基于STEM-SOS模式下的初中物理复习课设计——以“浮力”复习为例

陈娴敏

(福建省福州第十八中学,福建 福州 350025)

STEM-SOS教学模式是一个以国家相关标准作为重点的一种K-12阶段的STEM教学模式,以项目学习和探究学习作为基础,通过设计和完成项目,彰显以教师为引导,以学生为中心的教学特点.项目的主题源自于学生在生活中遇到的问题,涉及到科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)领域,以及社会(Social Study)和英语语言艺术(English language Arts)的知识与技能[1].在STEM-SOS模式中,以项目延伸学生学习体验,加深对理论与概念的理解,掌握分析问题、探索解决问题的方法,为高阶段的学习奠定基础.

初中物理教师应基于以学生为主体的课堂教学,以难点突破视角重新设计复习课,在“浮力”复习中,以此为出发点开设复习课,能让学生在复习中体会到物理的乐趣,发挥出复习课“温故而知新”的作用,提高物理知识水平.

1 巧妙设计层次问题,激起学生复习动力

STEM-SOS模式下的初中物理“浮力”复习课,教师可围绕“浮力”设计一系列层次性问题,激活学生思维的同时激起复习旧知识的动力,利用不同层次的问题引导学生,确保问题指向浮力产生的本质,将抽象化的浮力知识变得更为具体,使其在问题导向下更好地理解与掌握浮力相关内容[2].设计层次性问题时,应当坚持由简及繁、由浅及深、由易到难的基本原则,为学生带来引人入胜的感觉[3].

比如,教师可以设计以下问题:浮力产生的原因是什么?物体的沉浮条件是什么?浮力的定义是什么?大小和方向呢?阿基米德原理的内容、公式、适用条件分别是什么?浮力有哪几种计算方法?利用这些问题让学生主动回顾与浮力有关的理论知识,使其进一步理解阿基米德原理、物体的浮沉条件及应用等,有效提升教学的效果.

2 利用情境展开复习,分析浮力产生的原因

在这一环节,笔者先创设一个新的情境,提出问题:福建和台湾直线距离为130公里,连接福建和台湾最快的交通方式是什么?你有什么新的设计方案能最快地来往福建和台湾?通过情境激发学生的学习热情,学生提出各种想法,比如飞机直航、修建直通大桥等.接着,老师利用多媒体设备播放一段世界上最长的海底隧道——港珠澳大桥的视频,简单介绍修建方法,因其超大的建筑规模、空前的施工难度和顶尖的建造技术而闻名于世,激起学生的爱国之情.接着提出问题,我们为闽台海底隧道做哪些设想?海底隧道如何建成呢?通过提问,学生讨论,唤起浮力知识.接着展示材料信息:每一节密封的长方体沉管长、宽、高分别是180 m,35 m,10 m,总质量是6×107kg.当密封沉管灌水下沉到海底后,将其下半部分埋入海底的泥沙中,再将灌入的海水全部抽出,此时空心密封沉管不会再上浮.

问题:请你用浮力的知识解释下半部分埋入海底泥沙中的密封沉管不会再上浮的原因?

激发学生原有知识:浮力产生的原因是上下表面压力差.在这个情境下,学生回答出答案:长方体沉管下半部分埋入海底的泥沙中,底部没有水,F向上=0,沉管不受浮力.为了让学生强化对浮力产生原因的理解,老师马上播放王亚平太空授课实验:太空浮力消失实验.通过前面的记忆唤醒和重组问题,学生能很快的回答出在太空失重状态下,没有重力,就没有压力,就不存在压力差,因此太空中浮力消失.

利用问题引导学生理解浮力产生的原因——压力差法,再通过王亚平太空授课中,浮力消失的实验视频强化他们对浮力产生原因这一知识的认识,对浮力产生的本质原因有了更深的理解.在复习中,通过创设全新的情境,研究贴近实际生活和太空授课的浮力现象,利用生动、直观的实验将枯燥乏味的课堂练习以明了清晰的动态化样式呈现出来,让学生在情境中观察、思考、分析与处理,不断锻炼他们的思维能力,突破浮力这一难点.

3 运用情境推进复习,进行浮力计算训练

浮力问题比较常见的一种题型就是相同物体在液体中处于下沉、悬浮、漂浮三种状态,比较物体受到浮力的大小关系[4].计算浮力的方法有阿基米德法、称重法与受力分析法,有的问题比较复杂,仅仅依靠一种方法难以解决,学生应具备综合应用多种计算方法的能力,才能够准确、高效解题.在本环节中,教师可这样设问[5].

问题:画出漂浮在海面上的密封沉管所受的力,漂浮在海面上的密封沉管在灌水前受到的浮力是多少牛顿?

通过作图题的训练,学生马上想到用受力分析法解决该题.因为漂浮,所以F浮=G物,学生能很快的通过分析计算得出正确答案.

问题:当往密封沉管灌水使其下沉到上表面刚好水平浸没在海水中时,注入的海水重力至少为多少牛顿?

这道题,主要训练学生巩固复习阿基米德原理法F浮=G排=m排g=ρ液gV排解题,特别引导学生强化m排g这个推导公式.

在定性比较浮力这类试题中,除在研究同一物体在不同液体中浮力的大小关系以外,还存在两种情况,即为不同体积、同质量的物体在同一液体中的浮力大小关系;不同质量、同体积的物体在同一液体中的浮力大小关系.在本环节中,教师把这两种情况整合到一起,通过一些细节分析引导学生选择适当的方法展开分析与解题[6].

4 加工抽象物理模型,顺利转化实际情境

在此环节中,教师提出问题:通过港珠澳大桥海底隧道一施工现场,如图1所示,画出主船体将长方体沉管放入水至全部浸没的过程中,主船体所受浮力随物体浸入水中的深度变化的图像.

隔离法:如图2对沉管浮力分析,沉管下放至浸没,V排先增大后不变,根据阿基米德原理可知沉管受到浮力先增大后不变.

图2 沉管浮力 图3 主船体和沉管总体受力分析

整体法:如图3对主船和沉管受力分析,总重不变,因为漂浮,总的浮力不变.因此,在沉管下降过程中,主船体受到的浮力先变小后不变,如图4所示.

图4 主船体所受浮力随深度关系

这一问题对学生的综合能力要求更高,在解题过程中涉及到浮力大小的影响因素、平衡法求浮力、整体法和隔离法受力分析的综合应用,能让学生在复习课中锻炼和提升学习能力[7].

在充分利用港珠澳大桥的材料引入浮力知识的复习后,让学生采用头脑风暴式的思维导图,将浮力复习的知识体系进行梳理,如图5所示.

图5 浮力知识思维导图

5 适当拓展情境教学,提升学生探究能力

利用海底隧道素材,复习浮力的几种解法后,通过一道综合的计算题,涉及浮力、密度、液体压强、图像等问题,强化学生分析问题、归纳问题、解决问题的能力.

在水平桌面上放置一个底面积为100 cm2,质量为400 g的圆筒,筒内装有16 cm深的某液体,弹簧测力计的下端悬挂着一个底面积为50 cm2的金属柱,当金属柱从液面上方逐渐浸入液体中直到全部浸没时,弹簧测力计的示数F与金属柱浸入液体深度h的关系如图6所示．(圆筒厚度忽略不计,筒内液体没有溢出)

图6 弹簧测力计示数与浸入液体深度图像

求:(1)金属柱浸没时受到的浮力大小;

(2)该液体的密度大小;

(3)金属柱浸没时,水对容器底的压强比未放入金属柱前增加了多少?

前面各环节利用海底隧道素材,引领学生自主复习浮力知识,本环节顺理成章地进行定量计算,通过分析图像数据,不仅可以让学生回顾求解浮力的几种方法,还能够锻炼他们综合分析的能力.

总之,基于STEM-SOS模式下的初中物理复习教学,教师需要将知识置于实际情境中,转变以往传统落后复习模式的束缚与禁锢,通过巩固知识复习、激发思维、题型训练、重难点突破,结合“浮力”相关知识的特征科学制定复习计划,以学生为主体,提升复习的质量和效率.