STEM情境下的初中科學(xué)課堂的構(gòu)建
——以教學(xué)“水的浮力”為例

（杭州市錢塘新區(qū)義蓬中學(xué)，浙江 杭州 311225）

在科技迅速發(fā)展的今天，STEM 的提出以及應(yīng)用不僅改變了傳統(tǒng)課堂單純講授以及以掌握學(xué)習(xí)目標(biāo)為教學(xué)根本目的的現(xiàn)狀，也對(duì)學(xué)生自主、探究等學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)以及學(xué)生綜合素養(yǎng)的形成起著非常重要的作用。所以，在當(dāng)今的初中科學(xué)課程的教學(xué)過(guò)程中，教師要做好教材的深入研究，要通過(guò) STEM 情境的創(chuàng)設(shè)以及相對(duì)應(yīng)的 STEM 教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計(jì)來(lái)為學(xué)生的全面發(fā)展做好保障。因此，本文筆者結(jié)合“水的浮力”這節(jié)課的教學(xué)對(duì)如何構(gòu)建 STEM 情境下的初中科學(xué)課堂進(jìn)行論述，以確保學(xué)會(huì)生在自主、交流、探究以及推理等課堂活動(dòng)中獲得全面的發(fā)展。

一、什么是 STEM 情境

所謂的STEM是由科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）的英語(yǔ)首字母組成，目的就是要將相關(guān)的學(xué)科融合在一起，以此來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)，改變傳統(tǒng)的思維習(xí)慣。而 STEM 情境是指在教學(xué)的過(guò)程中，教師要通過(guò) STEM 情境的創(chuàng)設(shè)來(lái)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入到一定的場(chǎng)景當(dāng)中，通過(guò)問(wèn)題的思考探究以及相關(guān)活動(dòng)的組織來(lái)為學(xué)生綜合素養(yǎng)的全面提升做好保障工作。

二、STEM 情境在“水的浮力”教學(xué)中的應(yīng)用

1.應(yīng)用情境一

在明確了 STEM 情境的應(yīng)用原則之后，我們就要結(jié)合課堂所教授的內(nèi)容來(lái)進(jìn)行落實(shí)和應(yīng)用。本文以“水的浮力”這節(jié)課的教學(xué)為例進(jìn)行論述。

明確本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容，即要讓學(xué)生“探究影響浮力大小的因素”，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是要讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中掌握這一部分內(nèi)容。所以，我們將 STEM 教育目標(biāo)設(shè)定為提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力、問(wèn)題探究能力以及合作交流能力等綜合能力，同時(shí)，還要確保學(xué)生在參與課堂活動(dòng)中形成STEM 綜合素養(yǎng)。具體的課程開(kāi)展過(guò)程如下。

首先，組織學(xué)生結(jié)合教材內(nèi)容先回答下面幾個(gè)問(wèn)題。

（1）大膽猜測(cè)哪些因素能夠影響物體的浮力大?。繃L試進(jìn)行解釋。

（2）探究影響浮力大小的因素這一實(shí)驗(yàn)中都需要用到哪些實(shí)驗(yàn)用品？

（3）為什么人在死海中能夠浮起來(lái)？

（4）大輪船的浮力大還是小輪船的浮力大？

實(shí)驗(yàn)之前我們可以先組織學(xué)生在小組內(nèi)針對(duì)這四個(gè)問(wèn)題進(jìn)行討論，鼓勵(lì)學(xué)生從浮力的概念以及相關(guān)的知識(shí)入手來(lái)進(jìn)行猜測(cè)，目的就是要通過(guò)這一問(wèn)題交流和獨(dú)立思考的過(guò)程來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，繼而，為學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)的培養(yǎng)以及科學(xué)素養(yǎng)的提升打好基礎(chǔ)。

接著，給學(xué)生布置一項(xiàng)工程，也就是要讓學(xué)生完成一個(gè)工程項(xiàng)目，其實(shí)在水的浮力這一內(nèi)容的教學(xué)中就是要組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置連接以及相關(guān)的分析來(lái)達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)以及技術(shù)素養(yǎng)的目的。因此，在“探究影響浮力大小的因素”這一實(shí)驗(yàn)中，我組織學(xué)生以小組為單位進(jìn)行工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。如：項(xiàng)目的名稱、項(xiàng)目的目的、項(xiàng)目完成需要的保障條件、項(xiàng)目開(kāi)展的步驟、項(xiàng)目的評(píng)價(jià)等等。所以，在具體的教學(xué)過(guò)程中，我先組織學(xué)生結(jié)合教材內(nèi)容準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)用品，并簡(jiǎn)要本次實(shí)驗(yàn)的思路以及步驟。

之后，組織學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)的步驟進(jìn)行操作，借助所準(zhǔn)備的實(shí)驗(yàn)用品進(jìn)行操作。

（1）通過(guò)借助彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)出木塊的重力；

（2）將木塊的一部分放在水里，并借助彈簧測(cè)力計(jì)記錄示數(shù)；

（3）通過(guò)改變木塊在水里的深度，即：將木塊淹沒(méi)在水里，并記錄下彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)；

（4）通過(guò)將木塊淹沒(méi)在濃鹽水里，記錄彈簧測(cè)力計(jì)的示數(shù)；

學(xué)生結(jié)合教材內(nèi)容自主對(duì)這一項(xiàng)目進(jìn)行操作，并思考下面幾個(gè)問(wèn)題：

（1）為什么要設(shè)立這四個(gè)實(shí)驗(yàn)？每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的是什么？

（2）為什么要借助控制變量法來(lái)進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)？能夠說(shuō)明什么？

（3）步驟二和步驟三之間的比較能夠說(shuō)明什么？

（4）步驟三和步驟四之間又能說(shuō)明什么？

鼓勵(lì)學(xué)生大膽地進(jìn)行猜測(cè)，并說(shuō)出自己的觀點(diǎn)和看法，同時(shí)自主對(duì)不同步驟中木塊的受力情況進(jìn)行分析，以確保學(xué)生在自主完成這一項(xiàng)目中形成基本的實(shí)驗(yàn)技術(shù)素養(yǎng)以及實(shí)驗(yàn)完成項(xiàng)目的工程素養(yǎng)。而且，學(xué)生在自己搭建裝置、自主實(shí)驗(yàn)操作中對(duì)科學(xué)這門課學(xué)習(xí)的態(tài)度也會(huì)逐漸變得積極一些，進(jìn)而，為學(xué)生課堂參與度的提高也有密切的聯(lián)系。

最后，組織學(xué)生對(duì)四組實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和比較，并得出本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，即：浸在液體中的物體，所受浮力的大小與其排開(kāi)液體的體積和液體的密度有關(guān)系，之后，通過(guò)對(duì)液體中物體受力情況的分析以及數(shù)據(jù)的推理，我們可以得出 F 浮=G排液，這也是我們通常所說(shuō)的阿基米德原理。

綜上整個(gè)過(guò)程可以看出，我們先組織學(xué)生對(duì)相關(guān)的問(wèn)題進(jìn)行思考和探究，目的就是要通過(guò)對(duì)問(wèn)題的解決來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，使學(xué)生在探究中樹(shù)立起創(chuàng)新意識(shí)。之后，組織學(xué)生以小組為單位獨(dú)立設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、操作實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)，這樣的過(guò)程其實(shí)就是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)?zāi)芰图夹g(shù)操作能力的過(guò)程，也是學(xué)生完成工程項(xiàng)目的過(guò)程，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是，學(xué)生就像一個(gè)工程師一樣去思考問(wèn)題，對(duì)小組成員進(jìn)行合理分工，對(duì)各種實(shí)驗(yàn)工具進(jìn)行合理利用等，并對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行猜想和預(yù)判，最后，通過(guò)數(shù)據(jù)的測(cè)量、分析、計(jì)算等都是利用數(shù)學(xué)進(jìn)一步解釋現(xiàn)象?？梢?jiàn)，整個(gè)過(guò)程中學(xué)生不僅是這堂課的主人，而且，還在參與活動(dòng)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、操作實(shí)驗(yàn)、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論的過(guò)程中形成基本的 STEM 綜合素養(yǎng)，最終，也為學(xué)生的各方面能力的鍛煉和提高做好保障。

2.應(yīng)用情境二

在以往的初中科學(xué)課堂實(shí)驗(yàn)中，一般都是教師主導(dǎo)課堂，學(xué)生為教學(xué)的輔助者，教學(xué)過(guò)程通常為教師演示實(shí)驗(yàn)、學(xué)生觀看、教師提問(wèn)和學(xué)生回答的模式，中間存在大量填鴨式教學(xué)內(nèi)容，師生、生生之間的互動(dòng)性較低，不利于學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展?；?STEM 情境下，教師要通過(guò)創(chuàng)設(shè)豐富的實(shí)驗(yàn)自學(xué)、互學(xué)和展學(xué)活動(dòng)，激發(fā)學(xué)生的合作探究精神，讓他們積極地融入思考中。“水的浮力”這節(jié)課的教學(xué)重點(diǎn)為指導(dǎo)學(xué)生初步學(xué)會(huì)做水的浮力的實(shí)驗(yàn)，能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)探究水的浮力，教學(xué)難點(diǎn)則是指導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)沉到水底的物體也會(huì)受到水的浮力作用。在創(chuàng)設(shè)STEM 教學(xué)情境中，我們利用了另外一種方法。

教師準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)教具，包括水槽、彈簧秤、乒乓球、薄膜塑料塊以及多媒體資料等；為了體現(xiàn)學(xué)生的主體性，為他們準(zhǔn)備了學(xué)具水槽、彈簧秤、玩具潛水艇、鐵塊、小石塊等。教學(xué)導(dǎo)入中，先讓學(xué)生觀看我國(guó)潛水艇海上執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程，將沉浮錄像片段展示給學(xué)生，然后提出問(wèn)題：“潛水艇為什么能夠靈活沉入和浮出水面？”給予他們幾分鐘的時(shí)間，同桌或者前后桌之間展開(kāi)討論，我發(fā)現(xiàn)學(xué)生的答案是千奇古怪的，有的認(rèn)為是“潛水艇的質(zhì)量很輕，容易浮在水面上，在下沉是的時(shí)候是通過(guò)某種力壓迫它下沉”，也有的學(xué)生認(rèn)為是“潛水艇中間是空的，就像船一樣漂浮在水上，在下沉的時(shí)候自動(dòng)用水充滿空殼”，通過(guò)學(xué)生的回答，我明確了他們對(duì)浮力有基本的認(rèn)識(shí)，但停留在表面上，由此制定下一步的教學(xué)目標(biāo)。

根據(jù)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的學(xué)情和對(duì)浮力的認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)了相關(guān)的浮力實(shí)驗(yàn)。

在課堂上，教師首先將小石塊和乒乓球等放在水中，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，然后讓學(xué)生自己結(jié)合學(xué)具演示重的物體和輕的物體在水中有什么不同，最后讓學(xué)生將手中的乒乓球往下按，試一試有什么感覺(jué)？乒乓球能夠漂浮在水面上，說(shuō)明它受到了一種什么樣的力？讓學(xué)生之間再次討論，最后師生一塊得出結(jié)論：物體處在水中時(shí)，會(huì)受到一種向上托起的力，這就是浮力。

很多學(xué)生認(rèn)為沉到水底的物體不會(huì)受到浮力的作用，為此提出問(wèn)題并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

（1）浮在水面上的物體會(huì)受到浮力作用，沉到水底的物體會(huì)不會(huì)受到浮力作用？

（2）物體在水中或者空氣中時(shí)，受到的力有什么不一樣內(nèi)？

教師指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：讓學(xué)生用彈簧秤勾住石塊，分別將其放在水中和空氣中，觀察彈簧秤的讀數(shù)有什么不同，放在水中不同位置，彈簧秤讀數(shù)是否也會(huì)發(fā)生變化。最后讓學(xué)生匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并提出問(wèn)題：“小石塊在水中的讀數(shù)為什么會(huì)變??？是浮力的作用結(jié)果么？”將學(xué)生分組，合作探究得出答案，這個(gè)時(shí)候教師暫不指導(dǎo)。

為了更深入地讓學(xué)生知道浮力的存在，再次提出問(wèn)題并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)：“用什么樣的方法可以讓小石塊在水中和空氣中的讀數(shù)一致呢？”，學(xué)生通過(guò)合作探究，得出：“可以用手輕輕地在空氣中上托石塊”。學(xué)生匯報(bào)完成后出示 PPT 內(nèi)容，繼續(xù)提問(wèn)：“小石塊在水中時(shí)，我們并沒(méi)有用手托住石塊，為什么彈簧秤的讀數(shù)也變小了呢？這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明了什么？”，通過(guò)這一系列讓學(xué)生直觀感受浮力的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，最后學(xué)生徹底明白了沉在水中的物體也會(huì)受到浮力的作用。

雖然學(xué)生對(duì)浮力的概念、特點(diǎn)有了初步的認(rèn)識(shí)，但是很多學(xué)生并不清楚浮力到底與什么有關(guān)，為此設(shè)計(jì)了如下的教學(xué)過(guò)程。

（1）前面的實(shí)驗(yàn)，我們都清楚了在水中的物體都會(huì)受到浮力的作用，但是為什么有的會(huì)漂在水面上，有的會(huì)沉到水底呢？

（2）影響浮力大小的因素有哪些呢？

針對(duì)學(xué)生的疑惑，教師結(jié)合 PPT 中潛水艇的例子，做出總結(jié)：物體的重力大于浮力時(shí)就會(huì)往下沉，反之則會(huì)向上浮起，結(jié)合浮力的影響因素，向?qū)W生進(jìn)行關(guān)于游泳知識(shí)的講解，提高其安全意識(shí)。關(guān)于浮力的素材來(lái)源于生活，最終也要服務(wù)于實(shí)踐中，在教學(xué)的最后，教師展示浮力在生活中的一些應(yīng)用情境。

①組織學(xué)生利用多媒體觀看浮力的一些影像，比如浮橋、戰(zhàn)車、輪船和救生圈等。

②讓學(xué)生分組進(jìn)行玩具潛水艇的探究實(shí)驗(yàn)，提高他們對(duì)科學(xué)的興趣，激發(fā)個(gè)性。

③讓學(xué)生根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，舉例說(shuō)出生活中有關(guān)浮力的例子，并介紹浮力是有用的還是有害的。

在課堂的最后階段，為了檢查學(xué)生的知識(shí)運(yùn)用能力，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)鋁片的形狀，自由地改變大小，要求一塊可以浮在水面上，一塊則沉入到水底，提高他們對(duì)浮力應(yīng)用的深入認(rèn)識(shí)，發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)。

在“水的浮力”STEM 情境教學(xué)片段二中，教師與學(xué)生的角色發(fā)生了一些變化，整個(gè)教學(xué)都圍繞學(xué)生的興趣愛(ài)好和學(xué)情展開(kāi)，讓他們通過(guò)合作探究的方式設(shè)計(jì)有關(guān)浮力的實(shí)驗(yàn)，不僅提高了其動(dòng)手科學(xué)能力，更重要的是提高了其學(xué)習(xí)興趣，豐富了實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程。此外，在教學(xué)評(píng)價(jià)中，教師也要適當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)變?cè)u(píng)價(jià)機(jī)制，摒棄“唯成績(jī)論”的思想，通過(guò)不斷地觀察學(xué)生的課堂表現(xiàn)，激發(fā)他們的情感和個(gè)性，要從科學(xué)探究能力、小組協(xié)作能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程、辯證思維等方面給予學(xué)生評(píng)價(jià)，讓他們發(fā)現(xiàn)自己在學(xué)習(xí)中存在的優(yōu)勢(shì)和不足，從而做到揚(yáng)長(zhǎng)避短，提高科學(xué)探究的能動(dòng)性。

三、STEM 情境在應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題

STEM 情境的應(yīng)用不僅能夠鍛煉學(xué)生的問(wèn)題解決能力和合作交流能力，而且，對(duì)學(xué)生科學(xué)探究意識(shí)的培養(yǎng)以及 STEM 素養(yǎng)的提升都起著非常重要的作用。但是，在實(shí)際的應(yīng)用落實(shí)當(dāng)中還是存在一些問(wèn)題需要我們注意，具體如下。

第一，學(xué)生主動(dòng)性不夠。也就是說(shuō)，在 STEM 情境的創(chuàng)設(shè)中教師雖然設(shè)置問(wèn)題，創(chuàng)設(shè)了情境，而且，STEM 每項(xiàng)都涉及的比較明確，但真正讓學(xué)生參與的時(shí)間很短，尤其是在問(wèn)題的思考和交流中，很多教師為了節(jié)省時(shí)間根本沒(méi)有給學(xué)生留出時(shí)間進(jìn)行思考，導(dǎo)致一些問(wèn)題情境的價(jià)值根本沒(méi)有發(fā)揮其作用，也不利于學(xué)生 STEM 綜合素養(yǎng)的提升。

第二，教師對(duì) STEM 的理解不到位，尤其是 T 和 E，也就是技術(shù)和工程，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是，一些教師將工程理解為“建筑工程類”，很難將工程素養(yǎng)與科學(xué)課程中的物理知識(shí)、化學(xué)知識(shí)或者是生物知識(shí)結(jié)合在一起，導(dǎo)致 STEM 情境的創(chuàng)設(shè)價(jià)值得不到最大化實(shí)現(xiàn)，學(xué)生的綜合素養(yǎng)也得不到有效的提升。

當(dāng)然，除了上述兩個(gè)問(wèn)題之外，還包括教師對(duì)教材內(nèi)容的挖掘問(wèn)題以及教師專業(yè)素養(yǎng)的問(wèn)題等，這些都在不同程度上影響著 STEM 模式應(yīng)用價(jià)值的實(shí)現(xiàn)，也不利于學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)的全面提升。所以，在日后的實(shí)踐應(yīng)用中，教師要做好研究，通過(guò)各種問(wèn)題的改進(jìn)以及完善來(lái)確保學(xué)生在 STEM 情境下的科學(xué)課堂中獲得全面發(fā)展。

四、結(jié)語(yǔ)

STEM 情境下的初中科學(xué)課堂應(yīng)該是有助于課改基本理念落實(shí)的，也應(yīng)該是有助于學(xué)生 STEM 綜合素養(yǎng)的提升的。所以，新時(shí)期的科學(xué)教師要借助這一模式的應(yīng)用來(lái)打破傳統(tǒng)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，繼而，使學(xué)生在合作、探究、動(dòng)手操作以及獨(dú)立思考的過(guò)程中養(yǎng)成良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣，同時(shí)，也確保課程改革在一步步實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中學(xué)生的綜合能力也得到鍛煉和培養(yǎng)。