滲透STEM教育的初中物理探究活動設(shè)計(jì)
——以“研究氣泡的運(yùn)動規(guī)律”教學(xué)為例

(江蘇省南京市第一中學(xué),江蘇 南京 210000)

1 問題的提出

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》要求:初中物理教學(xué)要注重學(xué)生科學(xué)能力的發(fā)展,包括科學(xué)知識與技能、科學(xué)方法與態(tài)度的發(fā)展。通過單一的學(xué)科很難系統(tǒng)地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)能力,跨學(xué)科、多學(xué)科融合的培養(yǎng)方法應(yīng)運(yùn)而生,由美國國家科學(xué)委員會20世紀(jì)80年代提出的STEM教育,正體現(xiàn)了這一要求。

2 關(guān)于STEM教育

STEM綜合了科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的特點(diǎn),將知識的獲取、方法與工具的利用以及創(chuàng)新生產(chǎn)的過程進(jìn)行了有機(jī)統(tǒng)一,把學(xué)生的知識學(xué)習(xí)與工程相互聯(lián)系，轉(zhuǎn)變成探究世界不同側(cè)面的過程,強(qiáng)調(diào)學(xué)生在不同的學(xué)習(xí)情境中提升設(shè)計(jì)能力、合作能力、問題解決能力和實(shí)踐創(chuàng)新能力。

3 初中物理滲透STEM教育理念是物理課標(biāo)的應(yīng)然要求

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》中指出：科學(xué)探究既是學(xué)生的學(xué)習(xí)目標(biāo),又是重要的教學(xué)方式,是初中學(xué)生認(rèn)識問題、探索問題的重要途徑。

傳統(tǒng)的探究式教學(xué)受時(shí)間和空間的限制,開放性不夠,探究活動形式大于內(nèi)容?；顒拥母鱾€(gè)環(huán)節(jié)仍由教師把控,看似課堂效率較高,實(shí)則學(xué)生的主體性沒有得到充分發(fā)揮。

將STEM教育與科學(xué)探究融合,能夠?yàn)閷W(xué)生提供更多的素材，采用更豐富的探究策略。滲透STEM教育的學(xué)習(xí)問題源于生活,學(xué)習(xí)情境真實(shí),與教材中的科學(xué)探究的要求不謀而合,將兩者有機(jī)結(jié)合,能更好地發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。此外,學(xué)生主動尋求合作、依靠群體協(xié)作解決問題,對于培養(yǎng)學(xué)生開放、包容的性格和融入社會的能力也至關(guān)重要。

4 滲透STEM教育的初中物理教學(xué)設(shè)計(jì)

4.1 STEM教育的教學(xué)流程

基于STEM理念的教育，在教學(xué)方式上提倡學(xué)生在問題解決的過程中自主學(xué)習(xí)。一般流程是：教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)現(xiàn)實(shí)情境下的主題,通過師生交流,設(shè)定項(xiàng)目內(nèi)容和具體的任務(wù)。學(xué)生根據(jù)任務(wù)進(jìn)行規(guī)劃,調(diào)研相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)展,分析項(xiàng)目的可行性,制訂研究計(jì)劃。學(xué)生依據(jù)研究方案,建立理論模型，經(jīng)過編程模擬、數(shù)值計(jì)算、測試反饋、討論交流等流程完成項(xiàng)目,筆者將STEM教學(xué)流程簡化為圖1所示的過程。

圖1

4.2 “研究氣泡的運(yùn)動規(guī)律”的教學(xué)設(shè)計(jì)

下面以“研究氣泡的運(yùn)動規(guī)律”為例,介紹滲透STEM教育的探究活動教學(xué)過程。

4.2.1 創(chuàng)設(shè)主題

“研究氣泡的運(yùn)動規(guī)律”是蘇科版物理八年級(上冊)第五章第三節(jié)“直線運(yùn)動”中的重要內(nèi)容,教師先展示生活中常見物體的運(yùn)動,指出從最簡單的直線運(yùn)動開始研究,進(jìn)而提出“研究氣泡的運(yùn)動規(guī)律”這一主題。

4.2.2 設(shè)定項(xiàng)目內(nèi)容及具體任務(wù)

從研究主題出發(fā),設(shè)定兩個(gè)項(xiàng)目內(nèi)容。項(xiàng)目一:產(chǎn)生氣泡,具體任務(wù)包括管子和液體的選擇、氣泡的大小、管子的封口。項(xiàng)目二:探究氣泡的運(yùn)動規(guī)律,具體任務(wù)包括路程和時(shí)間的測量、數(shù)據(jù)的處理。

4.2.3 制訂研究計(jì)劃

項(xiàng)目一:產(chǎn)生氣泡,可分解成若干個(gè)小項(xiàng)目逐個(gè)解決,包括管子、液體的選擇及封口的方式。項(xiàng)目二:研究氣泡運(yùn)動的規(guī)律,具體計(jì)劃為：在管子上標(biāo)示刻度、選用合適的計(jì)時(shí)工具,測定氣泡到達(dá)每一刻度的時(shí)間,對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。

4.2.4 項(xiàng)目實(shí)施過程

項(xiàng)目實(shí)施要尊重學(xué)生的自主選擇,鑒于初中生的設(shè)計(jì)能力與動手能力有限,教師可以在學(xué)生討論的基礎(chǔ)上提供樣本作為參考。對于實(shí)施過程中遇到的問題,教師可以組織學(xué)生討論,尋求最佳解決方案。

(1) 器材準(zhǔn)備

長為1m、內(nèi)徑為80mm的塑料管,米尺,記號筆與寬度相同的白色膠帶,熱熔膠槍與膠條,植物油、機(jī)油與水,平板電腦。

(2) 產(chǎn)生氣泡

問題1:管子如何選擇?

學(xué)生提出管子應(yīng)該透明便于觀察,可以選玻璃管。實(shí)際使用時(shí),學(xué)生發(fā)現(xiàn)由于要對管子進(jìn)行翻轉(zhuǎn)倒置等操作,存在一定的安全隱患。由于玻璃易碎的缺點(diǎn),操作幅度受限,容易手忙腳亂。建議教師選用有機(jī)玻璃管,跌落后不易碎,不用擔(dān)心安全問題。

問題2:液體如何選擇?

學(xué)生選用了水、機(jī)油和植物油。用水作為填充液體時(shí),由于操作過程中難免會晃動,管內(nèi)大氣泡容易分裂成很多小氣泡,并且實(shí)驗(yàn)過程中氣泡運(yùn)動較快,時(shí)間測量誤差較大。用機(jī)油作為填充液體,由于顏色較深,氣泡可視性不高,影響實(shí)驗(yàn)效果。用植物油作為填充液體時(shí),可視性好,氣泡運(yùn)動速度適中,且不易分散成小氣泡,最為合適。

問題3:管口如何密封?

學(xué)生首先提出用塞子塞住管口,實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn),用橡膠塞塞住的端口密封性不好,可能導(dǎo)致液體溢出,影響實(shí)驗(yàn)效果。換用熱熔膠封口,封好的端口密封性好,不易漏液體。由于熱熔膠槍頭部溫度很高,要提醒學(xué)生切勿用手直接觸碰。制作步驟如下:

① 用熱熔膠槍將熱熔膠注入端口2cm左右后冷卻;

② 將塑料管內(nèi)注入液體,直到留有一定長度的氣泡,再用熱熔膠槍將另一端封口。

設(shè)計(jì)意圖:STEM教育提倡學(xué)生將一個(gè)比較大的項(xiàng)目分成若干小項(xiàng)目,通過師生、生生之間的交流,逐一解決。在以上方案中,將產(chǎn)生氣泡的任務(wù)進(jìn)行分解,學(xué)生積極思考、尋求合作,直到解決問題。對于學(xué)生遇到的困難,教師不急于給出答案,而是鼓勵學(xué)生在實(shí)踐中不斷摸索,結(jié)合老師的指導(dǎo),完善方案。學(xué)生在探究活動中綜合運(yùn)用所學(xué)知識,學(xué)會批判性和創(chuàng)新性思考,做出科學(xué)決策。

(3) 實(shí)驗(yàn)過程

問題1:塑料管質(zhì)地軟,操作中容易彎曲,氣泡運(yùn)動的軌跡不是直線,怎么辦呢?

學(xué)生提出可以將塑料管與米尺相固定，解決這一問題。

問題2:如何同時(shí)測量氣泡運(yùn)動的路程和時(shí)間?

師生共同研討,找到最佳方案。在距離封口一端約20cm處,用寬度相同的白色膠帶貼一圈,作為0刻度,用記號筆標(biāo)為“0”,然后依次間隔10cm各貼上一圈膠帶,依次標(biāo)記為“10”“20”“30”“40”“50”。

如何記錄氣泡到達(dá)每一刻度的時(shí)間呢?傳統(tǒng)的秒表每次只能記錄到達(dá)一個(gè)刻度的時(shí)間,這是比較棘手的問題。學(xué)生討論后,決定采用以下方案：6名學(xué)生一組,分別記錄氣泡到達(dá)一個(gè)刻度所用時(shí)間。但是實(shí)際操作發(fā)現(xiàn)這種方法存在不足,6名學(xué)生所用秒表不同,按表的反應(yīng)速度不同,每位學(xué)生觀察的角度不一,這些都會造成較大誤差。此時(shí)有學(xué)生提議選用平板電腦上的計(jì)時(shí)軟件,其優(yōu)點(diǎn)有二：一是能夠連續(xù)記錄多個(gè)時(shí)刻,操作方便;二是計(jì)時(shí)及時(shí)、精確度較高。

一名學(xué)生將制作好的裝油塑料管豎直倒置(氣泡處于最下端),觀察氣泡的運(yùn)動;當(dāng)氣泡的前端剛好運(yùn)動到每個(gè)刻度時(shí),觀察的學(xué)生發(fā)出計(jì)時(shí)指令,另一名學(xué)生計(jì)時(shí)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在預(yù)先設(shè)計(jì)的表格中。

設(shè)計(jì)意圖:在STEM教育中,學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)指在發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解釋和解決某些情境下的數(shù)學(xué)問題時(shí),進(jìn)行分析、推斷和有效交流思想的能力。測量時(shí)間是初中學(xué)生必備技能之一,計(jì)時(shí)工具的選擇與調(diào)試,需要學(xué)生深入思考。學(xué)生在該實(shí)驗(yàn)情境下,認(rèn)識到傳統(tǒng)秒表計(jì)時(shí)的局限性,體會用平板電腦計(jì)時(shí)的優(yōu)越性,以后遇到類似情境能舉一反三,提升了學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。

(4) 數(shù)據(jù)處理

問題:以一組同學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為例(如表1)，根據(jù)表格中的數(shù)據(jù),有哪些方法可以找出氣泡的運(yùn)動規(guī)律?

表1

這個(gè)問題有一定的開放性,教師引導(dǎo)學(xué)生充分討論,嘗試用所學(xué)的數(shù)學(xué)知識處理數(shù)據(jù)。

方法一:求出每個(gè)刻度對應(yīng)的路程與時(shí)間的比值,比值相等,說明路程與時(shí)間成正比。

方法二:求出氣泡在每一個(gè)區(qū)間內(nèi)的速度，進(jìn)行比較,每個(gè)區(qū)間的速度相等(如表2)。

表2

方法三:教師指導(dǎo)學(xué)生用Excel軟件畫出路程與時(shí)間的圖像,是一條過原點(diǎn)的線段(如圖2)。

圖2

設(shè)計(jì)意圖:STEM教育提倡多學(xué)科融合,對于物理情境中數(shù)據(jù)的處理,同學(xué)們集思廣益,運(yùn)用數(shù)學(xué)、信息技術(shù)等多學(xué)科知識,相互配合。學(xué)生對所得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,需要發(fā)現(xiàn)、表達(dá)、解釋表格中的數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和推斷,學(xué)生用數(shù)學(xué)手段解決物理問題的能力得到加強(qiáng)。STEM中的技術(shù)素養(yǎng)是指使用、管理、理解與評價(jià)技術(shù)的能力。利用Excel軟件分析數(shù)據(jù),學(xué)生在解決問題的過程中運(yùn)用技術(shù)的意識得到加強(qiáng),提升了技術(shù)素養(yǎng)。

至此,學(xué)生利用所學(xué)的物理和數(shù)學(xué)知識,借助工程和技術(shù)手段,完成了“研究氣泡的運(yùn)動規(guī)律”這一項(xiàng)目。

5 結(jié)語

在初中物理探究活動中滲透STEM教育,體現(xiàn)了整合性、開放性、綜合性、協(xié)作性的特點(diǎn),注重學(xué)生的體驗(yàn)與探究,學(xué)生在真實(shí)情境中依靠協(xié)作解決問題,為學(xué)生應(yīng)對現(xiàn)代和未來的各種挑戰(zhàn)奠定了基礎(chǔ)。