問題驅(qū)動下的STEM理念教學(xué)探究

白甜甜　劉竹琴

摘? ?要：浮力與深度之間的關(guān)系是整個初中物理教學(xué)的難點之一。在STEM思想的指導(dǎo)下，通過一系列問題驅(qū)動，使該難點與科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)有機(jī)結(jié)合，利用圖像進(jìn)行表征，形成定性認(rèn)識，突破難點，且在整個過程中培養(yǎng)學(xué)生的理性思維與技術(shù)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STEM理念;問題驅(qū)動;浮力;教學(xué)探究

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）8-0065-3

1? ? 引? 言

季衛(wèi)新老師曾提出“浮力與深度是否有關(guān)”的命題為“偽命題”[1]，筆者高度贊同。我們在科學(xué)探究中應(yīng)理解其思維本質(zhì)，由此筆者基于季老師的想法提出浮力與深度之間存在“偽”關(guān)系的觀點。

在人教版初中物理第十章浮力探究實驗——“浮力的大小與哪些因素有關(guān)”中有研究者發(fā)現(xiàn)，20%的初中生存在“浮力與深度有關(guān)”的錯誤前概念[2]。另外，教材第51頁的第一個問題“浮力的大小是否跟物體浸沒的深度有關(guān)？”[3]在一定程度上會加深學(xué)生錯誤的前概念。同時，教材針對此難點的編排較少，達(dá)不到突破難點的目的?；谝陨蠁栴}，筆者在問題驅(qū)動的STEM理念指導(dǎo)下，對實驗進(jìn)行改進(jìn)，利用Tracker軌跡追蹤軟件，和學(xué)生一起對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、推理、論證等，最終使學(xué)生打破錯誤的前概念，達(dá)到科學(xué)知識轉(zhuǎn)化為學(xué)生個人知識、促進(jìn)認(rèn)識順應(yīng)、內(nèi)化物理觀念、發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的目的。

2? ? STEM理念的應(yīng)用

STEM理念源自美國，分別是科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）和數(shù)學(xué)（Mathematics）四門學(xué)科的簡稱;STEM綜合了科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的特點，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)行了統(tǒng)一，以系統(tǒng)的、聯(lián)系的思維面對全球化、多文化發(fā)展[4]。

基于STEM的理念，筆者對浮力教學(xué)難點有了以下的進(jìn)階思考：（1）如何對探究浮力與深度關(guān)系的實驗進(jìn)行改進(jìn)？器材如何選??？（2）如何對教材進(jìn)行編排？（3）基于改進(jìn)的實驗應(yīng)如何引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)？以及如何正確展示Tracker軌跡追蹤軟件，使學(xué)生理解并應(yīng)用？（4）如何處理軟件中的拓展信息？在以上問題的驅(qū)動下，筆者將一步步進(jìn)階，突破教學(xué)難點。

2.1? ? 實驗改進(jìn)

Tracker軌跡追蹤軟件是對物體運動過程中運動量隨時間改變而進(jìn)行追蹤的實驗輔助工具，如位移、速度、加速度等，進(jìn)而描繪出相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)圖，減少測量者的工作量，在一定程度上提高課堂效果。那么，本實驗改進(jìn)的關(guān)鍵在于“如何使物體在液體中運動？”筆者曾在教學(xué)中使用過季蓉老師利用乒乓球與飲料瓶漏斗探究浮力產(chǎn)生原因的實驗[5]，我們發(fā)現(xiàn)乒乓球在實驗過程中是運動的，但有可能是因為漏斗底端的大氣壓推動物體運動。筆者在此實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，在乒乓球中裝入適量的水（目的：減慢運動過程），同時在自制漏斗中也加入適量的水（如圖1），借助外力使改進(jìn)后的乒乓球沉入瓶底，之后撤去外力。在小球有運動趨勢后，拍攝運動過程。另外，為盡可能減小軟件追蹤對本實驗數(shù)據(jù)造成的誤差，應(yīng)保持拍攝角度與實驗角度平行。

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圖1? 自制實驗教具

2.2? ? 教材編排

筆者曾與許多老師交流發(fā)現(xiàn)，學(xué)生雖然理解“物體全部浸沒液體時，浮力與深度無關(guān)”，但是大多數(shù)學(xué)生卻形成“物體未全部浸沒液體時，浮力與深度有關(guān)”的錯誤前概念。錯誤的關(guān)鍵在于對“控制變量法”的錯誤理解，以及教材在某種程度上的誤導(dǎo)，如課本第51頁的問題一[3]。筆者認(rèn)為編排者的意圖是想提供給學(xué)生“在物體浸入水中體積不變的情況下如何探究深度對浮力的影響”的思考，而不是誤導(dǎo)學(xué)生思考“浸沒與未浸沒兩種情況下，浮力與深度的關(guān)系”。故筆者認(rèn)為，此問題可以編排成“如何保持物體浸入液體的體積不變？（物體浸沒液體時，其浸入液體體積保持不變）”，目的在于讓學(xué)生理解控制變量法的科學(xué)思維。

2.3? ? 預(yù)設(shè)教學(xué)過程

2.3.1? ? 教學(xué)過程中的問題驅(qū)動

上文曾提到實驗的改進(jìn)以及教材編排的觀點，在此基礎(chǔ)上對學(xué)生進(jìn)行問題驅(qū)動：（1）如何使物體保持運動？（浮力產(chǎn)生的原因）（2）探究時應(yīng)控制的物理量有哪些？（液體密度不變、浸入液體體積不變）（3）如何使浸入液體體積不變？（4）實驗數(shù)據(jù)表征的意義是什么？

為打破學(xué)生關(guān)于浮力難點的錯誤前概念，關(guān)鍵在于對問題（3）的思考，根據(jù)教材編排激發(fā)學(xué)生進(jìn)行以下思考：（1）若物體未浸沒液體時，我們該如何控制其浸入液體體積不變？是否容易控制？（2）如果是對不規(guī)則物體進(jìn)行探究呢？（3）為了使實驗易操作，我們將物體浸沒是否可行？（4）浸沒的目的是什么？在學(xué)生思考的過程中明白控制變量法的思維本質(zhì)，掌握深度僅是改變浸入液體體積的中間量，類似于季衛(wèi)新老師曾提到的偽命題“探究物體的動能與高度有關(guān)”[1]中的高度即是速度改變的中間量;通過上述問題驅(qū)動使學(xué)生能夠在熟悉的問題情境中根據(jù)需要選用恰當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ徒鉀Q簡單的問題[6]，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，內(nèi)化物理觀念。圖2為教師與學(xué)生思考的思維導(dǎo)圖。

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圖2? ?思維導(dǎo)圖

2.3.2? ? Tracker軟件的引導(dǎo)

在此之前學(xué)生從未接觸過此類追蹤軟件，所以在教學(xué)過程中需要詳細(xì)講解，為以后的拋體運動、單擺運動等探究學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。此外，在數(shù)據(jù)分析中，學(xué)生借用軟件分析結(jié)果，對y-t圖與ay-t圖（在實驗過程中發(fā)現(xiàn)Tracker軟件在追蹤加速度時存在一定誤差，且數(shù)據(jù)結(jié)果圖分度值較小，不利于觀察，筆者對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分度值擴(kuò)大化處理）分析、推理、論證后（具體過程在下一部分論述），得出浮力與深度沒有關(guān)系，在此過程中培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力。

2.4? ? 軟件中的拓展信息處理

在處理軟件數(shù)據(jù)的結(jié)果中，出現(xiàn)了y軸方向的加速度（ay），在此之前曾學(xué)習(xí)過重力加速度，所以我們基于學(xué)生的最近發(fā)展區(qū)進(jìn)行類比，重力等于質(zhì)量乘以重力加速度（G=mg），而得出y軸方向（深度方向）的合力（Fy）等于質(zhì)量乘以y軸方向的加速度（Fy=may），貫徹教育內(nèi)容先行的思想，為以后牛頓第二定律的教學(xué)做好鋪墊;由上文公式Fy=may，進(jìn)一步可以寫出F■-G■=may，那么由圖像可知ay不變，G■為固定值，可推導(dǎo)出F■不變，而在此過程中深度（y）卻在改變，從而進(jìn)一步得出浮力與深度為“偽”關(guān)系。

3? ? 結(jié)束語

問題驅(qū)動存在于教學(xué)的每個環(huán)節(jié)，如教師的思考以及教師有意識安排下的學(xué)生思考，而在設(shè)計學(xué)生的預(yù)設(shè)問題時，應(yīng)符合學(xué)生當(dāng)前的認(rèn)知發(fā)展;并結(jié)合STEM理念，借助軌跡追蹤軟件，讓數(shù)據(jù)以圖像直觀表征，打破學(xué)生對浮力與深度有關(guān)的錯誤前概念，并在此過程中內(nèi)化物理觀念，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究的能力;在以后的教學(xué)中應(yīng)保持不斷增強(qiáng)教師專業(yè)能力的意識，仔細(xì)研讀教材，選擇適合且高效的教學(xué)工具，提高課堂效果，并在師生交互過程中培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]季衛(wèi)新.芻議“科學(xué)探究”的思維本質(zhì)[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2018，47（9）：33-36.

[2]胡先濤.基于認(rèn)知建模理論的“浮力-深度”觀念教學(xué)實踐研究[J].物理教學(xué)探討，2019，37（3）：31-33.

[3]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心.義務(wù)教育教科書八年級物理下冊[M].北京：人民教育出版社，2012.

[4]周新雅，張鐘文，周行.圓盤式測力計的充分合理使用[J].物理教學(xué)探討，2018，36（2）：54-55.

[5]季蓉，陳嫻.中學(xué)物理演示實驗室資源的開發(fā)與應(yīng)用研究[J].物理之友，2019（6）：4-6.

[6]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

（欄目編輯? ? 張正嚴(yán)）