李明|杭州師范大學附屬倉前實驗中學

STEM是Science（科學）、Technology（技術）、Engineering（工程）、Mathematics（數(shù)學）四個單詞首字母的組合，STEM教育主張將科學、技術、工程、數(shù)學四個學科進行綜合教學。其核心是將教學內容以項目方式下發(fā)，引導學生以完成項目的方式，通過確定目標、整合資源，探究目標達成過程，進而完成目標［1］。而初中科學實驗教學旨在不斷培養(yǎng)學生的實際動手能力，幫助學生更好地理解科學知識，使學生在實際問題中進行學習探索［2］。因此，將STEM教育理念引入初中科學實驗課，可有效提升學生的綜合能力，讓其利用不同學科的知識與思維進行思考，進而完善知識框架。下面，筆者立足STEM教育理念在初中科學實驗教學中的應用價值與現(xiàn)狀分析，闡述基于STEM教育理念的初中科學實驗教學策略。

一、STEM教育理念在初中科學實驗教學中的應用價值與現(xiàn)狀

（一）應用價值

STEM教育理念注重學生的動手實踐能力，旨在讓學生能在不同領域全面發(fā)展，不斷提升學生的綜合素質與綜合能力，在初中科學實驗教學中有較高的應用價值。

1.激發(fā)求知欲，解決實驗難問題

STEM教育理念中的任務驅動具有如下特點：（1）跨學科整合，能夠通過任務整合多個學科的內容；（2）趣味性，能夠融入趣味元素；（3）體驗性，能夠讓學生參與到活動實踐中，通過實踐操作體驗學習樂趣；（4）情境性，讓學生置身于特定情境中，以推進情境發(fā)展的方式開展學習；（5）協(xié)作性，學生在完成任務的過程中，與組內其他學生協(xié)作完成任務。

初中生有著強烈的好奇心，愿意不斷進行新的嘗試。因此，利用STEM教育理念進行教學，能夠有效激發(fā)學生的求知欲，使學生在求知欲的帶動下自主學習學科知識，探究實驗的落實方式，大膽嘗試，不斷創(chuàng)新，真正參與到實際問題的解決中，從而解決實驗難問題。

2.培養(yǎng)探究能力，解決動手能力差問題

獨立的探索能力和分析研究能力，對初中生來說十分重要，這也是初中科學實驗教學的重要目標之一。STEM教育理念強調基于多個學科之間的綜合視角進行教學，如在探究測量物體密度的方法時，學生需要用到計算、對比、實驗等多種方式，這能有效培養(yǎng)學生的探究能力，解決動手能力差問題。

基于STEM教育理念開展初中科學實驗教學，教師應以學生為主體，設計融合多元視角的問題，引導學生從自己所掌握的各學科知識出發(fā)，自主思考或與同伴合作探討，從而解決問題，提升科學探究能力。

3.發(fā)展實踐能力，解決參與度低問題

實踐能力是人類的重要能力之一，只有獲得實踐能力，人們才能在社會上立足。在基于STEM教育理念的初中科學實驗教學中，教師可圍繞教學需求和課程內容，結合生活實踐設計情境，讓學生動手實驗。如選擇合適的材料制作滑水板時，既要考慮材料的密度必須小于水，還要考慮材料的堅固性應比較強等問題。這就要求學生主動思考問題，并實際參與問題解決的過程，不僅要動手，還要動腦，從而發(fā)展實踐能力，解決參與度低問題。

（二）應用現(xiàn)狀

由于STEM教育在我國仍然處于初級發(fā)展階段，將其理念引入初中科學實驗教學后，仍普遍存在著一些問題：一是教師認識不深刻，往往側重于知識性的教學，注重講述理論，不能有效地將教材的內容從不同學科的視角加以整合；二是學生動手能力差，這是因為學生之前并沒有接觸過STEM教育，而學校也沒有提供很多機會讓學生動手實驗；三是教學形式化，教師往往根據(jù)教材上列出的實驗順序，按部就班地進行實驗，實驗過程枯燥，注重死記硬背，而忽略了對創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

二、基于STEM教育理念的初中科學實驗教學策略

根據(jù)上述分析，筆者基于STEM教育理念，對“自制簡易密度計”實驗教學進行優(yōu)化（優(yōu)化后的設計如圖1所示）。下面以此為例，闡述基于STEM教學理念的初中科學實驗教學策略。

圖1 “自制簡易密度計”實驗的優(yōu)化設計

（一）設計實驗情境，喚醒知識網(wǎng)絡

STEM教育理念要求構建多元實踐情境，因此教師在開展實驗教學時，要設置多樣的情境以喚醒學生的知識網(wǎng)絡，引導學生回顧先前學過的相關理論知識，并通過實驗應用情境串聯(lián)知識，培養(yǎng)與鍛煉科學學科素養(yǎng)。教師需要根據(jù)不同實驗的應用情境，設置不同的問題，讓學生進行思考，使其積極地進入實驗教學。

在教學中，教師可利用多媒體播放與物體沉浮條件相關的視頻，引出這節(jié)實驗課的問題，讓學生思考并探究物體沉浮的應用。教師既可播放煮餃子的視頻，讓學生思考“為什么餃子剛放入水中的時候會沉在鍋底，但是當其煮熟時就會上浮？這兩種現(xiàn)象是如何產生的”，也可播放潛水艇在水中上升與下沉的畫面，讓學生思考“潛水艇是如何實現(xiàn)在水中自由沉浮的”。此外，教師還可先讓學生回憶之前學過的質量概念，再以問題“如何確定相同體積物體的質量大小”引導學生進行探究。

通過以上情境，學生會回憶起阿基米德原理，聯(lián)想到液體中浮力的應用，物體下沉和上浮的條件。此時，教師可讓學生回憶之前做過的鹽水密度實驗，并帶領學生回憶水的密度，以及物體自身密度大小與沉浮的關系，但是由之前的知識只能確定物體的密度是大于還是小于水，無法確定其具體數(shù)值，由此就能引出這節(jié)課的話題：自制密度計。教師還可讓學生進行小組討論，思考“密度計的應用情境有哪些”，從而將學生引入這節(jié)實驗課中，使其在實際的應用情境中思考，并全身心地投入后續(xù)實驗設計中。

（二）討論帶動創(chuàng)新，設計實驗方案

教師需要考慮科學、技術、工程與數(shù)學的融合應用，根據(jù)學科要求，安排實驗前的小組討論，讓學生在討論中碰撞思維、交流創(chuàng)新，明確實驗原理，確定實驗設計方案，了解實驗操作與工藝，應用數(shù)學思維，得出最終的實驗結論與成果。

這節(jié)實驗課有如下要點：在科學學科方面，需要學生理解阿基米德原理，明確密度計的工作原理；在技術學科方面，要讓學生思考、探究、掌握制作簡易密度計的工藝，并知道如何制作才能達到效果；在工程學科方面，既要通過合理安排，讓學生能夠自主設計簡易密度計，培養(yǎng)學生的工程設計思維，又要讓學生了解應該怎樣利用吸管和輔助的材料制作簡易密度計，并以其去測量液體的密度；在數(shù)學學科方面，要讓學生學會控制變量的方法，知道怎樣確定簡易密度計的讀數(shù)，并能通過阿基米德原理和二力平衡原理得出公式，進而推算出其他液體的密度。

教師要引導學生圍繞這四個部分的內容進行實驗準備，并推動實驗創(chuàng)新。教師可事先準備吸管、蠟燭、燒杯、螺絲、水、刻度尺、天平、量筒以及其他液體，引導學生結合STEM教育理念中提出的整合思想整合基本資料，并通過創(chuàng)新應用的方式自主設計密度計。在此過程中，學生可通過小組合作，尋找最佳材料。完成自主設計后，學生再根據(jù)課本知識設計密度計，并通過實驗檢測密度計的準確程度。

在小組討論中，學生思維活躍，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，學生討論“用什么的樣方式能夠增加密度計的精確度”，并更換材料做實驗。通過多次實驗，學生在現(xiàn)有材料中找到了能夠增加密度計準確度的材料。此外，一些學生也考慮到最開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”。在探究過程中，學生結合多種學科思維，整合科學、技術、工程、數(shù)學知識，從而以優(yōu)化的方式制作出了簡易密度計，并用其來測量物體密度。學生還探究出使用吸管的注意事項，即需要進行密封處理，因為不密封就無法準確地排出液體，也無法計算出到底有多少液體排出，更別說去校準刻度了。由此，每個小組都構想出了自己的密度計制作方案。

（三）探究實驗步驟，切實動手實踐

基于STEM教育理念開展科學實驗教學時，教師要在學生提出制作方案后，及時讓學生動手實踐。學生只有真正地動手參與實驗，才能在實驗中“知行合一”，進而學會發(fā)現(xiàn)問題，并合力解決問題。這能有效鍛煉學生解決實際問題的能力，培養(yǎng)學生的技術學科素養(yǎng)。而在得出結果的過程中，學生會自然地使用數(shù)學思維，記錄實驗數(shù)據(jù)，推導實驗結論，從而達成STEM教育所倡導的教育目標。

在簡易密度計的制作過程中，學生需要經歷以下四個步驟。

第一步，學生先用蠟燭點燃后流下的蠟油將吸管的一端密封起來，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，學生遇到了不少問題。比如蠟油并不能很好地將吸管封住，蠟油滴在吸管的內壁上，需要再三嘗試才能解決這些問題［3］。又如，由于沒有經驗，學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。經過多次嘗試之后，學生發(fā)現(xiàn)可將多個螺絲一起擰入，這樣吸管就可豎直起來了。通過多次自主探究，學生都解決了以上問題，這就有效鍛煉了學生的技術學科素養(yǎng)。

第二步，學生將做好的吸管放入裝有適量水的量筒或燒杯中，并用記號筆標出吸管浸入水中的長度H。這時，學生需要根據(jù)阿基米德原理和物體漂浮原理，推導出吸管浸沒在水中的長度H和吸管浸沒在其他液體中的長度h之間的比例關系在這一步驟中，學生需要運用自己學過的科學知識，這能有效促進其在科學學科方面的素質增長。而在推導公式的過程中，學生的數(shù)學學科素養(yǎng)也得到了提升。

第三步，學生需要考慮實驗所用吸管的總長，并根據(jù)公式計算小組制作的簡易密度計在進入其他不同密度的液體后，深度各自會是多少。由此，學生對吸管進行分隔，標刻度，以方便后續(xù)測量其他不同液體密度時直接讀數(shù)。在這一步驟中，學生需要運用數(shù)學學科素養(yǎng)和技術學科素養(yǎng)。

第四步，學生將做好的簡易密度計，放入裝有適量其他液體的量筒中，根據(jù)刻度讀出其密度，再對數(shù)據(jù)進行匯總，如此就完成了整個實驗。在進行數(shù)據(jù)處理與填寫表格的過程中，學生的工程學科思維能得到提升。

（四）整合學習資源，復盤優(yōu)化實驗

基于STEM教育理念進行教學，最重要的就是整合四個學科的所有相關理念。教師要站在整體的角度進行思考，整合各學科的知識。完成實驗后，教師先要引導學生復盤，分析在實驗中遇到的問題及相應的解決方法，再讓學生自主優(yōu)化實驗方案，鍛煉其思維的各個維度，然后讓學生互相討論，尋找在這次實驗中是否還有沒有想到的內容，最終實現(xiàn)初中科學實驗教學的教學目標［4］。

通過討論，學生發(fā)現(xiàn)自己制作出的簡易密度計刻度線不是很均勻，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，有的學生還提出了“如何確定自己的密度計刻度是準確的？要怎樣檢驗誤差”等值得思考的問題。此外，有的學生分享了自己的推導過程，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吸管，故其橫截面積不變，也就是說其排出液體的體積只和液面的高度相關，進而推導出公式h=

學生的這些討論都是彌足珍貴的，教師可在教學的最后環(huán)節(jié)讓學生思考、整理，從設計實驗方案到制作、測量，全面考慮整節(jié)課中自己的表現(xiàn)情況。在復盤的過程中，學生能夠融會貫通四門學科知識，并利用多種思維進行思考，這就達成了STEM教育所追求的教育效果。

綜上，在初中科學實驗教學中，以STEM教育理念為指導，能將不同領域的知識有機結合，使學生從不同學科的角度看待問題，激發(fā)其學習興趣，使其實現(xiàn)各學科知識的融合提高，進而有效提升科學實驗教學的效果。