將工程教育融入初中物理課堂的教學實踐

宋云云 劉劍霜

摘? ?要：工程教育不僅對國家未來的創(chuàng)新能力和競爭力有決定性影響，而且是人類生存和發(fā)展的必要基礎(chǔ)。文章以學生實踐活動——制作浮沉子和簡易密度計為例，試圖把工程教育融入初中物理課堂教學中，努力激發(fā)和培養(yǎng)學生的工程意識和工程實踐能力。

關(guān)鍵詞：工程教育;初中物理課堂教學;浮沉子;簡易密度計

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2019）12-0061-2

STEM教育即科學（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學（Mathematics）四門學科的簡稱，強調(diào)多學科之間的交叉融合。工程教育作為STEM教育的分支，在我國初中物理教學中很少有體現(xiàn)。教師應在教學過程中注重工程教育的融入，在注重科學知識建立的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學生問題解決與人工造物的能力，體驗工程產(chǎn)品的設(shè)計與制作過程。本文從實踐層面出發(fā)——以蘇科版初中物理教材中浮沉子和簡易密度計的制作為例，提供一些將工程教育融入物理課堂的思路，闡述怎樣在物理教學中融合工程教育，提高學生的工程素養(yǎng)[1]。

1? ? 浮沉子制作：改進優(yōu)化，喚起工程意識

在制作過程中，學生首先要思考瓶子的硬度、配重等條件對實現(xiàn)上浮和下沉的影響，從而選擇制作浮沉子的材料。由于懸浮狀態(tài)難以掌控，需精確調(diào)節(jié)小瓶中的水量，學生用滴管多次微調(diào)，最終實現(xiàn)懸浮。教師也可引導學生逆向思維，即先讓小瓶沉到底，通過向水中不斷加鹽增大浮力來使其懸浮。學生靈活運用了決定物體浮沉的另一因素——浮力，向水中加鹽確實比微調(diào)小瓶中的水量操作起來更容易，現(xiàn)象也更直觀。此外，還有學生帶來了意外的驚喜：將大瓶裝滿水，瓶口敞開，小瓶漂浮在大瓶瓶口處。蓋上大瓶瓶蓋，小瓶緩慢下沉。擰開瓶蓋，小瓶又上浮。無需擠壓瓶身，瓶蓋開合就能實現(xiàn)浮沉子的上浮和下沉。通過制作、改進的過程，學生更直觀地觀察到了浮沉子的浮沉現(xiàn)象，理解了其中的浮沉原理。教師要有意識地給予學生工程研究的機會，激發(fā)和培養(yǎng)學生的開放性思維及對產(chǎn)品的優(yōu)化意識。

2? ? 簡易密度計制作：解決工程問題，培養(yǎng)工程能力

制作簡易的密度計這一綜合實踐活動是蘇科版初中物理教材2012年新增的，旨在培養(yǎng)初中生的動手實踐能力。在實際教學過程中，根據(jù)工程設(shè)計流程，教師可擬定以下四個問題讓學生分組進行合作探究，通過將工程理念融入綜合實踐活動中，引導學生逐步解決制作中的工程問題，培養(yǎng)學生的工程實踐能力。

2.1? ? 明確問題：密度計是如何測量出液體密度的

將雞蛋放入水中，不斷向水中加鹽發(fā)現(xiàn)雞蛋漂浮時排開液體的體積越來越小，由此引導學生作出推測：同一物體，它漂浮時排開液體的體積是由液體的密度決定的[2]。通過這一實驗向?qū)W生講解密度計的原理這一新知識，建立好科學基礎(chǔ)，為制作密度計做好準備。向?qū)W生展示做好的密度計，要求學生認真觀察其構(gòu)造，選擇合適的材料進行制作（如表1）。

表1? 制作材料

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2.2? ? 制定解決方案：如何制作密度計

教師引導學生結(jié)合選取的材料大膽構(gòu)想，對密度計的構(gòu)成、外觀進行整體的設(shè)計，并畫出簡略設(shè)計圖，結(jié)合設(shè)計圖進行制作。但是，在實際制作過程中，學生會遇到裝置底部密封困難、重心難以調(diào)節(jié)以及不易標度等問題。此時教師要引導學生明確問題，并提出如果你是工程師會如何解決這些問題？促使學生用盡可能多的方式進行討論與試驗，尋找合理的問題解決方案。

對于用橡皮泥封口效果差、用熔化的石蠟易使封口破損等問題，引導學生綜合考慮，設(shè)計封口方案。對于配重無法確定，裝置重心難以調(diào)節(jié)的問題，引導學生用微調(diào)的思想通過多次試驗來解決。對以上問題的思考能夠有效培養(yǎng)學生的技術(shù)素養(yǎng)。對于密度計標度問題，學生首先要根據(jù)教材提供的思路，運用數(shù)學知識推導出H和h的關(guān)系h=■·H，并理解標度的原理。而在實際標度時，學生又會遇到以下問題：在吸管外壁畫刻度易被液體沖洗掉。用刀具刻畫雖不會被沖洗掉，但印記不清晰，容易造成讀數(shù)誤差，而且若刻畫力度掌握不當還可能導致吸管破損滲漏。經(jīng)過對比思考之后，學生想到可以先用筆在細長的紙條上畫上刻度線，再把紙條插入吸管內(nèi)壁中。因此，教師可建議學生在選擇材料時，首先考慮透明吸管，便于讀數(shù)。然后，使吸管豎直漂浮在水中，在管壁上標出水面位置，即吸管浸入水中的深度H。將標好刻度的密度計浸入不同密度的液體中，測得對應的浸入深度h。表2是其中一組學生進行實驗時記錄的數(shù)據(jù)，該組吸管總長15 cm，浸入水中的深度為10 cm。根據(jù)標度公式h=■·H，計算出該密度計浸入不同密度的液體時的浸入深度。

表2 液體密度與吸管浸入液體深度

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根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在吸管上標出相應的刻度線（圖1）。在密度計制作過程中學生不斷思考、探究，促進了一系列工程問題的解決。學生的工程實踐能力得到了一定的培養(yǎng)。

2.3? ? 分析解決方案：如何用密度計測量液體的密度

密度計制作完成之后，引導學生對其測量的精確程度進行檢驗。先用天平和量筒根據(jù)ρ=■測出飽和食鹽水的密度，再用自制密度計測量[3]。比較兩種測量方法哪種更為準確，得出利用密度計測量未知液體密度的便捷性，初步感受工程設(shè)計給人類社會和生活帶來的便利。之后教師可以引導學生對食油、醬油等液體的密度進行測量，并與水的密度做比較，可以對密度有一個更為感性的認識。

2.4? ? 優(yōu)化解決方案：如何使測量結(jié)果更精確

通過對密度已知液體的測量，發(fā)現(xiàn)密度計存在一定的誤差。有學生提出可能是配重沒有調(diào)節(jié)到位，可把用作配重的銅絲、鐵絲換成訂書釘、小鋼珠，因為它們大小相同、質(zhì)量相等，方便對配重進行微調(diào);有學生提出自制密度計的刻度線太密，容易造成讀數(shù)誤差，應將相鄰兩條刻度線之間的距離增大。由標度公式h=■·H可知，■一定，要使間距Δh變大，可通過增大H來實現(xiàn)。增大H可通過選取更細的吸管使它的橫截面積變小來實現(xiàn)。

學生用一根普通吸管經(jīng)過設(shè)計、制作，做成了一個能測量液體密度的儀器，并對儀器誤差進行檢驗、分析，對成品進行了優(yōu)化，整個過程與工程設(shè)計流程相吻合。

將工程教育融入初中物理教學中，讓學生成為小工程的制作者，能夠讓學生體驗工程產(chǎn)品的設(shè)計與制作過程，從而強化他們的物理概念。這樣的工程教育過程為學生營造了獨立思考、協(xié)作學習、探索創(chuàng)新的良好學習環(huán)境，能夠激發(fā)和培養(yǎng)學生的工程意識和工程能力。

參考文獻：

[1]陸衛(wèi)兵.將STEM教育融入初中物理綜合實踐活動的教學——以學生進行“簡易密度計”制作為例[J].物理教師，2019，40（5）：43-45.

[2]凌嚴.以“制作簡易密度計”為例談“綜合實踐活動”的有效開展[J].中學物理教學參考，2016，45（20）：44.

[3]張莉.課外實踐 課堂深入 贏素養(yǎng)生長——談蘇科版“綜合實踐活動——制作簡易的密度計”[J].物理教學探討，2017，35（7）：25-27.

（欄目編輯? ? 張正嚴）