以中考浮力命題為例探究STEM教育理念下的物理教學(xué)

陳日維，楊艷敏

福建師范大學(xué)物理與能源學(xué)院，福州 350117

在積極落實(shí)“雙減”政策并全面提高教育教學(xué)質(zhì)量的背景下，僅掌握代用物理公式方式解題顯然不能達(dá)到讓學(xué)生接受更高質(zhì)量教育的要求。如何將STEM 理念應(yīng)用于初中物理教學(xué)和考試之中，已經(jīng)成為我國(guó)物理教育工作者熱烈討論的話題［1］。2019年，教育部發(fā)布的《關(guān)于加強(qiáng)初中學(xué)業(yè)水平考試命題工作的意見(jiàn)》中指出：應(yīng)結(jié)合不同學(xué)科特點(diǎn)，合理設(shè)置試題結(jié)構(gòu)，減少機(jī)械記憶試題和客觀性試題比例，提高探究性、開(kāi)放性、綜合性試題比例，積極探索跨學(xué)科命題，提高試題情境設(shè)計(jì)水平?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中倡導(dǎo)的“跨學(xué)科實(shí)踐”包含“物理學(xué)與日常生活”“物理學(xué)與工程實(shí)踐”和“物理學(xué)與社會(huì)發(fā)展”三個(gè)二級(jí)主題，具有跨學(xué)科性和實(shí)踐性特點(diǎn)，與日常生活、工程實(shí)踐及社會(huì)熱點(diǎn)問(wèn)題密切相關(guān)，強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)課程綜合，開(kāi)展跨學(xué)科主題實(shí)踐活動(dòng)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，注重“做中學(xué)”［2］。

STEM 教育是指將科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）融為一體的教育，其學(xué)習(xí)和教學(xué)方式是達(dá)成知識(shí)再現(xiàn)、聯(lián)結(jié)、應(yīng)用、鞏固和生成的有效載體和催化劑，其跨學(xué)科整合的教學(xué)模式可以促進(jìn)學(xué)生掌握知識(shí)與技能并遷移應(yīng)用于真實(shí)問(wèn)題［3－4］。2014年，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于深化考試招生制度改革的實(shí)施意見(jiàn)》中強(qiáng)調(diào)，考試評(píng)價(jià)體系要求體現(xiàn)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題，讓學(xué)生從“解題”發(fā)展為“解決實(shí)際問(wèn)題”。因此，建立STEM 引領(lǐng)下的初中物理命題制，既能體現(xiàn)以學(xué)生發(fā)展為本的核心素養(yǎng)導(dǎo)向下的深化課程改革和評(píng)價(jià)，又能體現(xiàn)對(duì)學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)整合與應(yīng)用的考查，體現(xiàn)從“生活”到“試題”的遷移，再?gòu)摹霸囶}”到“生活”的升華。2017年衢州中考物理第35 題以建設(shè)屋頂光伏電站工程為情境，在引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注社會(huì)生產(chǎn)實(shí)踐的同時(shí)，考查學(xué)生對(duì)電路連接、歐姆定律、電功和電功率以及地球與宇宙等科學(xué)知識(shí)的掌握和綜合應(yīng)用。2018年重慶市中考物理題，將《岳陽(yáng)樓記》中的“皓月千里，浮光躍金，靜影沉璧”作為題干，以選擇題的形式考查學(xué)生對(duì)反射、折射等知識(shí)的理解。

本文以“雙減”政策實(shí)施后的物理中考浮力相關(guān)試題為例，以STEM教育理念中的“科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)”四個(gè)維度為抓手，剖析試題情境、測(cè)試目標(biāo)和評(píng)價(jià)作用，挖掘命題的育人功能和導(dǎo)向作用，引導(dǎo)與促進(jìn)初中物理教學(xué)質(zhì)量的提升，以評(píng)促教、以評(píng)促學(xué)和以評(píng)育人，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生的物理核心素養(yǎng)。

1 考情分析

隨著“雙減”政策落地，2022年（“雙減”政策施行后的首年）的物理中考命題也在悄然發(fā)生變化，物理考題遵循“依標(biāo)命題、難度適宜、教考銜接”的原則，重視基礎(chǔ)又有提高，源于教材又有創(chuàng)新，考查全面又有側(cè)重，貼近生活又緊跟時(shí)代。與壓強(qiáng)、物體的密度等相關(guān)的浮力計(jì)算是中考物理的重點(diǎn)與難點(diǎn)內(nèi)容，是中考物理近些年的熱點(diǎn)和重點(diǎn)考查題型。本文充分調(diào)研了2022年山東、湖北、福建、廣東、廣西和江蘇等地的中考試卷中浮力相關(guān)試題（表1），分析命題特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)這些浮力相關(guān)命題的情境與工程、技術(shù)密切相關(guān)，涵蓋了豐富的生活實(shí)際、高新科技情境、不同板塊、不同學(xué)科的知識(shí)，核心考點(diǎn)“隱藏”于命題情境中。雖然試題文字篇幅明顯增加，但計(jì)算難度和考點(diǎn)與歷年實(shí)質(zhì)上相差無(wú)幾。不過(guò)，“雙減”政策下物理中考命題在考查學(xué)生的計(jì)算和公式運(yùn)用能力基礎(chǔ)上，更關(guān)注學(xué)生有效提取信息、構(gòu)建模型，增強(qiáng)對(duì)多學(xué)科、寬領(lǐng)域知識(shí)整合應(yīng)用的能力。“雙減”政策實(shí)施前的部分教學(xué)模式顯然不能滿足新時(shí)期下創(chuàng)新品質(zhì)人才培養(yǎng)的要求，必須要做相應(yīng)調(diào)整。

表1 2022年部分地區(qū)中考及模擬考試浮力計(jì)算題、綜合題考題情境

2 基于STEM教育理論對(duì)中考浮力計(jì)算題的深入探討

STEM教育理念旨在解決學(xué)科孤立、課本知識(shí)碎片化的問(wèn)題，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的綜合素質(zhì)，與現(xiàn)階段我國(guó)正在大力推行的跨學(xué)科實(shí)踐存在很強(qiáng)的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。下面將基于STEM教育理論中“S（科學(xué)）、T（技術(shù)）、E（工程）、M（數(shù)學(xué)）”四個(gè)維度，以浮力內(nèi)容為切入點(diǎn)，深入剖析初中物理中考試題的考點(diǎn)、情境、難度。

例1（2022年福建中考第24 題）如圖1 是一款能自動(dòng)沉浮的潛水玩具，正方體潛水器內(nèi)裝有智能電磁鐵，將它放入裝有水的圓柱形薄壁容器中，容器放置在水平鐵板上，不計(jì)容器的重力。潛水器啟動(dòng)后通過(guò)傳感器測(cè)出其底部與鐵板間的距離L，自動(dòng)調(diào)節(jié)電磁鐵電流的大小，改變潛水器與鐵板間的吸引力F 的大小。閉合開(kāi)關(guān)前，潛水器處于漂浮狀態(tài)。閉合開(kāi)關(guān)，潛水器啟動(dòng)后先勻速下沉，完全浸沒(méi)入水中后，變?yōu)榧铀傧鲁林敝寥萜鞯撞浚鲁寥^(guò)程F 隨L 變化的關(guān)系保持不變，水深變化的影響可忽略不計(jì)。已知潛水器的邊長(zhǎng)為10 cm，重為5 N，容器的底面積為1000 cm2，水深為25 cm。求：

圖1 例1 示意圖

（1）潛水器漂浮時(shí)受到的浮力；

（2）下沉全過(guò)程潛水器受的重力所做的功；

（3）潛水器沉底靜止后容器對(duì)鐵板的壓強(qiáng)。

STEM 理論分析：試題涉及科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)四個(gè)維度的知識(shí)（表2），是一道培養(yǎng)學(xué)生形成多學(xué)科素養(yǎng)、利用相關(guān)綜合知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的典型綜合計(jì)算題。試題以常見(jiàn)的潛水器玩具為模型，實(shí)際考查了傳感器和電磁感應(yīng)現(xiàn)象在生活中的實(shí)際應(yīng)用，其中涉及定量分析的科學(xué)思想和推理的邏輯方法。學(xué)生在掌握浮力、壓強(qiáng)、重力做功相關(guān)知識(shí)的基礎(chǔ)上，還要深刻理解試題真實(shí)的應(yīng)用模型，突破定量分析運(yùn)動(dòng)過(guò)程的難點(diǎn)。與此同時(shí)，試題重點(diǎn)還是考查學(xué)生對(duì)浮力、壓強(qiáng)核心考點(diǎn)知識(shí)的掌握情況，對(duì)于技術(shù)上傳感器的工作原理、電流的相關(guān)知識(shí)、工程上玩具下沉的過(guò)程并不是本題的解題關(guān)鍵，對(duì)于數(shù)學(xué)能力的考查也只是簡(jiǎn)單的代數(shù)計(jì)算和一次函數(shù)的應(yīng)用。試題中的電吸力可以根據(jù)阿基米德原理解答。通過(guò)STEM 理論分析，可以看出本題是以科學(xué)內(nèi)容為重點(diǎn)，以技術(shù)、工程為背景，以數(shù)學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)的題目組合，解題時(shí)應(yīng)快速檢索信息，分離干擾因素。

表2 2022年福建中考第24 題的STEM 理論分析

例2（2022年山東濱州中考第24 題）建造某跨江大橋時(shí)，需將長(zhǎng)百米、重千余噸的橋梁從江中吊起，如圖2 施工時(shí)采用了將橋梁與水面成一定傾角出水的起吊方案。為了探究該方案的合理性，某學(xué)習(xí)小組做了以下兩個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)。水平桌面上放置一個(gè)裝有適量水的燒杯，杯的底面積為1×10－2m2，將小金屬板用細(xì)線吊著，然后將其浸沒(méi)在燒杯內(nèi)的水中，杯中的水沒(méi)有溢出；將同一小金屬板分別與水面平行和與水面成一定傾角從水下緩慢拉出，如圖3 乙、丙所示。在這兩個(gè)過(guò)程中測(cè)力計(jì)所受拉力的變化情況，如圖3 中丁圖坐標(biāo)圖像所示。（g＝10 N/kg，ρ＝1×103kg/m3）求：

圖2 例2 示意圖

圖3 模擬實(shí)驗(yàn)圖

（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)2 中最大拉力比實(shí)驗(yàn)1 中最大的拉力減小了多少；

（2）小金屬板的密度；

（3）當(dāng)小金屬板浸沒(méi)水中后，水對(duì)燒杯底部增大的壓強(qiáng)。

STEM 理論分析：表3 給出了基于STEM 理論的四個(gè)維度的分析。試題不僅是單純的浮力計(jì)算題，還涉及到了分子間作用力的知識(shí)以解釋最大拉力不等的情況，是一道典型的以工程知識(shí)為背景的計(jì)算題。工程方面，兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)論已在圖形中體現(xiàn)，學(xué)生無(wú)需了解其中的受力原理，只要抓住圖像突變時(shí)對(duì)應(yīng)的物理原因就可以輕松解題。然而，試題蘊(yùn)含了科學(xué)探究中的問(wèn)題、證據(jù)、解釋和交流等要素，注重凸顯“做中學(xué)”的育人價(jià)值。

表3 2022年山東濱州中考第24 題STEM 理論分析

例3（2022年重慶中考模擬第22 題）智能制造是第四次工業(yè)革命的核心技術(shù)，如圖4所示是為圓柱體涂抹防護(hù)油的智能裝置。其外殼是敞口的長(zhǎng)方體容器，距容器底面h0處固定一個(gè)支撐板C，C 的中心有一小圈孔，圓柱體放在支撐板C 的正中央。長(zhǎng)方體的左下角有注油口，防護(hù)油能夠勻速注入長(zhǎng)方體容器內(nèi)部，當(dāng)油的深度為0.175 m 時(shí)，圓柱體剛好浮起離開(kāi)支撐板C。隨著液面升高，圓柱體豎直上浮，當(dāng)油面上升到壓力傳感器時(shí)，停止注油，此時(shí)撐桿的P 點(diǎn)對(duì)圓柱體有20 N 的豎直向下的壓力。已知h0＝0.1 m，小圓孔面積S0＝8×10－3m2，圓柱體底面積S＝2×10－2m2，圓柱體重12 N，支撐板C 的厚度不計(jì)，g 取10 N/kg。求：

圖4 例3 示意圖

（1）注油前，圓柱體對(duì)支撐板C 的壓強(qiáng)；

（2）圓柱體剛好浮起離開(kāi)支撐板C 時(shí)浸入油中的體積；

（3）圓柱體的高度。

STEM 理論分析：本題是基于智控裝置的應(yīng)用型計(jì)算題（表4），試題用油作為液體并且通過(guò)注油的方式來(lái)逐漸增加浮力，背景較為新穎。學(xué)生不僅要應(yīng)用浮力的知識(shí)解題，更要看懂圖片，腦海中構(gòu)建受力模型。學(xué)生在解題時(shí)只需要對(duì)技術(shù)、工程板塊進(jìn)行了解，題目重點(diǎn)考查了相關(guān)物理定理和基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)運(yùn)算。

表4 2022年重慶中考模擬第22 題STEM 理論分析

3 基于STEM 教育的浮力章節(jié)教學(xué)啟示

3.1 補(bǔ)充跨學(xué)科素材，創(chuàng)設(shè)多樣情境

STEM教育理念下，物理試題存在閱讀量增加和情境多變等新趨勢(shì)，部分學(xué)生存在科學(xué)知識(shí)面過(guò)窄、跨學(xué)科間知識(shí)遷移性差等問(wèn)題，無(wú)疑將增加試題閱讀理解能力的難度，并影響試題正確解答。因此，適當(dāng)結(jié)合工業(yè)與生活情境（如輪船吃水線、潛艇載壓艙等），融入其他學(xué)科知識(shí)形成跨學(xué)科學(xué)習(xí)材料包（表5），教師從交叉學(xué)科角度闡釋物理知識(shí)，既能通過(guò)學(xué)科交叉聯(lián)系增加學(xué)生的興趣，又可以有效鞏固學(xué)生的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)，串聯(lián)起學(xué)生的知識(shí)碎片。

表5 基于STEM 理論的跨學(xué)科學(xué)習(xí)材料包舉例

具體到浮力部分，教師可以引導(dǎo)學(xué)生利用所學(xué)的浮力和工程知識(shí)自行設(shè)計(jì)、改進(jìn)潛水艇，或是還原試題情境，將試題本身的情境引用至課堂之中。創(chuàng)造多樣情境可以將教學(xué)的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到對(duì)于知識(shí)點(diǎn)的深入理解上來(lái)，優(yōu)化原有的設(shè)問(wèn)內(nèi)容，在教學(xué)中補(bǔ)充大量的相關(guān)跨學(xué)科知識(shí)，提供跨學(xué)科學(xué)習(xí)的材料包，進(jìn)行跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，如小組形式匯報(bào)、試寫(xiě)科技論文、物化研究成果等新的活動(dòng)項(xiàng)目，讓學(xué)生去主動(dòng)尋找學(xué)科間的知識(shí)聯(lián)系，增加其知識(shí)的厚度。

3.2 培養(yǎng)學(xué)生高階思維能力，注重知識(shí)應(yīng)用

試題的新情境還重點(diǎn)考查了學(xué)生在思維上的舉一反三、知識(shí)的靈活應(yīng)用能力，物理學(xué)習(xí)離不開(kāi)培養(yǎng)學(xué)生對(duì)于物理概念、習(xí)題分析能力的強(qiáng)化，這將決定學(xué)生的高階思維能力認(rèn)知層次中的“分析、評(píng)價(jià)、創(chuàng)造”三個(gè)指標(biāo)［5－6］。從豐富學(xué)生的經(jīng)歷和體驗(yàn)入手，在相關(guān)事實(shí)上獲得抽象結(jié)論，由感性到理性，再落實(shí)到新情境下相同問(wèn)題中，列舉“換湯不換藥”的例子，由理性再到感性。如此反復(fù)，實(shí)現(xiàn)從具體現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)逐步升華至物理觀念的建構(gòu)和科學(xué)思維的認(rèn)知。例如，從“阿基米德測(cè)金王冠密度”的故事中可以獲得浮力大小的影響因素，教師可以引導(dǎo)學(xué)生學(xué)以致用，利用類(lèi)似的方法測(cè)出鐵塊、銅塊的密度，并將此內(nèi)容設(shè)置為STEM 主題的課后調(diào)查作業(yè)以增加學(xué)生實(shí)際體驗(yàn)，可再獲得新的感性認(rèn)識(shí)，這時(shí)學(xué)生自然就會(huì)開(kāi)始思考實(shí)驗(yàn)過(guò)程的設(shè)置、結(jié)論的收集整理等一系列科學(xué)探究過(guò)程。

根據(jù)2022年物理中考試題分析可知，教師可以在工程技術(shù)為背景、科學(xué)為重點(diǎn)、數(shù)學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)的模式下編制試題。在日常練習(xí)中有意識(shí)地培養(yǎng)學(xué)生利用STEM 表格的分析方式研究試題，將試題的設(shè)問(wèn)、背景從“科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)”四個(gè)角度剖析，排除干擾的文字，將核心知識(shí)點(diǎn)慢慢剝離出來(lái)，找到“科學(xué)”部分內(nèi)容作為核心知識(shí)檢索找到解題思路。經(jīng)過(guò)有意識(shí)地多次訓(xùn)練后，學(xué)生能自己歸納出考點(diǎn)信息，在后期的復(fù)習(xí)課中學(xué)生也會(huì)自主加強(qiáng)對(duì)相關(guān)章節(jié)內(nèi)容的重點(diǎn)復(fù)習(xí)。以上是基于STEM 理論，對(duì)2022年全國(guó)多地市浮力中考及模擬題分析和提升學(xué)生解決問(wèn)題能力的一點(diǎn)教學(xué)啟示，以期能在未來(lái)的初中物理教學(xué)中提供一點(diǎn)參考。