陆卫兵

(无锡市蠡园中学，江苏 无锡 214072)

STEM教育出现于21世纪初,即科学(Science)、技术(Technology)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)教育的统称．其中科学在于认识世界、解释自然界的客观规律;技术和工程则是在尊重自然规律的基础上改造世界、实现对自然界的控制和利用、解决社会发展过程中遇到的难题;数学则作为技术与工程学科的基础工具．由此可见,科学、技术、工程、数学之间存在一种相互支撑、相互补充、共同发展的关系,它们只有在交互中,在相互碰撞中,才能实现深层次的学习、理解性学习,也才能真正培养学生各个方面的技能和认识.

STEM课程重点是加强对学生4个方面的教育:一是科学素养,即运用科学知识(如物理、化学、生物科学和地球空间科学)理解自然界并参与影响自然界的过程;二是技术素养,也就是使用、管理、理解和评价技术的能力;三是工程素养,即对技术工程设计与开发过程的理解;四是数学素养,也就是学生发现、表达、解释和解决多种情境下的数学问题的能力．

义务教育物理课程标准中的课程基本理念中的首条就是:面向全体学生,提高学生科学素养．义务教育物理课程作为科学教育的组成部分,是以提高全体学生科学素养为目标的自然科学基础课程．此阶段的物理课程不仅应注重科学知识的传授和技能的训练,而且应注重对学生学习兴趣、探究能力和创新意识以及科学态度、科学精神方面的培养．而科学探究学习方式是提高学生科学素养的一种重要而有效的途径,新课程标准中的这些理念和STEM教育理念是一致的.

下面从实践层面——简易密度计的制作,提供一些如何将数学、工程、技术融入物理(科学)课堂的一些思路和有效的教学手段,阐述怎样在物理教学中融合STEM教育,帮助学生发展科学、技术、工程、数学的综合素质,提高学生的科学素养.

1 学情和教材分析

该课题为苏科版物理教材8下第10章综合实践活动——自制简易密度计.

2 设计思想

为了体现STEM教育的4个维度,笔者并未采用物理课程标准中的三维目标:知识与技能、过程与方法、情感态度价值观,而是围绕本课主题,站在学生的角度,分别制订了各个领域具体且有针对性的教学目标.

S(科学):学生理解阿基米德原理,知道同一支密度计在各种不同液体中所受浮力相等.

T(技术):学生能够掌握利用吸管制作简易密度计的工艺及怎么让吸管在液体中竖直漂浮.

E(工程):学生能够设计方案——怎样利用一根普通的饮料吸管和其他一些辅助材料和工具做成一支简易密度计,并且利用这支简易密度计测量牛奶等液体的密度.

M(数学):学生能够确定和控制变量,简易密度计浸没在水中长度确定的情况下,利用阿基米德原理和物体漂浮原理推算出其他密度液体在简易密度计上所对应的刻度.

3 实践情况

3.1 学生分组

基于以上设计思路,笔者把全班40名学生,每组4人,分成10组进行授课.

3.2 提出任务

视频引入:聚焦问题,提出任务.

讲述并提问:我们发现鸡蛋可以漂浮在盐水中,且盐水的密度越大,漂浮时排开液体的体积越小.由此我们可以推测,对于同一物体而言,它漂浮在各种不同液体中时,其排开液体的体积与什么有关呢?

生答:液体的密度.

点评:学生根据阿基米德原理推出:同一物体漂浮在各种不同液体中时,其排开液体的体积与液体的密度有关,体现了学生一定的科学素养．

讲述:今天同学们利用一根饮料吸管,来制作一个简易密度计．桌上有饮料吸管、蜡烛、烧杯、小圆头自攻螺丝、水、饱和食盐水、刻度尺、天平、量筒、可乐、食用油、牛奶等器材.

3.3 动手实践

(1) 解决问题.

好多学生都迫不及待地动手了,但似乎遇到了困难．

问题1:怎样用蜡烛把饮料吸管一端密封起来?

图2

点评:学生的制作兴趣很浓．从最后做的结果看,第一、二两种方法稍微操作不慎,就有可能导致吸管不密封,第三种方法蜡油可能滴到吸管内壁上,但可以确保吸管一端密封且不会影响下面的实验．上述的制作过程能使学生的技术素养得到了一定的培养.

问题2:怎样让下端封蜡的吸管竖直漂浮在液体中?

学生讨论与交流后演示:在封蜡的吸管中放入3个小圆头自攻螺丝,放入水中,吸管就竖起来了(如图2所示).

点评:由于学生没有任何经验,所以很多学生先放一个螺丝试一下,发现吸管竖不起来,接着再放一个试验,直到放入3个螺丝吸管才竖起来.学生通过多次试验解决了这个实际问题,培养了学生的技术素养.

问题3:怎样对简易密度计进行标度?

学生讨论与交流后提出:设吸管的横截面积为S,吸管漂浮在水中时,浸没在水中的长度为H,吸管漂浮在其他液体中时,浸没在其他液体中的长度为h,根据漂浮原理有F浮水=F浮液,根据阿基米德原理有ρ水gSH=ρ液gSh,因此h=ρ水H/ρ液．根据上式的数量关系可对简易密度计进行标度.

点评:学生根据阿基米德原理和物体漂浮原理推导出H和h的关系.这一过程不仅培养了学生的数学素养,还加深了学生对科学概念(阿基米德原理和物体漂浮原理)的理解,促进了工程问题的解决.

(2) 进行实验.

在量筒中装适量的水,把做好的吸管放入水中,使其竖直漂浮在水中,在吸管上用记号笔标出水面的位置,用刻度尺测出该位置到吸管下端的距离,即吸管浸入水中的深度H.

点评:学生通过动手实践,培养科学探究能力,提高了技术素养.

(3) 数据处理.

表1是其中一组学生实验后记录的数据,该组吸管总长18 cm,浸入水中的深度为14 cm．根据推导公式h=ρ水H/ρ液,计算出液体密度与表1中的密度值相等时,该简易密度计浸入的深度h.

表1 液体密度与吸管浸入液体深度

图3

根据表中数据,在吸管上标出的对应刻度线(如图3所示).

点评:学生通过测出的H值,利用h=ρ水H/ρ液这一推导公式计算出h值,最后进行刻度线标度．这一过程使学生的数学素养和技术素养进一步得到提高.

3.4 问题讨论

问题4:简易密度计的刻度线有什么特点?

学生讨论与交流后回答:不均匀,上疏下密,且越往上密度值越小.

问题5:怎样检验你所制作的简易密度计的刻度误差?

学生讨论与交流后回答:把密度计放入已知密度值的液体中测出该液体的密度.

具体方法: (a) 用天平和量筒测出饱和食盐水的密度；(b) 用制作的简易密度计测量饱和食盐水的密度,并与(a)中所测得的密度值进行比较,看看误差有多大.

学生活动,教师来回指导,发现问题及时在活动中解决.

点评:学生上述自主探究活动进一步提升了他们的技术素养.

3.5 拓展应用

用自制的密度计分别测量可乐、食用油、牛奶等液体的密度．学生交流实验结果.

点评:学生把一根普通吸管经过设计、制作,制成了一个能测量液体密度的密度计的过程;检验密度计误差的过程等等,都体现了设计过程中的工程学．整个设计、制作的过程使学生的工程素养得到了较大的提高.

4 评价与反思

本节课中,笔者试图通过教学设计来实践STEM教育理念,虽然在课上始终没有跟学生提及STEM教育理念,但在整个教学过程中能够处处体现STEM教育理念.可能受内容难度和课堂时间的限制,本次活动的开放性不够,还是以教师引导为主,对学生自主探究能力的培养远远不够,实验探究过程中学生萌生的很多想法没有机会实践.如没有让学生自主选择密度计里加多少配重才合适?密度计上刻度的标注怎样才能准确?怎样提高自制密度计的精确度等等.

5 总结

按照教学设计,本课中笔者不仅完成了预设的教学目标,还充分体现了STEM教育理念．

S(科学):制作简易密度计活动中所涉及的科学原理为:阿基米德原理、物体的浮沉原理,吸管的选择必须是粗细均匀,如果吸管粗细不均匀,那么F浮=ρ液gSH不成立,推导公式h=ρ水H/ρ液就不成立;吸管中加配重后降低重心才能使吸管竖起来的原理.

T(技术):在制作简易密度计的活动中,选择多少粗,多少长的吸管?吸管一端怎么用蜡烛密封才有比较好的效果?密封的吸管怎样才能在液体中竖起来?吸管中加多少配重比较合适?液体是放在烧杯中好还是放在量筒中好?量筒中要装多少液体比较合适?怎么测量密度计浸入水中的长度?怎样精确进行刻度标注?做的过程中要用到哪些工具?先做哪一步?后做哪一步? 对以上问题的思考能够培养学生的技术素养.

E(工程):学生首先能够明确问题——制作简易密度计,其次制订制作方案——选取合适长度和粗细的吸管,把吸管一端封蜡,封蜡一端加合适的配重,能够在量筒中竖直漂浮,测量简易密度计浸入水中的长度,利用这个数据计算简易密度计在其他密度液体中浸入液体中的长度,进而标出刻度,然后利用做出来的简易密度计测量牛奶、可乐、食用油等物质的密度．这些都体现了工程学中从明确问题到制订方案,进行实验,优化改进实验的系统性步骤．培养了学生的工程素养.

M(数学):学生能够确定和控制变量,通过物体漂浮原理推导出公式h=ρ水H/ρ液,利用该公式计算出简易密度计上不同密度液体所对应的刻度.这不仅培养了学生的数学素养,还加深了学生对阿基米德原理、物体漂浮原理和科学探究的理解,促进了工程问题的解决.

在制作简易密度计的活动中,需要用数学的方法测量和展示,可见科学与数学之间的联系是非常显著的.