浮沉条件有了一定的认识,即物体的浮沉取决于浮力与重力的关系:当F浮>mg时,物体会上浮;反之,物体会下沉.

第一种情况,将玻璃瓶为研究对象时,玻璃瓶的重力不变,当外力挤压矿泉水瓶,矿泉水瓶上方气体的体积减小,在不考虑温度变化的情况下,体积减小就会导致压强增大,而这个压强作用在玻璃瓶上,就会导致玻璃瓶内气体被压缩,进而导致V排减小,根据:

F浮=ρ液gV排

③

此时F浮减小,即F浮mg,玻璃瓶上浮.因此,玻璃瓶的重力不变,浮力的改变是导致玻璃瓶浮沉的原因.

第二种情况,将玻璃瓶与有水的部分看成一个整体作为研究对象,它的浮力不变,当外力挤压矿泉水瓶时,矿泉水瓶里面的水被压入玻璃瓶导致研究对象的自身重力增大,此时F浮mg,玻璃瓶上浮.

2.3.2 分析浮沉子没有立即下沉的原因

按照上文的解释,当我们用力挤压矿泉水瓶时,玻璃瓶应该马上下沉,但观察发现玻璃瓶并没有马上下沉,而是仍然漂浮在水面上,继续用力挤压,玻璃瓶才沉下去.

这主要跟水的张力有关,通过仔细观察玻璃瓶的入水过程,我们在捏的时候,玻璃瓶就即将下降了,但是当玻璃瓶即将没入水面时,玻璃瓶就不再下降了,因为此时液面表面张力的作用就不能忽视了.虽然我们在持续加力,玻璃瓶里的水面也在上升,浮力也在减小,但表面张力也在增加,甚至玻璃瓶已经在水面以下了,但在表面张力的作用下,形成了凹形的液面(图3),但是只要表面张力没有达到极值,玻璃瓶就不会下去,直到浮力继续减小,表面张力实在是拉不住了,玻璃瓶才会挣脱液面的束缚,开始沉下去.

图3 沉浮子下沉的原因分析

分析至此,一切都拨云见日,原来浮力改变与重力改变两种说法都是正确的.这样的分析与探究过程,使得学生再一次被震惊到,原来实际生活中的问题与平时做的习题有很大的区别,真实情景问题的答案并不全是非对即错的,而且处处存在细节,需要学生养成批判的思维,在大家都认为没问题之时提出问题.因此,在分析实际问题时,我们要学会去简化物理模型并且界定好一些相关变量,会运用浮力的本质,进一步提升解决实际生活中的浮沉问题的能力[3].

STEM教育体现跨学科思想,以带领学生制作“浮沉子”为主线,一个问题的思考贯穿整个制作过程,之后对浮沉子的原理进行分析和解答,最后将原理推广到潜水艇.这个教学设计将科学、技术、工程、数学教育理念很好地融入“物体的浮沉条件及应用”这节内容当中.这样的内容不仅丰富了课堂,启迪了学生的开放性思维,而且在真实情景中加深对浮力本质的认识,使学生的核心素养和创新意识得到发展.但在有限的教学时间内,完成较多的教学目标,需要对教师的综合素养有更高的要求.高效实施STEM初中物理课堂,需要我们每个教育工作者为之努力.