问题驱动下的STEM理念教学探究

2022.11.23

白甜甜　刘竹琴

摘? ?要：浮力与深度之间的关系是整个初中物理教学的难点之一。在STEM思想的指导下，通过一系列问题驱动，使该难点与科学、技术、工程和数学有机结合，利用图像进行表征，形成定性认识，突破难点，且在整个过程中培养学生的理性思维与技术素养。

关键词：STEM理念;问题驱动;浮力;教学探究

中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）8-0065-3

1? ? 引? 言

季卫新老师曾提出“浮力与深度是否有关”的命题为“伪命题”[1]，笔者高度赞同。我们在科学探究中应理解其思维本质，由此笔者基于季老师的想法提出浮力与深度之间存在“伪”关系的观点。

在人教版初中物理第十章浮力探究实验——“浮力的大小与哪些因素有关”中有研究者发现，20%的初中生存在“浮力与深度有关”的错误前概念[2]。另外，教材第51页的第一个问题“浮力的大小是否跟物体浸没的深度有关？”[3]在一定程度上会加深学生错误的前概念。同时，教材针对此难点的编排较少，达不到突破难点的目的。基于以上问题，笔者在问题驱动的STEM理念指导下，对实验进行改进，利用Tracker轨迹追踪软件，和学生一起对实验数据进行分析、推理、论证等，最终使学生打破错误的前概念，达到科学知识转化为学生个人知识、促进认识顺应、内化物理观念、发展学生核心素养的目的。

2? ? STEM理念的应用

STEM理念源自美国，分别是科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）和数学（Mathematics）四門学科的简称;STEM综合了科学、技术、工程与数学的特点，将知识的获取、方法与工具的利用以及创新生产的过程进行了统一，以系统的、联系的思维面对全球化、多文化发展[4]。

基于STEM的理念，笔者对浮力教学难点有了以下的进阶思考：（1）如何对探究浮力与深度关系的实验进行改进？器材如何选取？（2）如何对教材进行编排？（3）基于改进的实验应如何引导学生学习？以及如何正确展示Tracker轨迹追踪软件，使学生理解并应用？（4）如何处理软件中的拓展信息？在以上问题的驱动下，笔者将一步步进阶，突破教学难点。

2.1? ? 实验改进

Tracker轨迹追踪软件是对物体运动过程中运动量随时间改变而进行追踪的实验辅助工具，如位移、速度、加速度等，进而描绘出相应的实验数据图，减少测量者的工作量，在一定程度上提高课堂效果。那么，本实验改进的关键在于“如何使物体在液体中运动？”笔者曾在教学中使用过季蓉老师利用乒乓球与饮料瓶漏斗探究浮力产生原因的实验[5]，我们发现乒乓球在实验过程中是运动的，但有可能是因为漏斗底端的大气压推动物体运动。笔者在此实验的基础上进行改进，在乒乓球中装入适量的水（目的：减慢运动过程），同时在自制漏斗中也加入适量的水（如图1），借助外力使改进后的乒乓球沉入瓶底，之后撤去外力。在小球有运动趋势后，拍摄运动过程。另外，为尽可能减小软件追踪对本实验数据造成的误差，应保持拍摄角度与实验角度平行。

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图1? 自制实验教具

2.2? ? 教材编排

笔者曾与许多老师交流发现，学生虽然理解“物体全部浸没液体时，浮力与深度无关”，但是大多数学生却形成“物体未全部浸没液体时，浮力与深度有关”的错误前概念。错误的关键在于对“控制变量法”的错误理解，以及教材在某种程度上的误导，如课本第51页的问题一[3]。笔者认为编排者的意图是想提供给学生“在物体浸入水中体积不变的情况下如何探究深度对浮力的影响”的思考，而不是误导学生思考“浸没与未浸没两种情况下，浮力与深度的关系”。故笔者认为，此问题可以编排成“如何保持物体浸入液体的体积不变？（物体浸没液体时，其浸入液体体积保持不变）”，目的在于让学生理解控制变量法的科学思维。

2.3? ? 预设教学过程

2.3.1? ? 教学过程中的问题驱动

上文曾提到实验的改进以及教材编排的观点，在此基础上对学生进行问题驱动：（1）如何使物体保持运动？（浮力产生的原因）（2）探究时应控制的物理量有哪些？（液体密度不变、浸入液体体积不变）（3）如何使浸入液体体积不变？（4）实验数据表征的意义是什么？

为打破学生关于浮力难点的错误前概念，关键在于对问题（3）的思考，根据教材编排激发学生进行以下思考：（1）若物体未浸没液体时，我们该如何控制其浸入液体体积不变？是否容易控制？（2）如果是对不规则物体进行探究呢？（3）为了使实验易操作，我们将物体浸没是否可行？（4）浸没的目的是什么？在学生思考的过程中明白控制变量法的思维本质，掌握深度仅是改变浸入液体体积的中间量，类似于季卫新老师曾提到的伪命题“探究物体的动能与高度有关”[1]中的高度即是速度改变的中间量;通过上述问题驱动使学生能够在熟悉的问题情境中根据需要选用恰当的物理模型解决简单的问题[6]，发展学生的科学思维，内化物理观念。图2为教师与学生思考的思维导图。

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图2? ?思维导图

2.3.2? ? Tracker软件的引导

在此之前学生从未接触过此类追踪软件，所以在教学过程中需要详细讲解，为以后的抛体运动、单摆运动等探究学习打好基础。此外，在数据分析中，学生借用软件分析结果，对y-t图与ay-t图（在实验过程中发现Tracker软件在追踪加速度时存在一定误差，且数据结果图分度值较小，不利于观察，笔者对加速度数据进行分度值扩大化处理）分析、推理、论证后（具体过程在下一部分论述），得出浮力与深度没有关系，在此过程中培养学生分析问题、解决问题的能力。

2.4? ? 软件中的拓展信息处理

在处理软件数据的结果中，出现了y轴方向的加速度（ay），在此之前曾学习过重力加速度，所以我们基于学生的最近发展区进行类比，重力等于质量乘以重力加速度（G=mg），而得出y轴方向（深度方向）的合力（Fy）等于质量乘以y轴方向的加速度（Fy=may），贯彻教育内容先行的思想，为以后牛顿第二定律的教学做好铺垫;由上文公式Fy=may，进一步可以写出F■-G■=may，那么由图像可知ay不变，G■为固定值，可推导出F■不变，而在此过程中深度（y）却在改变，从而进一步得出浮力与深度为“伪”关系。

3? ? 结束语

问题驱动存在于教学的每个环节，如教师的思考以及教师有意识安排下的学生思考，而在设计学生的预设问题时，应符合学生当前的认知发展;并结合STEM理念，借助轨迹追踪软件，让数据以图像直观表征，打破学生对浮力与深度有关的错误前概念，并在此过程中内化物理观念，培养学生的科学思维与科学探究的能力;在以后的教学中应保持不断增强教师专业能力的意识，仔细研读教材，选择适合且高效的教学工具，提高课堂效果，并在师生交互过程中培养学生的核心素养。

参考文献：

[1]季卫新.刍议“科学探究”的思维本质[J].中学物理教学参考，2018，47（9）：33-36.

[2]胡先涛.基于认知建模理论的“浮力-深度”观念教学实践研究[J].物理教学探讨，2019，37（3）：31-33.

[3]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心.义务教育教科书八年级物理下册[M].北京：人民教育出版社，2012.

[4]周新雅，张钟文，周行.圆盘式测力计的充分合理使用[J].物理教学探讨，2018，36（2）：54-55.

[5]季蓉，陈娴.中学物理演示实验室资源的开发与应用研究[J].物理之友，2019（6）：4-6.

[6]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

（栏目编辑? ? 张正严）