STEM教育與初中物理實(shí)踐活動(dòng)的融合教學(xué)
——以學(xué)生制作“彈簧測(cè)力計(jì)”為例

唐揚(yáng)英

(淮南市龍湖中學(xué) 安徽淮南 232000)

引言

STEM教育起源于20世紀(jì)90年代的美國，目前已普遍應(yīng)用在全世界的中小學(xué)教育中。STEM是科學(xué)(Science)、技術(shù)(Technology)、工程(Engineering)和數(shù)學(xué)(Mathematics)四門學(xué)科的英文首字母縮寫，它不是四科的簡單疊加，而是著力于將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)教育進(jìn)行深度融合，形成有機(jī)的整體。它注重通過真實(shí)情景下的問題探究，以問題為導(dǎo)向，進(jìn)行知識(shí)的重建和整合，以達(dá)到思維的拓展和綜合能力的提升，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新型人才和技能型人才的培養(yǎng)。2017年我國教育科學(xué)院發(fā)布了《中國STEM教育白皮書》，提出：STEM教育包括了STEM學(xué)科課程和綜合課程，讓我們的學(xué)生從小接受STEM課程教育，是為了建立其系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，讓其掌握科學(xué)的思維方法，培養(yǎng)其良好的思維習(xí)慣，在學(xué)習(xí)過程中，更加注重學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)創(chuàng)造性解決問題的能力培養(yǎng)。2018年5月，我國教育科學(xué)院再次推出了《中國STEM教育2029創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃》，這標(biāo)志著我國從基礎(chǔ)教育層面落實(shí)培養(yǎng)面向未來的科技創(chuàng)新型人才計(jì)劃已經(jīng)開始全面正式實(shí)施。它提倡STEM教育應(yīng)該惠及全體學(xué)生，以便能夠?qū)ξ磥砣瞬诺膭?chuàng)新思維和科學(xué)探究能力進(jìn)行有效的培養(yǎng)。

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》在課程性質(zhì)中指出：作為科學(xué)教育的組成部分，作為自然科學(xué)的基礎(chǔ)課程，義務(wù)教育階段的物理課程的目標(biāo)是提高全體學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。在這一階段，物理課程不僅應(yīng)該注重傳授科學(xué)知識(shí)和訓(xùn)練基本技能，而且更應(yīng)該注重培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、探究能力和創(chuàng)新意識(shí)以及科學(xué)態(tài)度、科學(xué)精神等。而這些都與STEM教育理念不謀而合。

下面筆者以具體的課例——制作彈簧測(cè)力計(jì)，從實(shí)踐的角度闡述怎樣在物理教學(xué)中融入STEM教育，通過讓學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的方式，提升學(xué)生創(chuàng)造性解決問題的能力。

一、教材分析

本課題參考的是滬粵版物理教材八年級(jí)下冊(cè)第六章第二節(jié)的課外活動(dòng)：探究彈簧測(cè)力計(jì)的原理；制作彈簧測(cè)力計(jì)。課題設(shè)計(jì)將橡皮筋換成彈簧，是考慮到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的知識(shí)應(yīng)用拓展，培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)，也是考慮到橡皮筋的彈性限度較小。教材內(nèi)容如圖1所示：

二、設(shè)計(jì)思路

為了既體現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)的基本理念又能與STEM教育理念有效融合，圍繞本課題的內(nèi)容，筆者以學(xué)生為本，制定了如下具有針對(duì)性的具體的教學(xué)目標(biāo)。

S(科學(xué))：理解胡克定律，知道物體重力與質(zhì)量的關(guān)系。

T(技術(shù))：能夠通過實(shí)踐活動(dòng)掌握制作彈簧測(cè)力計(jì)的工藝。

E(工程)：能夠設(shè)計(jì)方案——怎樣利用彈簧和其他材料和工具做成一個(gè)測(cè)力計(jì)，并利用自制測(cè)力計(jì)測(cè)量物體的重力。

M(數(shù)學(xué))：能夠確定并控制變量，得出彈性限度內(nèi)彈簧長度的變化量與受力大小成正比的規(guī)律，利用物體的重力和質(zhì)量的關(guān)系進(jìn)行換算并標(biāo)度測(cè)力計(jì)。

三、具體實(shí)施

(一)學(xué)生分組

基于以上設(shè)計(jì)思路，筆者將48名學(xué)生，按每組4人，分成了12組。

(二)提出任務(wù)一

1.實(shí)驗(yàn)引入，聚焦問題

師：由實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)彈簧施力越大，彈簧伸得就越長。彈簧的伸長量與其受到的拉力大小有何關(guān)系?

生：彈簧受到的拉力越大，它的伸長量就越大。伸長量可能與受到的拉力大小成正比。

點(diǎn)評(píng)：學(xué)生根據(jù)初步的實(shí)驗(yàn)印象及數(shù)學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備，提出自己的猜想，既體現(xiàn)了學(xué)生一定的科學(xué)素養(yǎng)又凸顯了一定的學(xué)科互通意識(shí)。

師：今天請(qǐng)同學(xué)們利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的器材，動(dòng)手驗(yàn)證一下自己的想法是否正確。每個(gè)實(shí)驗(yàn)桌上有鐵架臺(tái)、棉線、圖釘、彈簧、木板、鉤碼(50克8個(gè))、鐵絲、剪刀、硬紙板、刻度尺、鉗子等器材。

2.動(dòng)手實(shí)驗(yàn)

學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組都可以將實(shí)驗(yàn)器材參照教材圖6-20順利進(jìn)行組裝，實(shí)驗(yàn)過程中碰到的小問題，也都可以依靠小組成員間的合作一起解決。在小組間交流時(shí)學(xué)生們又有了新的發(fā)現(xiàn)。

發(fā)現(xiàn)一：為什么開始彈簧的伸長量隨拉力的倍數(shù)變化呈倍數(shù)變化，后來當(dāng)拉力大到一定時(shí)就不成正比了呢？

解決問題：

同學(xué)之間談?wù)摻涣鳎l(fā)現(xiàn)每根彈簧都有各自能承受的限度，超出彈性限度，將不再遵循伸長量與施力大小成正比這一規(guī)律。

點(diǎn)評(píng)：在處理數(shù)據(jù)的過程中，有的小組將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列成表格，有的小組將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成了圖像，處理數(shù)據(jù)時(shí)學(xué)生充分展示了自己的數(shù)學(xué)功底，感受到數(shù)學(xué)的支撐作用，無意間打破了學(xué)科間的界限，體驗(yàn)“發(fā)現(xiàn)”的驚喜。

發(fā)現(xiàn)二：雖然同一根彈簧的伸長量確實(shí)隨拉力的倍數(shù)變化呈倍數(shù)變化，但當(dāng)受力相同時(shí)，有些彈簧的伸長量并不相等，這是怎么回事呢？

解決問題：

針對(duì)問題，各組同學(xué)之間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相同的彈簧受力相同時(shí)，伸長量相同；但當(dāng)彈簧的原長、材料、粗細(xì)及彈簧圈直徑有一個(gè)不同時(shí)，即使受力相同彈簧的伸長量也是不同的。

點(diǎn)評(píng)：有了這一意外的發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的興趣明顯增強(qiáng)，特別是在發(fā)現(xiàn)多個(gè)影響因素后學(xué)生的態(tài)度更嚴(yán)謹(jǐn)。他們的思維明顯活躍了起來。

3.得出結(jié)論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)、對(duì)比，得出結(jié)論：在一定的彈性限度內(nèi)，彈簧的伸長量與其所受拉力成正比。

他們?cè)诮?jīng)過討論后還得出：如果彈簧測(cè)力計(jì)彈簧損壞，更換彈簧必須用相同的彈簧。

點(diǎn)評(píng)：實(shí)驗(yàn)過程中善于發(fā)現(xiàn)問題，并能注意到將數(shù)據(jù)在組與組之間進(jìn)行對(duì)比，能夠確定變量并加以控制，找到問題的癥結(jié)所在，而后又能由實(shí)驗(yàn)的結(jié)果馬上想到實(shí)際問題的解決方案，這不僅僅體現(xiàn)了數(shù)學(xué)知識(shí)的遷移、數(shù)學(xué)對(duì)科學(xué)的支撐，也體現(xiàn)了學(xué)生的工程素養(yǎng)。

(三)提出任務(wù)二

請(qǐng)同學(xué)們用掌握的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，解決生活中如何測(cè)量力的大小的問題，自制一個(gè)彈簧測(cè)力計(jì)。

1.動(dòng)手制作

小組同學(xué)討論后，很快進(jìn)入制作過程。各組在制作過程中雖然遇到了各種問題，但經(jīng)過群策群力，他們都很順利地解決了問題。

問題一：用圖釘、細(xì)線將彈簧懸掛在木板上時(shí)，彈簧與木板間有摩擦。

解決問題：

學(xué)生組內(nèi)討論交流后，采用了以下方案：方案一,鐵釘釘在木板上，線系在釘子上，用線將彈簧掛在釘子下方；方案二，鐵釘釘在木板上，用膠帶將鐵絲固定在釘子上,用鐵絲將彈簧掛在鐵釘下方；方案三，鐵釘釘在木板上，用鐵絲將彈簧懸掛在鐵釘下方，在釘子兩側(cè)繞多匝棉線，避免鐵絲滑動(dòng)。如圖2所示。

點(diǎn)評(píng)：制作過程中，最初學(xué)生信心滿滿，到后來越來越謹(jǐn)慎，特別是釘釘子時(shí)，學(xué)生慎之又慎，盡力避免釘子歪了或位置斜了。從結(jié)果看，方案一在測(cè)量時(shí)彈簧容易前后擺動(dòng)，視覺誤差較大。方案二測(cè)量時(shí)若鐵絲旋動(dòng)，容易造成彈簧伸長與受力不在一條直線上。方案三很好地避免了前兩種方案的弊端。在此過程中，學(xué)生不僅培養(yǎng)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹谱鲬B(tài)度，也提升了技術(shù)素養(yǎng)。

問題二：怎樣標(biāo)度彈簧測(cè)力計(jì)？

解決問題：

學(xué)生通過討論交流后得出：在不受拉力時(shí)彈簧下端對(duì)應(yīng)的木板位置標(biāo)識(shí)“0”，然后將已知質(zhì)量大小的鉤碼掛在彈簧下端的掛鉤上，在彈簧的下端對(duì)應(yīng)的木板位置做出標(biāo)志，根據(jù)G=mg將質(zhì)量轉(zhuǎn)換成力，在彈簧下端對(duì)應(yīng)木板位置標(biāo)度力的大小。

點(diǎn)評(píng)：學(xué)生根據(jù)胡克定律和G=mg解決了如何標(biāo)度的問題，這一過程使得學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的理解得到了進(jìn)一步加深，同時(shí)也促進(jìn)了工程問題的解決。

2.動(dòng)手實(shí)驗(yàn)

學(xué)生將自制的測(cè)力計(jì)懸掛在鐵架臺(tái)上，或用手提著，當(dāng)彈簧自然伸長時(shí)在彈簧下端對(duì)應(yīng)的木板位置標(biāo)零，然后在彈簧下端的掛鉤上按1個(gè)、2個(gè)、3個(gè)……依次掛上鉤碼，依次在彈簧下端對(duì)應(yīng)的木板位置標(biāo)出對(duì)應(yīng)拉力的大小。實(shí)驗(yàn)中，很多小組都不約而同地選擇了4個(gè)或5個(gè)鉤碼。學(xué)生處理的數(shù)據(jù)如下表所示：

表1 鉤碼質(zhì)量與重力的關(guān)系

問題三：彈簧下端與木板間有間距，怎樣準(zhǔn)確標(biāo)識(shí)？為什么選擇4個(gè)或5個(gè)鉤碼？

解決問題：

學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題后使用了三角尺、刻度尺或紙張的直角很快解決了這個(gè)問題，有的小組直接將筆豎直放置進(jìn)行標(biāo)記。在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為防止超出彈簧的彈性限度，大多數(shù)小組選擇4個(gè)或5個(gè)鉤碼。

點(diǎn)評(píng)：細(xì)節(jié)決定儀器的準(zhǔn)確程度，細(xì)節(jié)處見態(tài)度，細(xì)節(jié)處體現(xiàn)技術(shù)素養(yǎng)。

問題四：請(qǐng)測(cè)出一個(gè)筆袋的重力，思考如何提高儀器的精確程度。

解決問題：

學(xué)生測(cè)量過程中發(fā)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果誤差很大，一起交流討論后得出：需要進(jìn)一步分度，分度值越小，測(cè)量結(jié)果越精確。因?yàn)閺椈傻纳扉L量與拉力大小成正比，他們便用刻度尺很快地對(duì)測(cè)力計(jì)進(jìn)行了分度，并用硬紙板或鐵絲制作了指針，將指針固定在彈簧自然伸長狀態(tài)時(shí)的下端指示“0”的位置，然后再次對(duì)筆袋進(jìn)行了測(cè)量。

點(diǎn)評(píng)：學(xué)生通過對(duì)刻度的劃分、指針的制作進(jìn)一步提升了技術(shù)素養(yǎng)。

3.拓展應(yīng)用

用測(cè)力計(jì)分別測(cè)量鋼筆、剪刀、橡皮等的重力，學(xué)生交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

點(diǎn)評(píng):學(xué)生用一根普通的彈簧經(jīng)過設(shè)計(jì)，不僅探究了胡克定律，還制作了一個(gè)能測(cè)量力的測(cè)力計(jì)，同時(shí)提高了測(cè)力計(jì)的準(zhǔn)確程度，等等，體現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程中的工程學(xué)，有利于學(xué)生工程素養(yǎng)的提高。

四、評(píng)價(jià)與反思

在本節(jié)課中，筆者努力將STEM教育理念與課堂教學(xué)相融合，使STEM教育理念在教學(xué)中的各個(gè)環(huán)節(jié)中得以體現(xiàn)。但因受內(nèi)容難度和課堂時(shí)間的限制，本次教學(xué)的開放性還不夠，在研究胡克定律時(shí)，沒有完全鋪開，對(duì)問題的探討還不夠深入，在實(shí)驗(yàn)探究過程中學(xué)生萌生的很多想法也沒有得到實(shí)踐，對(duì)學(xué)生自主探究能力的培養(yǎng)還存在著一定的局限性。

五、總結(jié)

按照教學(xué)設(shè)計(jì)，筆者較成功地將初中物理課程標(biāo)準(zhǔn)與STEM教育理念進(jìn)行了融合，完成了預(yù)設(shè)的教學(xué)目標(biāo)。

S(科學(xué))：制作彈簧測(cè)力計(jì)活動(dòng)中所涉及的科學(xué)知識(shí)有胡克定律、重力與質(zhì)量的關(guān)系，標(biāo)度時(shí)注意量程的制定——不能超出彈簧的彈性限度，利用胡克定律進(jìn)行分度。學(xué)生在實(shí)踐過程中深刻理解了這些科學(xué)知識(shí)。

T(技術(shù))：在制作彈簧測(cè)力計(jì)時(shí)怎樣減少彈簧與木板的摩擦，怎樣才能較準(zhǔn)確地固定鐵釘?shù)奈恢?，怎樣才能讓懸掛彈簧的鐵絲既靈活又不會(huì)前后擺動(dòng)，怎樣才能將彈簧下端與木板上的位置較準(zhǔn)確地一一對(duì)應(yīng)，如何確定彈簧測(cè)力計(jì)的量程，怎樣提高儀器的精確程度，操作的過程中要使用哪些工具，怎樣有條不紊地進(jìn)行操作，這些問題的思考和解決，都非常有利于提升學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。

E(工程)：學(xué)生首先能夠明確任務(wù)，即探究彈簧測(cè)力計(jì)的原理，制作彈簧測(cè)力計(jì)。其次，制訂探究方案和制作方案——根據(jù)前面胡克定律探究的結(jié)果確定所制作彈簧的量程，根據(jù)胡克定律對(duì)刻度進(jìn)行劃分標(biāo)識(shí)。最后，利用自制的彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量筆袋、橡皮等的重力。從明確任務(wù)到制訂方案，再到動(dòng)手操作，優(yōu)化改進(jìn)測(cè)量工具，提高準(zhǔn)確性、精確度，較好地培養(yǎng)了學(xué)生的工程素養(yǎng)。

M(數(shù)學(xué))：在探究胡克定律的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生能夠?qū)?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在組與組之間進(jìn)行對(duì)比，很快地發(fā)現(xiàn)并確定變量，從而進(jìn)行控制變量，通過列表、畫圖像等方式得出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)論。在進(jìn)行刻度分度時(shí)，能夠利用重力與質(zhì)量的關(guān)系，將質(zhì)量與重力進(jìn)行轉(zhuǎn)換，確定分度的方式方法。這些過程不僅加深了學(xué)生對(duì)胡克定律、重力與質(zhì)量關(guān)系的認(rèn)識(shí)與理解，也很好地提升了學(xué)生的數(shù)學(xué)素養(yǎng)，為工程問題的解決起到了很好的支撐作用。