宋云云 劉劍霜

摘? ?要：工程教育不僅對(duì)國(guó)家未來(lái)的創(chuàng)新能力和競(jìng)爭(zhēng)力有決定性影響，而且是人類(lèi)生存和發(fā)展的必要基礎(chǔ)。文章以學(xué)生實(shí)踐活動(dòng)——制作浮沉子和簡(jiǎn)易密度計(jì)為例，試圖把工程教育融入初中物理課堂教學(xué)中，努力激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：工程教育;初中物理課堂教學(xué);浮沉子;簡(jiǎn)易密度計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-6148（2019）12-0061-2

STEM教育即科學(xué)（Science）、技術(shù)（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學(xué)（Mathematics）四門(mén)學(xué)科的簡(jiǎn)稱(chēng)，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科之間的交叉融合。工程教育作為STEM教育的分支，在我國(guó)初中物理教學(xué)中很少有體現(xiàn)。教師應(yīng)在教學(xué)過(guò)程中注重工程教育的融入，在注重科學(xué)知識(shí)建立的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生問(wèn)題解決與人工造物的能力，體驗(yàn)工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程。本文從實(shí)踐層面出發(fā)——以蘇科版初中物理教材中浮沉子和簡(jiǎn)易密度計(jì)的制作為例，提供一些將工程教育融入物理課堂的思路，闡述怎樣在物理教學(xué)中融合工程教育，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)[1]。

1? ? 浮沉子制作：改進(jìn)優(yōu)化，喚起工程意識(shí)

在制作過(guò)程中，學(xué)生首先要思考瓶子的硬度、配重等條件對(duì)實(shí)現(xiàn)上浮和下沉的影響，從而選擇制作浮沉子的材料。由于懸浮狀態(tài)難以掌控，需精確調(diào)節(jié)小瓶中的水量，學(xué)生用滴管多次微調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)懸浮。教師也可引導(dǎo)學(xué)生逆向思維，即先讓小瓶沉到底，通過(guò)向水中不斷加鹽增大浮力來(lái)使其懸浮。學(xué)生靈活運(yùn)用了決定物體浮沉的另一因素——浮力，向水中加鹽確實(shí)比微調(diào)小瓶中的水量操作起來(lái)更容易，現(xiàn)象也更直觀。此外，還有學(xué)生帶來(lái)了意外的驚喜：將大瓶裝滿(mǎn)水，瓶口敞開(kāi)，小瓶漂浮在大瓶瓶口處。蓋上大瓶瓶蓋，小瓶緩慢下沉。擰開(kāi)瓶蓋，小瓶又上浮。無(wú)需擠壓瓶身，瓶蓋開(kāi)合就能實(shí)現(xiàn)浮沉子的上浮和下沉。通過(guò)制作、改進(jìn)的過(guò)程，學(xué)生更直觀地觀察到了浮沉子的浮沉現(xiàn)象，理解了其中的浮沉原理。教師要有意識(shí)地給予學(xué)生工程研究的機(jī)會(huì)，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的開(kāi)放性思維及對(duì)產(chǎn)品的優(yōu)化意識(shí)。

2? ? 簡(jiǎn)易密度計(jì)制作：解決工程問(wèn)題，培養(yǎng)工程能力

制作簡(jiǎn)易的密度計(jì)這一綜合實(shí)踐活動(dòng)是蘇科版初中物理教材2012年新增的，旨在培養(yǎng)初中生的動(dòng)手實(shí)踐能力。在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，根據(jù)工程設(shè)計(jì)流程，教師可擬定以下四個(gè)問(wèn)題讓學(xué)生分組進(jìn)行合作探究，通過(guò)將工程理念融入綜合實(shí)踐活動(dòng)中，引導(dǎo)學(xué)生逐步解決制作中的工程問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

2.1? ? 明確問(wèn)題：密度計(jì)是如何測(cè)量出液體密度的

將雞蛋放入水中，不斷向水中加鹽發(fā)現(xiàn)雞蛋漂浮時(shí)排開(kāi)液體的體積越來(lái)越小，由此引導(dǎo)學(xué)生作出推測(cè)：同一物體，它漂浮時(shí)排開(kāi)液體的體積是由液體的密度決定的[2]。通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)向?qū)W生講解密度計(jì)的原理這一新知識(shí)，建立好科學(xué)基礎(chǔ)，為制作密度計(jì)做好準(zhǔn)備。向?qū)W生展示做好的密度計(jì)，要求學(xué)生認(rèn)真觀察其構(gòu)造，選擇合適的材料進(jìn)行制作（如表1）。

表1? 制作材料

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2.2? ? 制定解決方案：如何制作密度計(jì)

教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合選取的材料大膽構(gòu)想，對(duì)密度計(jì)的構(gòu)成、外觀進(jìn)行整體的設(shè)計(jì)，并畫(huà)出簡(jiǎn)略設(shè)計(jì)圖，結(jié)合設(shè)計(jì)圖進(jìn)行制作。但是，在實(shí)際制作過(guò)程中，學(xué)生會(huì)遇到裝置底部密封困難、重心難以調(diào)節(jié)以及不易標(biāo)度等問(wèn)題。此時(shí)教師要引導(dǎo)學(xué)生明確問(wèn)題，并提出如果你是工程師會(huì)如何解決這些問(wèn)題？促使學(xué)生用盡可能多的方式進(jìn)行討論與試驗(yàn)，尋找合理的問(wèn)題解決方案。

對(duì)于用橡皮泥封口效果差、用熔化的石蠟易使封口破損等問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生綜合考慮，設(shè)計(jì)封口方案。對(duì)于配重?zé)o法確定，裝置重心難以調(diào)節(jié)的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生用微調(diào)的思想通過(guò)多次試驗(yàn)來(lái)解決。對(duì)以上問(wèn)題的思考能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。對(duì)于密度計(jì)標(biāo)度問(wèn)題，學(xué)生首先要根據(jù)教材提供的思路，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)推導(dǎo)出H和h的關(guān)系h=■·H，并理解標(biāo)度的原理。而在實(shí)際標(biāo)度時(shí)，學(xué)生又會(huì)遇到以下問(wèn)題：在吸管外壁畫(huà)刻度易被液體沖洗掉。用刀具刻畫(huà)雖不會(huì)被沖洗掉，但印記不清晰，容易造成讀數(shù)誤差，而且若刻畫(huà)力度掌握不當(dāng)還可能導(dǎo)致吸管破損滲漏。經(jīng)過(guò)對(duì)比思考之后，學(xué)生想到可以先用筆在細(xì)長(zhǎng)的紙條上畫(huà)上刻度線(xiàn)，再把紙條插入吸管內(nèi)壁中。因此，教師可建議學(xué)生在選擇材料時(shí)，首先考慮透明吸管，便于讀數(shù)。然后，使吸管豎直漂浮在水中，在管壁上標(biāo)出水面位置，即吸管浸入水中的深度H。將標(biāo)好刻度的密度計(jì)浸入不同密度的液體中，測(cè)得對(duì)應(yīng)的浸入深度h。表2是其中一組學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)，該組吸管總長(zhǎng)15 cm，浸入水中的深度為10 cm。根據(jù)標(biāo)度公式h=■·H，計(jì)算出該密度計(jì)浸入不同密度的液體時(shí)的浸入深度。

表2 液體密度與吸管浸入液體深度

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根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在吸管上標(biāo)出相應(yīng)的刻度線(xiàn)（圖1）。在密度計(jì)制作過(guò)程中學(xué)生不斷思考、探究，促進(jìn)了一系列工程問(wèn)題的解決。學(xué)生的工程實(shí)踐能力得到了一定的培養(yǎng)。

2.3? ? 分析解決方案：如何用密度計(jì)測(cè)量液體的密度

密度計(jì)制作完成之后，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)其測(cè)量的精確程度進(jìn)行檢驗(yàn)。先用天平和量筒根據(jù)ρ=■測(cè)出飽和食鹽水的密度，再用自制密度計(jì)測(cè)量[3]。比較兩種測(cè)量方法哪種更為準(zhǔn)確，得出利用密度計(jì)測(cè)量未知液體密度的便捷性，初步感受工程設(shè)計(jì)給人類(lèi)社會(huì)和生活帶來(lái)的便利。之后教師可以引導(dǎo)學(xué)生對(duì)食油、醬油等液體的密度進(jìn)行測(cè)量，并與水的密度做比較，可以對(duì)密度有一個(gè)更為感性的認(rèn)識(shí)。

2.4? ? 優(yōu)化解決方案：如何使測(cè)量結(jié)果更精確

通過(guò)對(duì)密度已知液體的測(cè)量，發(fā)現(xiàn)密度計(jì)存在一定的誤差。有學(xué)生提出可能是配重沒(méi)有調(diào)節(jié)到位，可把用作配重的銅絲、鐵絲換成訂書(shū)釘、小鋼珠，因?yàn)樗鼈兇笮∠嗤①|(zhì)量相等，方便對(duì)配重進(jìn)行微調(diào);有學(xué)生提出自制密度計(jì)的刻度線(xiàn)太密，容易造成讀數(shù)誤差，應(yīng)將相鄰兩條刻度線(xiàn)之間的距離增大。由標(biāo)度公式h=■·H可知，■一定，要使間距Δh變大，可通過(guò)增大H來(lái)實(shí)現(xiàn)。增大H可通過(guò)選取更細(xì)的吸管使它的橫截面積變小來(lái)實(shí)現(xiàn)。

學(xué)生用一根普通吸管經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、制作，做成了一個(gè)能測(cè)量液體密度的儀器，并對(duì)儀器誤差進(jìn)行檢驗(yàn)、分析，對(duì)成品進(jìn)行了優(yōu)化，整個(gè)過(guò)程與工程設(shè)計(jì)流程相吻合。

將工程教育融入初中物理教學(xué)中，讓學(xué)生成為小工程的制作者，能夠讓學(xué)生體驗(yàn)工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作過(guò)程，從而強(qiáng)化他們的物理概念。這樣的工程教育過(guò)程為學(xué)生營(yíng)造了獨(dú)立思考、協(xié)作學(xué)習(xí)、探索創(chuàng)新的良好學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和工程能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸衛(wèi)兵.將STEM教育融入初中物理綜合實(shí)踐活動(dòng)的教學(xué)——以學(xué)生進(jìn)行“簡(jiǎn)易密度計(jì)”制作為例[J].物理教師，2019，40（5）：43-45.

[2]凌嚴(yán).以“制作簡(jiǎn)易密度計(jì)”為例談“綜合實(shí)踐活動(dòng)”的有效開(kāi)展[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2016，45（20）：44.

[3]張莉.課外實(shí)踐 課堂深入 贏素養(yǎng)生長(zhǎng)——談蘇科版“綜合實(shí)踐活動(dòng)——制作簡(jiǎn)易的密度計(jì)”[J].物理教學(xué)探討，2017，35（7）：25-27.

（欄目編輯? ? 張正嚴(yán)）