(江蘇省南京市第一中學,江蘇 南京 210000)

1 問題的提出

《義務(wù)教育物理課程標準(2011年版)》要求:初中物理教學要注重學生科學能力的發(fā)展,包括科學知識與技能、科學方法與態(tài)度的發(fā)展。通過單一的學科很難系統(tǒng)地培養(yǎng)學生的科學能力,跨學科、多學科融合的培養(yǎng)方法應(yīng)運而生,由美國國家科學委員會20世紀80年代提出的STEM教育,正體現(xiàn)了這一要求。

2 關(guān)于STEM教育

STEM綜合了科學、技術(shù)、工程與數(shù)學的特點,將知識的獲取、方法與工具的利用以及創(chuàng)新生產(chǎn)的過程進行了有機統(tǒng)一,把學生的知識學習與工程相互聯(lián)系，轉(zhuǎn)變成探究世界不同側(cè)面的過程,強調(diào)學生在不同的學習情境中提升設(shè)計能力、合作能力、問題解決能力和實踐創(chuàng)新能力。

3 初中物理滲透STEM教育理念是物理課標的應(yīng)然要求

《義務(wù)教育物理課程標準(2011年版)》中指出：科學探究既是學生的學習目標,又是重要的教學方式,是初中學生認識問題、探索問題的重要途徑。

傳統(tǒng)的探究式教學受時間和空間的限制,開放性不夠,探究活動形式大于內(nèi)容?；顒拥母鱾€環(huán)節(jié)仍由教師把控,看似課堂效率較高,實則學生的主體性沒有得到充分發(fā)揮。

將STEM教育與科學探究融合,能夠為學生提供更多的素材，采用更豐富的探究策略。滲透STEM教育的學習問題源于生活,學習情境真實,與教材中的科學探究的要求不謀而合,將兩者有機結(jié)合,能更好地發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。此外,學生主動尋求合作、依靠群體協(xié)作解決問題,對于培養(yǎng)學生開放、包容的性格和融入社會的能力也至關(guān)重要。

4 滲透STEM教育的初中物理教學設(shè)計

4.1 STEM教育的教學流程

基于STEM理念的教育，在教學方式上提倡學生在問題解決的過程中自主學習。一般流程是：教師為學生創(chuàng)設(shè)一個現(xiàn)實情境下的主題,通過師生交流,設(shè)定項目內(nèi)容和具體的任務(wù)。學生根據(jù)任務(wù)進行規(guī)劃,調(diào)研相關(guān)領(lǐng)域的進展,分析項目的可行性,制訂研究計劃。學生依據(jù)研究方案,建立理論模型，經(jīng)過編程模擬、數(shù)值計算、測試反饋、討論交流等流程完成項目,筆者將STEM教學流程簡化為圖1所示的過程。

圖1

4.2 “研究氣泡的運動規(guī)律”的教學設(shè)計

下面以“研究氣泡的運動規(guī)律”為例,介紹滲透STEM教育的探究活動教學過程。

4.2.1 創(chuàng)設(shè)主題

“研究氣泡的運動規(guī)律”是蘇科版物理八年級(上冊)第五章第三節(jié)“直線運動”中的重要內(nèi)容,教師先展示生活中常見物體的運動,指出從最簡單的直線運動開始研究,進而提出“研究氣泡的運動規(guī)律”這一主題。

4.2.2 設(shè)定項目內(nèi)容及具體任務(wù)

從研究主題出發(fā),設(shè)定兩個項目內(nèi)容。項目一:產(chǎn)生氣泡,具體任務(wù)包括管子和液體的選擇、氣泡的大小、管子的封口。項目二:探究氣泡的運動規(guī)律,具體任務(wù)包括路程和時間的測量、數(shù)據(jù)的處理。

4.2.3 制訂研究計劃

項目一:產(chǎn)生氣泡,可分解成若干個小項目逐個解決,包括管子、液體的選擇及封口的方式。項目二:研究氣泡運動的規(guī)律,具體計劃為：在管子上標示刻度、選用合適的計時工具,測定氣泡到達每一刻度的時間,對數(shù)據(jù)進行處理分析。

4.2.4 項目實施過程

項目實施要尊重學生的自主選擇,鑒于初中生的設(shè)計能力與動手能力有限,教師可以在學生討論的基礎(chǔ)上提供樣本作為參考。對于實施過程中遇到的問題,教師可以組織學生討論,尋求最佳解決方案。

(1) 器材準備

長為1m、內(nèi)徑為80mm的塑料管,米尺,記號筆與寬度相同的白色膠帶,熱熔膠槍與膠條,植物油、機油與水,平板電腦。

(2) 產(chǎn)生氣泡

問題1:管子如何選擇?

學生提出管子應(yīng)該透明便于觀察,可以選玻璃管。實際使用時,學生發(fā)現(xiàn)由于要對管子進行翻轉(zhuǎn)倒置等操作,存在一定的安全隱患。由于玻璃易碎的缺點,操作幅度受限,容易手忙腳亂。建議教師選用有機玻璃管,跌落后不易碎,不用擔心安全問題。

問題2:液體如何選擇?

學生選用了水、機油和植物油。用水作為填充液體時,由于操作過程中難免會晃動,管內(nèi)大氣泡容易分裂成很多小氣泡,并且實驗過程中氣泡運動較快,時間測量誤差較大。用機油作為填充液體,由于顏色較深,氣泡可視性不高,影響實驗效果。用植物油作為填充液體時,可視性好,氣泡運動速度適中,且不易分散成小氣泡,最為合適。

問題3:管口如何密封?

學生首先提出用塞子塞住管口,實際操作中發(fā)現(xiàn),用橡膠塞塞住的端口密封性不好,可能導(dǎo)致液體溢出,影響實驗效果。換用熱熔膠封口,封好的端口密封性好,不易漏液體。由于熱熔膠槍頭部溫度很高,要提醒學生切勿用手直接觸碰。制作步驟如下:

① 用熱熔膠槍將熱熔膠注入端口2cm左右后冷卻;

② 將塑料管內(nèi)注入液體,直到留有一定長度的氣泡,再用熱熔膠槍將另一端封口。

設(shè)計意圖:STEM教育提倡學生將一個比較大的項目分成若干小項目,通過師生、生生之間的交流,逐一解決。在以上方案中,將產(chǎn)生氣泡的任務(wù)進行分解,學生積極思考、尋求合作,直到解決問題。對于學生遇到的困難,教師不急于給出答案,而是鼓勵學生在實踐中不斷摸索,結(jié)合老師的指導(dǎo),完善方案。學生在探究活動中綜合運用所學知識,學會批判性和創(chuàng)新性思考,做出科學決策。

(3) 實驗過程

問題1:塑料管質(zhì)地軟,操作中容易彎曲,氣泡運動的軌跡不是直線,怎么辦呢?

學生提出可以將塑料管與米尺相固定，解決這一問題。

問題2:如何同時測量氣泡運動的路程和時間?

師生共同研討,找到最佳方案。在距離封口一端約20cm處,用寬度相同的白色膠帶貼一圈,作為0刻度,用記號筆標為“0”,然后依次間隔10cm各貼上一圈膠帶,依次標記為“10”“20”“30”“40”“50”。

如何記錄氣泡到達每一刻度的時間呢?傳統(tǒng)的秒表每次只能記錄到達一個刻度的時間,這是比較棘手的問題。學生討論后,決定采用以下方案：6名學生一組,分別記錄氣泡到達一個刻度所用時間。但是實際操作發(fā)現(xiàn)這種方法存在不足,6名學生所用秒表不同,按表的反應(yīng)速度不同,每位學生觀察的角度不一,這些都會造成較大誤差。此時有學生提議選用平板電腦上的計時軟件,其優(yōu)點有二：一是能夠連續(xù)記錄多個時刻,操作方便;二是計時及時、精確度較高。

一名學生將制作好的裝油塑料管豎直倒置(氣泡處于最下端),觀察氣泡的運動;當氣泡的前端剛好運動到每個刻度時,觀察的學生發(fā)出計時指令,另一名學生計時，將實驗數(shù)據(jù)記錄在預(yù)先設(shè)計的表格中。

設(shè)計意圖:在STEM教育中,學生的數(shù)學素養(yǎng)指在發(fā)現(xiàn)、表達、解釋和解決某些情境下的數(shù)學問題時,進行分析、推斷和有效交流思想的能力。測量時間是初中學生必備技能之一,計時工具的選擇與調(diào)試,需要學生深入思考。學生在該實驗情境下,認識到傳統(tǒng)秒表計時的局限性,體會用平板電腦計時的優(yōu)越性,以后遇到類似情境能舉一反三,提升了學生的技術(shù)素養(yǎng)。

(4) 數(shù)據(jù)處理

問題:以一組同學的實驗數(shù)據(jù)為例(如表1)，根據(jù)表格中的數(shù)據(jù),有哪些方法可以找出氣泡的運動規(guī)律?

表1

這個問題有一定的開放性,教師引導(dǎo)學生充分討論,嘗試用所學的數(shù)學知識處理數(shù)據(jù)。

方法一:求出每個刻度對應(yīng)的路程與時間的比值,比值相等,說明路程與時間成正比。

方法二:求出氣泡在每一個區(qū)間內(nèi)的速度，進行比較,每個區(qū)間的速度相等(如表2)。

表2

方法三:教師指導(dǎo)學生用Excel軟件畫出路程與時間的圖像,是一條過原點的線段(如圖2)。

圖2

設(shè)計意圖:STEM教育提倡多學科融合,對于物理情境中數(shù)據(jù)的處理,同學們集思廣益,運用數(shù)學、信息技術(shù)等多學科知識,相互配合。學生對所得出的數(shù)據(jù)進行分析處理,需要發(fā)現(xiàn)、表達、解釋表格中的數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行分析和推斷,學生用數(shù)學手段解決物理問題的能力得到加強。STEM中的技術(shù)素養(yǎng)是指使用、管理、理解與評價技術(shù)的能力。利用Excel軟件分析數(shù)據(jù),學生在解決問題的過程中運用技術(shù)的意識得到加強,提升了技術(shù)素養(yǎng)。

至此,學生利用所學的物理和數(shù)學知識,借助工程和技術(shù)手段,完成了“研究氣泡的運動規(guī)律”這一項目。

5 結(jié)語

在初中物理探究活動中滲透STEM教育,體現(xiàn)了整合性、開放性、綜合性、協(xié)作性的特點,注重學生的體驗與探究,學生在真實情境中依靠協(xié)作解決問題,為學生應(yīng)對現(xiàn)代和未來的各種挑戰(zhàn)奠定了基礎(chǔ)。