基于STEM教育理念的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探究
——以“自制簡(jiǎn)易密度計(jì)”為例

李明|杭州師范大學(xué)附屬倉(cāng)前實(shí)驗(yàn)中學(xué)

STEM是Science（科學(xué)）、Technology（技術(shù)）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學(xué)）四個(gè)單詞首字母的組合，STEM教育主張將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個(gè)學(xué)科進(jìn)行綜合教學(xué)。其核心是將教學(xué)內(nèi)容以項(xiàng)目方式下發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生以完成項(xiàng)目的方式，通過(guò)確定目標(biāo)、整合資源，探究目標(biāo)達(dá)成過(guò)程，進(jìn)而完成目標(biāo)［1］。而初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)旨在不斷培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)知識(shí)，使學(xué)生在實(shí)際問(wèn)題中進(jìn)行學(xué)習(xí)探索［2］。因此，將STEM教育理念引入初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)課，可有效提升學(xué)生的綜合能力，讓其利用不同學(xué)科的知識(shí)與思維進(jìn)行思考，進(jìn)而完善知識(shí)框架。下面，筆者立足STEM教育理念在初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值與現(xiàn)狀分析，闡述基于STEM教育理念的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略。

一、STEM教育理念在初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值與現(xiàn)狀

（一）應(yīng)用價(jià)值

STEM教育理念注重學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，旨在讓學(xué)生能在不同領(lǐng)域全面發(fā)展，不斷提升學(xué)生的綜合素質(zhì)與綜合能力，在初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有較高的應(yīng)用價(jià)值。

1.激發(fā)求知欲，解決實(shí)驗(yàn)難問(wèn)題

STEM教育理念中的任務(wù)驅(qū)動(dòng)具有如下特點(diǎn)：（1）跨學(xué)科整合，能夠通過(guò)任務(wù)整合多個(gè)學(xué)科的內(nèi)容；（2）趣味性，能夠融入趣味元素；（3）體驗(yàn)性，能夠讓學(xué)生參與到活動(dòng)實(shí)踐中，通過(guò)實(shí)踐操作體驗(yàn)學(xué)習(xí)樂(lè)趣；（4）情境性，讓學(xué)生置身于特定情境中，以推進(jìn)情境發(fā)展的方式開(kāi)展學(xué)習(xí)；（5）協(xié)作性，學(xué)生在完成任務(wù)的過(guò)程中，與組內(nèi)其他學(xué)生協(xié)作完成任務(wù)。

初中生有著強(qiáng)烈的好奇心，愿意不斷進(jìn)行新的嘗試。因此，利用STEM教育理念進(jìn)行教學(xué)，能夠有效激發(fā)學(xué)生的求知欲，使學(xué)生在求知欲的帶動(dòng)下自主學(xué)習(xí)學(xué)科知識(shí)，探究實(shí)驗(yàn)的落實(shí)方式，大膽嘗試，不斷創(chuàng)新，真正參與到實(shí)際問(wèn)題的解決中，從而解決實(shí)驗(yàn)難問(wèn)題。

2.培養(yǎng)探究能力，解決動(dòng)手能力差問(wèn)題

獨(dú)立的探索能力和分析研究能力，對(duì)初中生來(lái)說(shuō)十分重要，這也是初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要目標(biāo)之一。STEM教育理念強(qiáng)調(diào)基于多個(gè)學(xué)科之間的綜合視角進(jìn)行教學(xué)，如在探究測(cè)量物體密度的方法時(shí)，學(xué)生需要用到計(jì)算、對(duì)比、實(shí)驗(yàn)等多種方式，這能有效培養(yǎng)學(xué)生的探究能力，解決動(dòng)手能力差問(wèn)題。

基于STEM教育理念開(kāi)展初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師應(yīng)以學(xué)生為主體，設(shè)計(jì)融合多元視角的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生從自己所掌握的各學(xué)科知識(shí)出發(fā)，自主思考或與同伴合作探討，從而解決問(wèn)題，提升科學(xué)探究能力。

3.發(fā)展實(shí)踐能力，解決參與度低問(wèn)題

實(shí)踐能力是人類的重要能力之一，只有獲得實(shí)踐能力，人們才能在社會(huì)上立足。在基于STEM教育理念的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師可圍繞教學(xué)需求和課程內(nèi)容，結(jié)合生活實(shí)踐設(shè)計(jì)情境，讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)。如選擇合適的材料制作滑水板時(shí)，既要考慮材料的密度必須小于水，還要考慮材料的堅(jiān)固性應(yīng)比較強(qiáng)等問(wèn)題。這就要求學(xué)生主動(dòng)思考問(wèn)題，并實(shí)際參與問(wèn)題解決的過(guò)程，不僅要?jiǎng)邮?，還要?jiǎng)幽X，從而發(fā)展實(shí)踐能力，解決參與度低問(wèn)題。

（二）應(yīng)用現(xiàn)狀

由于STEM教育在我國(guó)仍然處于初級(jí)發(fā)展階段，將其理念引入初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，仍普遍存在著一些問(wèn)題：一是教師認(rèn)識(shí)不深刻，往往側(cè)重于知識(shí)性的教學(xué)，注重講述理論，不能有效地將教材的內(nèi)容從不同學(xué)科的視角加以整合；二是學(xué)生動(dòng)手能力差，這是因?yàn)閷W(xué)生之前并沒(méi)有接觸過(guò)STEM教育，而學(xué)校也沒(méi)有提供很多機(jī)會(huì)讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)；三是教學(xué)形式化，教師往往根據(jù)教材上列出的實(shí)驗(yàn)順序，按部就班地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程枯燥，注重死記硬背，而忽略了對(duì)創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、基于STEM教育理念的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略

根據(jù)上述分析，筆者基于STEM教育理念，對(duì)“自制簡(jiǎn)易密度計(jì)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行優(yōu)化（優(yōu)化后的設(shè)計(jì)如圖1所示）。下面以此為例，闡述基于STEM教學(xué)理念的初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)策略。

圖1 “自制簡(jiǎn)易密度計(jì)”實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)情境，喚醒知識(shí)網(wǎng)絡(luò)

STEM教育理念要求構(gòu)建多元實(shí)踐情境，因此教師在開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，要設(shè)置多樣的情境以喚醒學(xué)生的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，引導(dǎo)學(xué)生回顧先前學(xué)過(guò)的相關(guān)理論知識(shí)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)應(yīng)用情境串聯(lián)知識(shí)，培養(yǎng)與鍛煉科學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。教師需要根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用情境，設(shè)置不同的問(wèn)題，讓學(xué)生進(jìn)行思考，使其積極地進(jìn)入實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

在教學(xué)中，教師可利用多媒體播放與物體沉浮條件相關(guān)的視頻，引出這節(jié)實(shí)驗(yàn)課的問(wèn)題，讓學(xué)生思考并探究物體沉浮的應(yīng)用。教師既可播放煮餃子的視頻，讓學(xué)生思考“為什么餃子剛放入水中的時(shí)候會(huì)沉在鍋底，但是當(dāng)其煮熟時(shí)就會(huì)上??？這兩種現(xiàn)象是如何產(chǎn)生的”，也可播放潛水艇在水中上升與下沉的畫(huà)面，讓學(xué)生思考“潛水艇是如何實(shí)現(xiàn)在水中自由沉浮的”。此外，教師還可先讓學(xué)生回憶之前學(xué)過(guò)的質(zhì)量概念，再以問(wèn)題“如何確定相同體積物體的質(zhì)量大小”引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究。

通過(guò)以上情境，學(xué)生會(huì)回憶起阿基米德原理，聯(lián)想到液體中浮力的應(yīng)用，物體下沉和上浮的條件。此時(shí)，教師可讓學(xué)生回憶之前做過(guò)的鹽水密度實(shí)驗(yàn)，并帶領(lǐng)學(xué)生回憶水的密度，以及物體自身密度大小與沉浮的關(guān)系，但是由之前的知識(shí)只能確定物體的密度是大于還是小于水，無(wú)法確定其具體數(shù)值，由此就能引出這節(jié)課的話題：自制密度計(jì)。教師還可讓學(xué)生進(jìn)行小組討論，思考“密度計(jì)的應(yīng)用情境有哪些”，從而將學(xué)生引入這節(jié)實(shí)驗(yàn)課中，使其在實(shí)際的應(yīng)用情境中思考，并全身心地投入后續(xù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中。

（二）討論帶動(dòng)創(chuàng)新，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案

教師需要考慮科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的融合應(yīng)用，根據(jù)學(xué)科要求，安排實(shí)驗(yàn)前的小組討論，讓學(xué)生在討論中碰撞思維、交流創(chuàng)新，明確實(shí)驗(yàn)原理，確定實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，了解實(shí)驗(yàn)操作與工藝，應(yīng)用數(shù)學(xué)思維，得出最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)論與成果。

這節(jié)實(shí)驗(yàn)課有如下要點(diǎn)：在科學(xué)學(xué)科方面，需要學(xué)生理解阿基米德原理，明確密度計(jì)的工作原理；在技術(shù)學(xué)科方面，要讓學(xué)生思考、探究、掌握制作簡(jiǎn)易密度計(jì)的工藝，并知道如何制作才能達(dá)到效果；在工程學(xué)科方面，既要通過(guò)合理安排，讓學(xué)生能夠自主設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易密度計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)思維，又要讓學(xué)生了解應(yīng)該怎樣利用吸管和輔助的材料制作簡(jiǎn)易密度計(jì)，并以其去測(cè)量液體的密度；在數(shù)學(xué)學(xué)科方面，要讓學(xué)生學(xué)會(huì)控制變量的方法，知道怎樣確定簡(jiǎn)易密度計(jì)的讀數(shù)，并能通過(guò)阿基米德原理和二力平衡原理得出公式，進(jìn)而推算出其他液體的密度。

教師要引導(dǎo)學(xué)生圍繞這四個(gè)部分的內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，并推動(dòng)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新。教師可事先準(zhǔn)備吸管、蠟燭、燒杯、螺絲、水、刻度尺、天平、量筒以及其他液體，引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合STEM教育理念中提出的整合思想整合基本資料，并通過(guò)創(chuàng)新應(yīng)用的方式自主設(shè)計(jì)密度計(jì)。在此過(guò)程中，學(xué)生可通過(guò)小組合作，尋找最佳材料。完成自主設(shè)計(jì)后，學(xué)生再根據(jù)課本知識(shí)設(shè)計(jì)密度計(jì)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢測(cè)密度計(jì)的準(zhǔn)確程度。

在小組討論中，學(xué)生思維活躍，提出了不少方案，如將蠟燭換成酒精燈，將水換成醋、酒精等。隨后，學(xué)生討論“用什么的樣方式能夠增加密度計(jì)的精確度”，并更換材料做實(shí)驗(yàn)。通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在現(xiàn)有材料中找到了能夠增加密度計(jì)準(zhǔn)確度的材料。此外，一些學(xué)生也考慮到最開(kāi)始也是最重要的一步，那就是“怎樣才可以用蠟燭把吸管的某一端給封起來(lái)”。在探究過(guò)程中，學(xué)生結(jié)合多種學(xué)科思維，整合科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)知識(shí)，從而以優(yōu)化的方式制作出了簡(jiǎn)易密度計(jì)，并用其來(lái)測(cè)量物體密度。學(xué)生還探究出使用吸管的注意事項(xiàng)，即需要進(jìn)行密封處理，因?yàn)椴幻芊饩蜔o(wú)法準(zhǔn)確地排出液體，也無(wú)法計(jì)算出到底有多少液體排出，更別說(shuō)去校準(zhǔn)刻度了。由此，每個(gè)小組都構(gòu)想出了自己的密度計(jì)制作方案。

（三）探究實(shí)驗(yàn)步驟，切實(shí)動(dòng)手實(shí)踐

基于STEM教育理念開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，教師要在學(xué)生提出制作方案后，及時(shí)讓學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐。學(xué)生只有真正地動(dòng)手參與實(shí)驗(yàn)，才能在實(shí)驗(yàn)中“知行合一”，進(jìn)而學(xué)會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并合力解決問(wèn)題。這能有效鍛煉學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)。而在得出結(jié)果的過(guò)程中，學(xué)生會(huì)自然地使用數(shù)學(xué)思維，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，從而達(dá)成STEM教育所倡導(dǎo)的教育目標(biāo)。

在簡(jiǎn)易密度計(jì)的制作過(guò)程中，學(xué)生需要經(jīng)歷以下四個(gè)步驟。

第一步，學(xué)生先用蠟燭點(diǎn)燃后流下的蠟油將吸管的一端密封起來(lái)，再將螺絲擰入吸管的另一端，從而使吸管能豎直地漂浮在液體中。在這一步驟中，學(xué)生遇到了不少問(wèn)題。比如蠟油并不能很好地將吸管封住，蠟油滴在吸管的內(nèi)壁上，需要再三嘗試才能解決這些問(wèn)題［3］。又如，由于沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)，學(xué)生很難使吸管漂浮在水中，他們往往都只在吸管中擰入一顆螺絲，而這樣并不能讓吸管漂浮在水中。經(jīng)過(guò)多次嘗試之后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)可將多個(gè)螺絲一起擰入，這樣吸管就可豎直起來(lái)了。通過(guò)多次自主探究，學(xué)生都解決了以上問(wèn)題，這就有效鍛煉了學(xué)生的技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)。

第二步，學(xué)生將做好的吸管放入裝有適量水的量筒或燒杯中，并用記號(hào)筆標(biāo)出吸管浸入水中的長(zhǎng)度H。這時(shí)，學(xué)生需要根據(jù)阿基米德原理和物體漂浮原理，推導(dǎo)出吸管浸沒(méi)在水中的長(zhǎng)度H和吸管浸沒(méi)在其他液體中的長(zhǎng)度h之間的比例關(guān)系在這一步驟中，學(xué)生需要運(yùn)用自己學(xué)過(guò)的科學(xué)知識(shí)，這能有效促進(jìn)其在科學(xué)學(xué)科方面的素質(zhì)增長(zhǎng)。而在推導(dǎo)公式的過(guò)程中，學(xué)生的數(shù)學(xué)學(xué)科素養(yǎng)也得到了提升。

第三步，學(xué)生需要考慮實(shí)驗(yàn)所用吸管的總長(zhǎng)，并根據(jù)公式計(jì)算小組制作的簡(jiǎn)易密度計(jì)在進(jìn)入其他不同密度的液體后，深度各自會(huì)是多少。由此，學(xué)生對(duì)吸管進(jìn)行分隔，標(biāo)刻度，以方便后續(xù)測(cè)量其他不同液體密度時(shí)直接讀數(shù)。在這一步驟中，學(xué)生需要運(yùn)用數(shù)學(xué)學(xué)科素養(yǎng)和技術(shù)學(xué)科素養(yǎng)。

第四步，學(xué)生將做好的簡(jiǎn)易密度計(jì)，放入裝有適量其他液體的量筒中，根據(jù)刻度讀出其密度，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，如此就完成了整個(gè)實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與填寫(xiě)表格的過(guò)程中，學(xué)生的工程學(xué)科思維能得到提升。

（四）整合學(xué)習(xí)資源，復(fù)盤(pán)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

基于STEM教育理念進(jìn)行教學(xué)，最重要的就是整合四個(gè)學(xué)科的所有相關(guān)理念。教師要站在整體的角度進(jìn)行思考，整合各學(xué)科的知識(shí)。完成實(shí)驗(yàn)后，教師先要引導(dǎo)學(xué)生復(fù)盤(pán)，分析在實(shí)驗(yàn)中遇到的問(wèn)題及相應(yīng)的解決方法，再讓學(xué)生自主優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，鍛煉其思維的各個(gè)維度，然后讓學(xué)生互相討論，尋找在這次實(shí)驗(yàn)中是否還有沒(méi)有想到的內(nèi)容，最終實(shí)現(xiàn)初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)目標(biāo)［4］。

通過(guò)討論，學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己制作出的簡(jiǎn)易密度計(jì)刻度線不是很均勻，一般都是越往上越疏松，越往下越密集，而且越往上密度值越小。同時(shí)，有的學(xué)生還提出了“如何確定自己的密度計(jì)刻度是準(zhǔn)確的？要怎樣檢驗(yàn)誤差”等值得思考的問(wèn)題。此外，有的學(xué)生分享了自己的推導(dǎo)過(guò)程，根據(jù)物體漂浮原理F浮(水)=F浮(其他液體)，以及阿基米德原理ρ水gV排(水)=ρ其他液體gV排(其他液體)，由于使用的是同一個(gè)吸管，故其橫截面積不變，也就是說(shuō)其排出液體的體積只和液面的高度相關(guān)，進(jìn)而推導(dǎo)出公式h=

學(xué)生的這些討論都是彌足珍貴的，教師可在教學(xué)的最后環(huán)節(jié)讓學(xué)生思考、整理，從設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案到制作、測(cè)量，全面考慮整節(jié)課中自己的表現(xiàn)情況。在復(fù)盤(pán)的過(guò)程中，學(xué)生能夠融會(huì)貫通四門(mén)學(xué)科知識(shí)，并利用多種思維進(jìn)行思考，這就達(dá)成了STEM教育所追求的教育效果。

綜上，在初中科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，以STEM教育理念為指導(dǎo)，能將不同領(lǐng)域的知識(shí)有機(jī)結(jié)合，使學(xué)生從不同學(xué)科的角度看待問(wèn)題，激發(fā)其學(xué)習(xí)興趣，使其實(shí)現(xiàn)各學(xué)科知識(shí)的融合提高，進(jìn)而有效提升科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。