范群英

〔摘? ? 要〕? 隨著科學技術不斷進步，解決任意一個領域的問題都有可能涉及多個領域。國家的發(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《義務教育科學課程標準》，其修訂原則堅持目標、問題及創(chuàng)新三個導向。STEM教育理念將科學、技術、工程和數(shù)學等學科知識進行有效融合，不僅能夠提升學生綜合運用所學知識的能力，而且還可以培養(yǎng)學生的動手能力、團隊合作精神及創(chuàng)新精神。本文以“制作‘潛水員——認識浮力”項目式教學設計為例進行闡述，以期為STEM在小學科學教學設計中的應用提供一個參考視角。

〔關鍵詞〕? 小學科學；STEM教育理念；教學設計

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 11? ? 064-066

一、前言

STEM教學理念起源于20世紀80年代美國，歷經(jīng)三十幾年的發(fā)展，目前已成為多個國家培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的戰(zhàn)略性教育策略。它以項目式學習、問題解決為導向，聯(lián)系生活實際。學生利用所學知識大膽設想，調(diào)查研究，親身體驗多學科整合的方法，將直接經(jīng)驗內(nèi)化為自身的能力。它有利于激發(fā)學生興趣，引導學生主動學習，加深理解，培養(yǎng)團隊合作交流能力。將其應用到小學科學教學設計中，探索出更多具有可操作性的教學設計，可大力推動小學科學教育的發(fā)展。本文以基于STEM教育理念的“制作‘潛水員——認識浮力”項目式教學設計為例進行闡述。

二、貫徹STEM教育理念設計“制作‘潛水員——認識浮力”項目式教學

（一）課程背景與目標

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，等于所排開的液體（或氣體）的重量。早期，人類通過觀察和探索水中生物，發(fā)現(xiàn)魚靠魚鰾在水中能自由地上浮下潛。受到魚類等水生動物的啟發(fā)以及對水下環(huán)境的需求，人類設計出能在水下上浮下潛的工具——潛艇。

本課程通過讓五年級學生了解浮力現(xiàn)象及其產(chǎn)生原理，并通過簡單的浮力實驗，讓學生探索潛艇上浮下潛的原理，鍛煉動手實踐能力，初步認識浮力與阿基米德原理，為將來的學習打下基礎。

（二）課程領域

科學、技術、工程、數(shù)學、藝術。

（三）建議年級

五年級。

（四）建議時間

70分鐘。

（五）課程任務

認識浮力的概念及其產(chǎn)生的原理，知道潛艇上浮下潛的原理；利用給定的材料學習設計并制作“潛水員”，讓“潛水員”在水中能沉浮。

（六）教學過程

1.故事導入激發(fā)興趣（15分鐘）

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

生：給樹洞灌水。

師：對了！他往樹洞里頭灌水。那為什么往樹洞里頭灌水，就能取到球呢？

生：因為浮力，球會浮起來。

師：這節(jié)課，我們先來了解一下浮力。

簡述浮力的概念和形成原理。

教師講述一則關于阿基米德發(fā)現(xiàn)浮力的故事及浮力公式：F浮=[ρ]gV排，向學生講解浮力的原理：當物體處于液體或氣體中時，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自由落體的蘋果砸中后發(fā)現(xiàn)萬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。

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

簡述浮力的相關應用。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用呢？

生：游泳圈、浮板讓我們在游泳的時候浮起來。

師：對，浮力的應用例子有很多，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，引導學生思考并回答以下問題：潛艇很沉，為什么可以在水中上浮與下潛呢？

師：通常潛艇主要通過以下兩個途徑實現(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)動機的推力。由于水下壓力的存在，每艘潛艇都有一定的安全深度范圍，超過這個范圍，潛艇出現(xiàn)故障甚至造成事故的風險就會增加。因此，潛艇下潛到一定深度必須“踩剎車”。而要讓潛艇在水中保持一個相對平穩(wěn)的懸浮狀態(tài)，就要讓潛艇和周圍水體的比重保持基本一致。要做到這一點，高壓氣瓶起到了關鍵的作用。潛艇所配備的高壓氣瓶的用處相當于魚鰾。這種“魚鰾”與水艙配合才能改變潛艇的比重，實現(xiàn)潛艇的浮沉。

2.執(zhí)行任務（50分鐘）

出示任務和評價量規(guī)（5分鐘）。

任務：每個小組利用所給材料設計制作一個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、剪刀1把、吸管若干、回形針若干、水。

評價量規(guī)（見文后附表）。

3.設計（10分鐘）

各小組在理解潛艇在水中上浮下潛原理的基礎上設計制作方案。教師在教室內(nèi)巡視，觀察各小組設計情況，并用問題引導學生思考。

什么樣的結構可以保證“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？

如何讓設計的“潛水員”在水中上浮下潛的過程中不散架？

畫好設計圖后到教師處領取材料。

制作（15分鐘）：學生以小組為單位進行“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。

測試（10分鐘）：嘗試用手用力擠壓瓶身后放松，觀察瓶內(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”結實程度。如果失敗，重新設計、制作、測試。

匯報展示（10分鐘）：在時間充裕的情況下，給每個小組至少2分鐘的時間介紹小組設計思路、制作過程。其他小組學生可以提問，被提問小組需做出回答。

4.總結（5分鐘）

教師播放實驗演示視頻，對本課程進行總結，并解釋自制“潛水員”能夠上浮下潛的原理：當我們按壓礦泉水瓶時，由于瓶內(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；當撤去雙手壓力時，瓶內(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、結語

在新課程標準的指導下，教師將STEM理念合理地應用于小學科學教學設計中，不但有利于激發(fā)學生的探究興趣，而且培養(yǎng)了學生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題與解決問題的能力，培養(yǎng)學生的科學核心素養(yǎng)。因此，在今后的科學教學中，教師應繼續(xù)借助STEM的優(yōu)勢，探索出更多具有可操作性的教學設計，進而推動小學科學教育的發(fā)展。

【本文系建甌市2022年度教育科研立項課題“STEM在小學科學教學設計中的應用研究”階段研究成果，課題立項批準號B22002】

參考文獻

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

[2]陳如平，李佩寧.美國STEM課例設計（小學卷）[M].北京：教育科學出版社，2018.