貫徹STEM教育理念設(shè)計(jì)“制作‘潛水員’

范群英

〔摘? ? 要〕? 隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，解決任意一個(gè)領(lǐng)域的問(wèn)題都有可能涉及多個(gè)領(lǐng)域。國(guó)家的發(fā)展迫切需要全面發(fā)展的綜合型人才，為此，教育部制定了2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，其修訂原則堅(jiān)持目標(biāo)、問(wèn)題及創(chuàng)新三個(gè)導(dǎo)向。STEM教育理念將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)進(jìn)行有效融合，不僅能夠提升學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，而且還可以培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)合作精神及創(chuàng)新精神。本文以“制作‘潛水員——認(rèn)識(shí)浮力”項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行闡述，以期為STEM在小學(xué)科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供一個(gè)參考視角。

〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué)；STEM教育理念；教學(xué)設(shè)計(jì)

〔中圖分類(lèi)號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? ? （2024）? 11? ? 064-066

一、前言

STEM教學(xué)理念起源于20世紀(jì)80年代美國(guó)，歷經(jīng)三十幾年的發(fā)展，目前已成為多個(gè)國(guó)家培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的戰(zhàn)略性教育策略。它以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、問(wèn)題解決為導(dǎo)向，聯(lián)系生活實(shí)際。學(xué)生利用所學(xué)知識(shí)大膽設(shè)想，調(diào)查研究，親身體驗(yàn)多學(xué)科整合的方法，將直接經(jīng)驗(yàn)內(nèi)化為自身的能力。它有利于激發(fā)學(xué)生興趣，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)，加深理解，培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作交流能力。將其應(yīng)用到小學(xué)科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)中，探索出更多具有可操作性的教學(xué)設(shè)計(jì)，可大力推動(dòng)小學(xué)科學(xué)教育的發(fā)展。本文以基于STEM教育理念的“制作‘潛水員——認(rèn)識(shí)浮力”項(xiàng)目式教學(xué)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行闡述。

二、貫徹STEM教育理念設(shè)計(jì)“制作‘潛水員——認(rèn)識(shí)浮力”項(xiàng)目式教學(xué)

（一）課程背景與目標(biāo)

浮力，是指浸在流體內(nèi)的物體受到流體豎直向上的作用力，與重力的方向相反。古希臘阿基米德在兩千多年前發(fā)現(xiàn)了浮力原理。即物體在液體（或氣體）中所受浮力，等于所排開(kāi)的液體（或氣體）的重量。早期，人類(lèi)通過(guò)觀(guān)察和探索水中生物，發(fā)現(xiàn)魚(yú)靠魚(yú)鰾在水中能自由地上浮下潛。受到魚(yú)類(lèi)等水生動(dòng)物的啟發(fā)以及對(duì)水下環(huán)境的需求，人類(lèi)設(shè)計(jì)出能在水下上浮下潛的工具——潛艇。

本課程通過(guò)讓五年級(jí)學(xué)生了解浮力現(xiàn)象及其產(chǎn)生原理，并通過(guò)簡(jiǎn)單的浮力實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生探索潛艇上浮下潛的原理，鍛煉動(dòng)手實(shí)踐能力，初步認(rèn)識(shí)浮力與阿基米德原理，為將來(lái)的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

（二）課程領(lǐng)域

科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)、藝術(shù)。

（三）建議年級(jí)

五年級(jí)。

（四）建議時(shí)間

70分鐘。

（五）課程任務(wù)

認(rèn)識(shí)浮力的概念及其產(chǎn)生的原理，知道潛艇上浮下潛的原理；利用給定的材料學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)并制作“潛水員”，讓“潛水員”在水中能沉浮。

（六）教學(xué)過(guò)程

1.故事導(dǎo)入激發(fā)興趣（15分鐘）

師：上課之前，先給大家講一個(gè)故事。從前，有個(gè)孩子叫文彥博，是一個(gè)愛(ài)動(dòng)腦筋的孩子。有一天，他和幾個(gè)朋友在室外踢球玩。踢了一會(huì)兒，有一個(gè)小朋友使勁踢了一腳，球飛得老遠(yuǎn)，飛到了一棵老樹(shù)之后。大家找了許久，發(fā)現(xiàn)球滾到了一個(gè)很深的樹(shù)洞里。有的小朋友用棍子捅，有的小朋友用手掏，但樹(shù)洞不僅深，還彎彎曲曲，小朋友們絞盡腦汁都無(wú)法將球取出。最后，文彥博想了一個(gè)辦法，取出了樹(shù)洞里的球。你們猜猜文彥博想出什么辦法取到樹(shù)洞里的球的？

生：給樹(shù)洞灌水。

師：對(duì)了！他往樹(shù)洞里頭灌水。那為什么往樹(shù)洞里頭灌水，就能取到球呢？

生：因?yàn)楦×?，球?huì)浮起來(lái)。

師：這節(jié)課，我們先來(lái)了解一下浮力。

簡(jiǎn)述浮力的概念和形成原理。

教師講述一則關(guān)于阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力的故事及浮力公式：F浮=[ρ]gV排，向?qū)W生講解浮力的原理：當(dāng)物體處于液體或氣體中時(shí)，由于上、下表面所處深度不同，受到液體或氣體的壓力也不相等，下表面受到向上的壓力比上表面受到向下的壓力大，上、下表面的壓力差就形成浮力。因此，浮力的方向是豎直向上的。

教師接著講述一則牛頓被一個(gè)自由落體的蘋(píng)果砸中后發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力定律的故事以及重力公式：G=mg。重力的方向是豎直向下的，大小與物體的質(zhì)量有關(guān)。

教師講解并畫(huà)示意圖：當(dāng)物體上浮時(shí)，它所受到的浮力大于自身重力；當(dāng)物體漂浮或懸浮時(shí)，它所受到的浮力與自身重力相等；當(dāng)物體下潛時(shí)，它所受到的浮力小于自身重力。

簡(jiǎn)述浮力的相關(guān)應(yīng)用。介紹潛艇上浮與下潛的原理。

師：浮力在我們的日常生活中有哪些應(yīng)用呢？

生：游泳圈、浮板讓我們?cè)谟斡镜臅r(shí)候浮起來(lái)。

師：對(duì)，浮力的應(yīng)用例子有很多，比如輪船、氣球、潛艇和飛艇等。

教師播放視頻展示潛艇上浮下潛，引導(dǎo)學(xué)生思考并回答以下問(wèn)題：潛艇很沉，為什么可以在水中上浮與下潛呢？

師：通常潛艇主要通過(guò)以下兩個(gè)途徑實(shí)現(xiàn)上浮與下潛的。一是調(diào)節(jié)水艙內(nèi)的水量；二是調(diào)節(jié)潛艇俯角與仰角加上發(fā)動(dòng)機(jī)的推力。由于水下壓力的存在，每艘潛艇都有一定的安全深度范圍，超過(guò)這個(gè)范圍，潛艇出現(xiàn)故障甚至造成事故的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)增加。因此，潛艇下潛到一定深度必須“踩剎車(chē)”。而要讓潛艇在水中保持一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的懸浮狀態(tài)，就要讓潛艇和周?chē)w的比重保持基本一致。要做到這一點(diǎn)，高壓氣瓶起到了關(guān)鍵的作用。潛艇所配備的高壓氣瓶的用處相當(dāng)于魚(yú)鰾。這種“魚(yú)鰾”與水艙配合才能改變潛艇的比重，實(shí)現(xiàn)潛艇的浮沉。

2.執(zhí)行任務(wù)（50分鐘）

出示任務(wù)和評(píng)價(jià)量規(guī)（5分鐘）。

任務(wù)：每個(gè)小組利用所給材料設(shè)計(jì)制作一個(gè)能在水里上浮下潛的“潛水員”。

材料：（以小組為單位）空的礦泉水瓶1個(gè)、剪刀1把、吸管若干、回形針若干、水。

評(píng)價(jià)量規(guī)（見(jiàn)文后附表）。

3.設(shè)計(jì)（10分鐘）

各小組在理解潛艇在水中上浮下潛原理的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制作方案。教師在教室內(nèi)巡視，觀(guān)察各小組設(shè)計(jì)情況，并用問(wèn)題引導(dǎo)學(xué)生思考。

什么樣的結(jié)構(gòu)可以保證“潛水員”在水中上浮下潛？

使用幾枚回形針合適？回形針少了或者多了，各有什么現(xiàn)象？

如何讓設(shè)計(jì)的“潛水員”在水中上浮下潛的過(guò)程中不散架？

畫(huà)好設(shè)計(jì)圖后到教師處領(lǐng)取材料。

制作（15分鐘）：學(xué)生以小組為單位進(jìn)行“潛水員”的制作。將空的礦泉水瓶裝水，放入做好的“潛水員”，擰緊瓶蓋。

測(cè)試（10分鐘）：嘗試用手用力擠壓瓶身后放松，觀(guān)察瓶?jī)?nèi)“潛水員”出現(xiàn)什么樣的現(xiàn)象，并思考產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因。測(cè)試三次，看各小組制作的“潛水員”上浮下潛的能力，以及制作的“潛水員”結(jié)實(shí)程度。如果失敗，重新設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試。

匯報(bào)展示（10分鐘）：在時(shí)間充裕的情況下，給每個(gè)小組至少2分鐘的時(shí)間介紹小組設(shè)計(jì)思路、制作過(guò)程。其他小組學(xué)生可以提問(wèn)，被提問(wèn)小組需做出回答。

4.總結(jié)（5分鐘）

教師播放實(shí)驗(yàn)演示視頻，對(duì)本課程進(jìn)行總結(jié)，并解釋自制“潛水員”能夠上浮下潛的原理：當(dāng)我們按壓礦泉水瓶時(shí)，由于瓶?jī)?nèi)水的壓力增加，水被壓入吸管，從而增加“潛水員”身上的重力，“潛水員”所受重力大于浮力后下沉；當(dāng)撤去雙手壓力時(shí)，瓶?jī)?nèi)水的壓力降低，被壓入吸管內(nèi)的水流出，“潛水員”身上的重力減少，“潛水員”上浮。

三、結(jié)語(yǔ)

在新課程標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下，教師將STEM理念合理地應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)中，不但有利于激發(fā)學(xué)生的探究興趣，而且培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。因此，在今后的科學(xué)教學(xué)中，教師應(yīng)繼續(xù)借助STEM的優(yōu)勢(shì)，探索出更多具有可操作性的教學(xué)設(shè)計(jì)，進(jìn)而推動(dòng)小學(xué)科學(xué)教育的發(fā)展。

【本文系建甌市2022年度教育科研立項(xiàng)課題“STEM在小學(xué)科學(xué)教學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究”階段研究成果，課題立項(xiàng)批準(zhǔn)號(hào)B22002】

參考文獻(xiàn)

[1]黃樺.基于STEM教育理念的科學(xué)教學(xué)[J].教學(xué)與管理，2018（21）：109-112.

[2]陳如平，李佩寧.美國(guó)STEM課例設(shè)計(jì)（小學(xué)卷）[M].北京：教育科學(xué)出版社，2018.