探究、整合、實(shí)踐：基于STEM教育的初中物理概念教學(xué)探索

肖 晨

（蘇州工業(yè)園區(qū)金雞湖學(xué)校，江蘇 蘇州 215021）

本文以蘇科版8年級物理“力 彈力”教學(xué)片段為例，闡述STEM教育理念下“探究、整合、實(shí)踐”的初中物理概念教學(xué)設(shè)計，以期為初中物理概念教學(xué)的實(shí)踐探索有所啟示，供一線教師參考與借鑒.

1 同質(zhì)性情境創(chuàng)設(shè)，進(jìn)階建構(gòu)物理概念

列舉學(xué)生熟悉的生活現(xiàn)象，如運(yùn)動員舉杠鈴和狗拉雪橇，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)現(xiàn)象分析得出運(yùn)動員通過舉的動作對杠鈴產(chǎn)生力，狗通過拉的動作對雪橇產(chǎn)生力.為避免學(xué)生對力的認(rèn)識存在局限性，教師提出問題：有人認(rèn)為，力是由于肌肉緊張引起的，只有人和動物才能產(chǎn)生力的作用，對嗎？你能否舉例說明……

圖1-4均取材于教材內(nèi)容，基于學(xué)生的已有經(jīng)驗(yàn)以及對教材內(nèi)容的分析，筆者將其分成兩組，進(jìn)一步分析圖3中鏟車通過舉的動作對重物產(chǎn)生力，圖4中火車頭通過拉的動作對車廂產(chǎn)生力.學(xué)生逐步領(lǐng)悟不僅人和動物能產(chǎn)生如拉、舉等力的作用，鏟車火車頭等物體也能對其他物體產(chǎn)生如拉、舉等作用.創(chuàng)設(shè)同質(zhì)性的問題情境，破除已有的迷思概念，初步建立“力”的概念.

圖1 運(yùn)動員舉杠鈴

圖2 狗拉雪橇

圖3 鏟車舉重物

圖4 火車頭拉車廂

問題1：“一個巴掌拍不響”“孤掌難鳴”說明產(chǎn)生力的作用時，一定有幾個物體同時存在？

問題2：對于手拍桌子而言，誰是施力物體？誰是受力物體？

問題3：之前列舉的力，兩個物體都是直接接觸的.不直接接觸的物體之間能否產(chǎn)生力？請舉例說明.

為了深化學(xué)生對“力”的概念的理解，以問題鏈驅(qū)動學(xué)生歸納總結(jié)“力”的本質(zhì)特征，區(qū)分受力物體與施力物體，學(xué)生以討論的形式辨識不直接接觸的物體是否產(chǎn)生力，明確其概念的外延，進(jìn)階建構(gòu)“力”的概念.

2 精細(xì)化活動體驗(yàn)，深度探究物理規(guī)律

精細(xì)化的活動設(shè)計能夠讓學(xué)生重視科學(xué)探究過程中的細(xì)節(jié)，解讀環(huán)節(jié)設(shè)計的依據(jù)，探尋物理規(guī)律的特征.筆者設(shè)計4個體驗(yàn)活動引領(lǐng)學(xué)生觀察物理現(xiàn)象、感悟概念特點(diǎn)、探究物理規(guī)律、遷移規(guī)律應(yīng)用等，采用定性觀察與定量分析相結(jié)合的方式，由淺至深、由表及里深度探究物理規(guī)律，為彈簧測力計的作品制作做好知識儲備.

活動1：借助生活中隨手取材的實(shí)驗(yàn)器材，要求學(xué)生用手對氣球、握力圈、橡皮泥、彈簧、直尺施加力，如圖5.觀察這些物體受到力時，發(fā)生了怎樣的變化？

圖5 實(shí)驗(yàn)器材

活動2：再次壓握力圈，增大對握力圈施加的外力.

活動3：探究彈簧伸長的長度與外力的關(guān)系.

活動4：用圖6實(shí)驗(yàn)裝置測量物體（兩只雞蛋、蘋果等）對它的拉力.

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置

活動1讓學(xué)生感受物體受到力的作用時，物體的形狀發(fā)生了變化，領(lǐng)會到力的作用效果是使物體發(fā)生形變.教師追問學(xué)生撤去外力后，物體發(fā)生的變化一樣嗎？能否繼續(xù)對這些發(fā)生形變的物體進(jìn)行分類？以直觀的現(xiàn)象和切身的感受幫助學(xué)生了解彈性形變與塑性形變.教師提問學(xué)生：在壓氣球、拉彈簧、壓握力圈、壓塑料尺時，增大對物體施加的外力，物體彈性形變的大小有什么變化？基于活動體驗(yàn)定性認(rèn)識物體形變程度與所受外力的關(guān)系，為探尋彈簧伸長的長度與外力的關(guān)系做好鋪墊.

活動2中要求學(xué)生用力壓握力圈時，分享手有什么感覺.同時歸納一下彈力定義.學(xué)生小組活動后討論用力壓握力時會產(chǎn)生兩個彈力，手對握力圈的彈力是由手發(fā)生彈性形變產(chǎn)生的，而握力圈對手的彈力是由握力圈發(fā)生彈性形變產(chǎn)生的，均是施力物體發(fā)生彈性形變后，力圖恢復(fù)其原來的形狀，而對另一個物體產(chǎn)生的力.該活動的設(shè)計精準(zhǔn)指出學(xué)生認(rèn)識上存在的疑惑，幫助學(xué)生把握彈力的概念，也是彈力概念理解上的難點(diǎn).

活動3引導(dǎo)學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)器材，包括鐵架臺、彈簧、米尺、鉤碼（50g）探究彈簧伸長的長度與外力的關(guān)系，如圖6.由于鉤碼重力一定，為了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，選取彈簧的勁度系數(shù)為25N/m.學(xué)生判斷彈簧長度與伸長量的不同之處，經(jīng)歷猜想與假設(shè)、制定實(shí)驗(yàn)方案、收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等科學(xué)探究過程，定量分析彈簧伸長量與所受外力的大小關(guān)系，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論.

活動4要求學(xué)生測量常見的雞蛋、蘋果的對彈簧的拉力，既是對實(shí)驗(yàn)結(jié)論的遷移應(yīng)用，解決生活中的實(shí)際問題，學(xué)生思考如何測量力的大小，體會彈簧測力計裝置的雛形，也為下一節(jié)物體重力的測量做好學(xué)習(xí)準(zhǔn)備，為學(xué)生的認(rèn)知過程搭建臺階.

3 跨學(xué)科知識整合，實(shí)踐應(yīng)用作品制作

通過對力、彈力以及物體彈性形變與外力的關(guān)系等核心內(nèi)容的整合，學(xué)生綜合應(yīng)用跨學(xué)科知識開展作品制作，并不斷完善作品的質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的科學(xué)品質(zhì).突出知識的內(nèi)在聯(lián)系，鼓勵學(xué)生綜合運(yùn)用相關(guān)知識，訓(xùn)練方法與技能，創(chuàng)造性地解決實(shí)驗(yàn)器材制作任務(wù).具體任務(wù)分解包括引出問題、建構(gòu)模型、制作模型、模型改建等，如圖7.創(chuàng)設(shè)的情境要能夠進(jìn)行器材制作，并能應(yīng)用相關(guān)學(xué)科知識開展器材制作.學(xué)生以小組為單位，進(jìn)行器材模型問題研究并收集相關(guān)問題的解決技術(shù)和數(shù)據(jù)，建構(gòu)初步模型，嘗試制作器材毛胚，制作模型.學(xué)生利用新建構(gòu)的概念解決新問題，學(xué)生小組交流改進(jìn)，形成器材的成品.

圖7 作品制作任務(wù)分解

教師要求學(xué)生討論分析圖6所用裝置測量力的大小時存在的不足.教師演示將裝置中鉤子下移，外面套上透明塑料管，并把彈簧上端固定.如果標(biāo)上刻度，裝置就可隨意移動，更加方便攜帶使用，如圖8.

圖8 改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

教師補(bǔ)充器材：透明塑料管、黑色簽字筆等.要求學(xué)生小組合作自制彈簧測力計，并制定使用說明書.學(xué)生在制作改進(jìn)過程中需要選取合適的彈性材料，首先要滿足其伸長量與所受外力成正比，其次還要考慮其彈性限度范圍等.對透明塑料管的選取需要考慮透明度、密度等因素，標(biāo)注刻度時要關(guān)注相關(guān)數(shù)學(xué)知識，作品制作過程中要求學(xué)生以物理學(xué)科知識為主，適當(dāng)整合數(shù)學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)等學(xué)科內(nèi)容，在匯報作品設(shè)計與功能時，分享交流制作過程的心得體會，感悟知識間相互貫穿，敢于提出衍生的問題，如怎樣提升彈簧測力計的精確度等問題等，培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維.

4 基于STEM教育的初中物理概念教學(xué)的思考

一是關(guān)注概念建構(gòu)的探究過程.精細(xì)化的科學(xué)探究過程能夠引導(dǎo)學(xué)生深入理解物理概念建構(gòu)的過程，顯化科學(xué)方法的正確應(yīng)用，才能對物理知識體系有高階認(rèn)識，提煉知識與技能的精華.教師需要重視教材資源的二次開發(fā)，洞悉教材內(nèi)容的編排意圖，以多樣化的情境設(shè)計，采用問題鏈的形式，精心設(shè)計問題驅(qū)動學(xué)生完成探究任務(wù)，真正意義上理解基本概念、原理、規(guī)律等構(gòu)成的物理知識體系.

二是關(guān)注用以致學(xué)的內(nèi)容整合.素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)過程要求學(xué)生在運(yùn)用知識過程中實(shí)現(xiàn)知識與素養(yǎng)的互動、轉(zhuǎn)化與共生，使得知識內(nèi)容的整合具有明確的目標(biāo)導(dǎo)向，體現(xiàn)物理知識的實(shí)用性.在問題解決過程中整合知識內(nèi)容，能夠賦予知識以情境化、實(shí)踐性的特征，消除學(xué)生獲取知識的“惰性”不足，將物理知識根植于學(xué)生的實(shí)踐過程，真正發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng).

三是關(guān)注跨學(xué)科實(shí)踐的作品制作.結(jié)合學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，依托跨學(xué)科實(shí)踐進(jìn)行作品制作，完成形式多樣的活動任務(wù)，利用表現(xiàn)性評價全方位評估學(xué)生的參與過程，提升學(xué)生的高階能力.跨學(xué)科實(shí)踐的作品制作是生產(chǎn)生活中實(shí)際問題解決的真實(shí)縮影，具有綜合性、開放性、探究性等，要求學(xué)生靈活遷移知識與方法應(yīng)用于相關(guān)物理問題的解決，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計中問題解決方案的開發(fā)與優(yōu)化，實(shí)踐作品的制作與優(yōu)化.