STEM教育理念的初中物理单元教学设计

季然 杨晓辉 李燊 刘瀚文 吕立君

摘 要：知识经济时代人才竞争异常激烈，一种创新型人才培养的STEM教育理念备受关注。STEM教育是运用跨学科整合的方式来解决现实问题，注重知识的迁移与融合，为单元教学提供机会。文章分析了STEM教育与单元教学的关系，以学科整合为背景运用单元教学的方法融入STEM教育理念，最后以“浮力”为例进行单元教学设计进行STEM教育的尝试。

关键词：STEM教育;初中物理;单元教学;浮力

中图分类号：G642  文献标识码：A  文章编号：1673-260X（2022）03-0098-05

知识经济时代人才竞争异常激烈，一种创新型人才培养的STEM教育理念备受关注。STEM是Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Mathematics（数学）四门学科的英文首字母的缩写。STEM教育理念是通过多学科知识融合提高学生解决实际问题的能力[1]。单元教学从核心内容或核心问题出发，将零碎的知识结构化，利用结构化的知识解决问题。通过单元教学知识的结构化，教学内容的情境化，教学方法的多样化，让学生在解决生产生活中复杂问题时，知识不再分裂，方法不再单一。单元教学需要跨学科知识融合，需要创设真实的情境问题，因此STEM教育理念的初中物理单元教学成为可能。

1 STEM教育与单元教学的关系

STEM教育虽然是以科学、技术、工程、数学的英文首字母来命名，但并不是这四门学科简单的叠加。它强调将不同学科零散的知识通过跨学科的整合融合成一个有机的整体。STEM教育具有跨学科性、情境性、体验性，设计性的特点[2]。单元教学追求知识的结构化，在学科知识的基础上，利用跨学科思维来解决实际问题，培养学生的科学素养。

1.1 明确目标激发单元教学

单元学习前要明确目标，不应该是来自教材上简单的冰冷的知识目标。首先要对单元教学内容进行梳理并与STEM目标对应，分析教学内容背后所蕴含的物理方法、跨学科概念、程序性知识与反省类知识等隐性知识[3]。通过单元教学活动设计，将知识与科学素养素贯穿各个环节，通过教学实施聚焦于目标的达成。

1.2 促进单元情境教学

在物理的学习过程中无论是建立概念还是探究规律都离不开情境。STEM教育的发展是以情境作为载体，单元教学设计需要根据教学内容与生活或生产相结合，创设与教学内容相关的问题情境或活动情境，让学生在体验式学习和沉浸式学习中，经历科学探究和科学思维的认识方式，使学生除了学会教材中的知识还进一步提升学生的科学素养水平。

1.3 整合跨学科知识，加强单元教学

在解决问题时，仅仅知道一些概念和规律是不够的，因为实际问题大多数是综合性的，需要在解决问题的过程中调用不同学科的知识与方法。单元教学从知识整合的角度分析，建立不同学科知识间的内在联系，构建学生自己的知识网络。教学过程中通过学生之间的合作学习，将不同学科的知识融会贯通。

1.4 持续评价，完善单元教学

單元教学往往需要一段时间才能完成，有利于持续性评价。依据单元教学前设定的目标，可以采用布鲁姆的诊断性评价，过程性评价和终结性评价来时刻监测与反馈学生的学习情况，方便及时优化和改进教学设计，促进教学目标的达成。

2 STEM教育理念的“浮力”单元教学设计

2.1 教学分析与设计思路

浮力选自人教版八年级物理下册第十章，共三节内容。这部分内容是“力”“运动和力”与“压强”的进一步延伸和综合运用[4]。“力”的学习让学生知道力的三要素以及应用力的示意图描述力。这为学生认识浮力提供了基础。在“运动和力”学习中，重点学习了二力平衡的状态与条件，为学生分析浮沉条件做了知识上的准备。“压强”的学习是从固体压强—液体压强—流体压强，而浮力的认识也是从液体逐步过渡到气体，为本单元的学习奠定了坚实的基础。将该单元的知识体系进行梳理。浮力这一单元主要包括三个部分，包括测量浮力的大小、影响浮力大小的因素、分析浮力产生的原因，其中在寻找影响浮力大小因素的过程中，总结出阿基米德原理与浮沉条件。

科学探究是初中物理新课程的核心理念之一，而本单元中包括两个重要的探究实验，分别是探究浮力大小跟哪些因素有关和探究浮力的大小跟排开液体所受重力的关系[5]。对于八年级的学生而言，在学习浮力概念之前，学生在日常生活中已经对浮力有丰富的感性认识。并且通过力和压强的学习，学生已经具备一定的科学探究能力。而这两个探究实验侧重于猜想与假设和设计实验两个环节。尽管传统的浮力教学时教师会带领学生进行实验，但在设计实验时常常都是教师主导，学生并未真正经历设计实验的过程。我们本次的单元教学设计主要以问题为中心并融入STEM教育的工程思想，强化浮力在工程方面的作用和影响，针对探究实验将采用工程思维的方式让学生真正的自行设计实验，并布置开放性的作业，激发学生的学习兴趣，促进科学探究能力、科学思维能力及问题解决能力的发展。

2.2 教学目标

教学目标是在正式的物理教学以前，教师对学生学习成果的预期设定。通过教学使得学生在知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观所要达到的预期结果。依据课程标准和教学分析[6]，确定单元教学目标。在知识与技能方面，科学目标为认识浮力，知道浮力的方向和产生的原因;工程目标为知道浮沉条件;数学目标为学会推导公式计算浮力;在过程与方法方面，科学目标为使用相关器材测量浮力的大小，技术目标为自主进行探究实验得到浮力的大小与哪些因素有关以及浮力的大小跟排开液体所受中重力的关系，工程目标为使用相关材料自制简易潜水艇;在情感态度与价值观方面，技术目标为体验团队合作，勇于表达自己的想法，培养参与探究实验的兴趣，工程目标为体会科学技术对生产和生活的重要性。

2.3 教学设计

此次将浮力单元为三个课时来完成。第一课时为感知浮力，通过创设工程情境—辽宁舰完成浮力的方向与浮力大小的测量的教学内容，体现STEM教育的科学、技术、数学三方面;第二课时为探究浮力实验，本节课包括两个探究实验，分别是探究浮力大小与哪些因素有关和探究浮力的大小与排开液体所受重力的关系，教学过程中主要采用“以问题为中心”，学生自主设计实验，体现STEM教育的技术、工程、数学三方面;第三课时为浮力产生的原因，主要教学内容为浮沉条件，让学生能够理解潜水艇的工作原理并自制潜水艇，充分体现STEM教育的特点。

第一课时 感知浮力教学设计。

（1）创设工程情境提出问题。

教师活动：展示“辽宁舰”相关资料，了解辽宁舰的基本情况。辽宁舰为什么在水中不会下沉？学生活动：因为水对物体有一个力的作用。

设计意图：了解辽宁舰增强国家的认同感和荣誉感。回顾受力分析及二力平衡的知识。

（2）运用演示实验，确定浮力的方向。教师活动：我们就把这个力称为浮力，生活还有哪些事例能够证明浮力的存在？浮力的方向是怎么样？

学生活动：鸭子在水中游泳、游泳圈在水面漂浮等等。

设计意图：引出学生对浮力方向的错误前概念，为建立正确的浮力方向做准备。

教师活动：自制教具进行演示实验，小球用红绳固定在玻璃容器底部，向玻璃容器内倒入水，直至将小球完全浸没。观察小球和红绳的状态。大烧杯倾斜，再一次观察。浮力方向是怎样呢？

学生活动：无论玻璃容器是倾斜还是水平放置，红绳始终在竖直方向被拉直。

设计意图：演示实验的现象打破学生错误的前概念，增强学生的求知欲，总结出浮力的方向。

（3）自主设计测量浮力的方法。

教师活动：力有方向还有大小。测量力的大小通常用哪个仪器？如何测量出小铁块的浮力？

学生活动：先测量出小铁块的重力，在将铁块放入水中，读出弹簧测力的示数。然后相减就是浮力。

教师活动：准备好的实验器材（弹簧测力计、铁块、烧杯、水、盐水），测量小铁块浸没在水中受浮力的大小。注意观察小铁块浸没过程中弹簧测力计示数的变化。

设计意图：了解实验原理，利用弹簧测力计，总结出浮力的测量方法称重法，观察实验现象为接下来探究浮力的大小与哪些因素有关做准备。

第二课时 探究浮力实验教学设计。

实验1：浮力的大小与哪些因素有关

（1）复习引入，提出猜想与假设。

教师活动：回忆上一节课所学内容，我们发现当物体慢慢浸没的过程中，弹簧测力计示数怎么变化。浮力的大小和哪些因素有关呢。

学生活动：弹簧测力计的示数越来越小。可能与物体浸没的深度有关;可能与物体浸在液体中体积有关;可能与液体的密度有关;可能与物体的密度有关。

设计意图：回顾上一节课实验所观察到现象，引发学生思考，唤醒学生的求知欲。

（2）设计实验方案。

教师活动：提供实验仪器（弹簧测力计、铁块、铝块、铜块、烧杯、水、盐水、煤油、刻度尺）学生自主设计实验方案。

学生活动：小组讨论，发现浮力与多个因素有关，要采用控制变量法。浮力大小与物体的密度的关系;浮力大小与液体的密度的关系;浮力大小与物体浸入液体的体积的关系;浮力大小与物体浸没的深度的关系。

设计意图：学生根据已有的物理知识和教师提供的实验器材，在设计过程中感受探究的乐趣。

（3）进行实验、收集数据。

教师活动：提醒学生设计实验表格，记录数据。

学生活动：选取控制变量法进行实验，设计实验表格。

设计意图：培养学生利用表格收集数据的能力。

（3）交流结果。

教师活动：请同学们分析实验数据，交流结果。

学生活动：浮力大小与物体的密度无关;与液体的密度有关;与物体浸入液体体积有关;与物体浸没深度无关。

设计意图：此次实验定性分析浮力大小与哪些因素有关，通过学生自主实验培养学生的设计实验方案的能力，分析数据得出结论，分享经验，增强合作学习的能力。

实验2：探究浮力的大小跟排开液体所受重力的关系

（1）利用阿基米德原理的故事，引导学生进行探究学习。

教师活动：引入阿基米德原理的故事，请学生利用浮力的知识帮助阿基米德解决这个难题。

学生活动：学生讨论第一种方法将王冠和黄金放入同一种液体中，采用称重法，计算浮力，若浮力相同就证明工匠的清白。第二种方法王冠和黄金浸没同一液体中，收集溢出的液体，若溢出的液体的体积一样，证明工匠的清白。

教师活动：液体的体积容易进行测量吗？弹簧测力计可以直接测得质量吗？

学生活动：体积不同意进行测量，但同一种液体，密度相同，弹簧测力计测出的重力就能够知道液体的质量。修改实验方案二将王冠和黄金浸没同一液体中，收集溢出的液体，若溢出的液体的重力一样，证明工匠的清白。

设计意图：利用已有的知识，寻找解决问题的方案，不断修改实验方案，培养学生科学科学探究的能力。

（2）学生自主实验。

教師活动：提供实验所需要的实验器材：弹簧测力计，铁块，细线，溢水杯，小桶、水。如何测量铁块浮力？如何收集排开的液体？

学生活动：称重法测铁块的浮力。用小桶收集排开的液体。小组1：弹簧测力计测铁块的重力，将溢水杯装满水，把物块放入水中，读出弹簧测力计的读数，用小桶收集溢出的水，测出小桶和排开水的总重力将小桶中水倒出，测空桶重力。多次测量，记录实验数据。小组2：弹簧测力计测铁块的重力，将溢水杯装满水，把物块放入水中，读出弹簧测力计的读数，用小桶收集溢出的水，测出小桶和排开水的总重力，和空桶的重力，多次测量，每次测量前溢水杯中的水填满。记录实验数据。

教师活动：分享小组的实验步骤，与实验数据，分析第1组的错误，第2组的实验数据存在实验误差，分析实验误差。

学生活动：第1组实验溢水杯每次测量前未填满水，排开液体减少，导致排开水减少。第2组的实验数据，由于小桶多次使用，内壁有水，若忽略实验误差，得到浮力的大小等于排开液体所受重力。

教师活动：刚刚讨论了物块全部浸没时浮力的大小跟排开液体所受重力的关系，如果物体浸入液体有部分浸入得到的结论会和浸没一样吗？

学生活动：进行实验，填写表格，无论是部分进入还是全部浸没，浮力的大小等于被它排开的液体所受的重力。

设计意图：学生在实验过程中，培养学生的交流合作能力。通过分析实验数据，寻找误差原因，减小系统误差。

教师活动：课后结合本节课所学内容尝试制作密度计。

设计意图：通过小制作，不仅巩固本节课知识还培养学生的动手能力，提高物理学习的兴趣。

第三课时 浮力产生原因教学设计。

（1）演示实验引入新课。

教师活动：演示手堵瓶口实验。为什么用手掌堵住瓶口，乒乓球就可以上浮？浮力产生的原因是什么呢？

学生活动：乒乓球受到浮力。

设计意图：通过趣味小实验，激发学生的兴趣。

教师活动：乒乓球各个面所受的浮力大小是否一样呢？自制实验道具，制作长方体框架，六个面用橡皮膜连接。浸没在水中，观察橡皮膜的凹陷程度，并分析原因。

学生活动：下表面的凹陷程度比上表面大。说明下表面所受压力比上表面大。浮力产生原因是上下表面的压力差导致的。

教师活动：如果我们已知物体的上下表面的压力，能否计算出物体所受浮力？

学生活动：F浮=F下表面-F上表面

教师活动：现在有几种方法计算一个物体的浮力？

学生活动：三种称重法、阿基米德原理、压力差法。教师活动：如果一个物体在水中保持静止状态，物体所受浮力是多大呢？进行受力分析。

学生活动：物体在水中只受重力和浮力，因为是静止状态，所以二力平衡，重力与浮力大小相等方向相反。

设计意图：通过分析浮力产生原因得出计算浮力的新方法，并和学生一起总结浮力计算方法，帮助学生及时地进行知识的整合。

（2）了解潜水艇分析浮沉条件。

教师活动：生活中除了像辽宁舰漂浮在水上，还有海螺可以悬浮在水中，还有一些物体可以沉入水底？这是什么原因？

学生活动：分析水中悬浮的物体，浮力和重力相等。浮力大于重力就会上浮，浮力小于重力就会下沉。

教师活动：能举出哪些实例处于悬浮状态？

学生活动：潜水艇。

教师活动：观看蛟龙号视频。潜水艇是怎么做到从漂浮、再下沉、再悬浮、上浮到漂浮这一过程。

学生活动：增大或减小排开液体体积实现。

设计意图：运用生活中的实例，训练学生分析问题。

教师活动：鸡蛋悬浮盐水中，如何让它上浮和下沉？增大与减小浮力的方法？

学生活动：改变浮力的大小。增大浮力：盐水水中继续加盐;减小浮力：盐水中加入水、增大或减小排开液体的体积，增大或减小液体的密度。

设计意图：通过解决实际问题，总结改变浮力方法。

教师活动：课后制作简易的潜水艇。并绘制出潜水艇从漂浮、再下沉、再悬浮、在上浮到漂浮过程的浮力与深度的关系图。

设计意图：学生制作潜水艇，对浮沉条件知识进一步强化，并从图像的角度复习了浮力的知识。

3 总结

本次研究以初中物理八年级下册“浮力”单元进行的STEM教育理念的教学设计，旨在为我国STEM教育理念的研究开拓新的视角，并为单元教学的发生寻找新土壤[7]，培养学生工程思维意识和问题解决能力。在整个的教学设计中教师主要为学生的学习提供支架，创设问题情境，不断提出问题，引发学生思考。本设计避免了传统浮力教学中出现的一次性探究，实验方案固定无修正，对于轮船、潜水艇等仅了解原理，不涉及工程设计和工程思维等问题，让学生在真实的问题情境中运用工程思维，整合各学科知识解决问题，促进科学素养的发展。对于知识的强化也不再采用传统的习题检测，而是让学生运用所学习知识制作密度计和潜水艇，真正进行动手实践，解决实际问题，提升学生的问题解决能力。融入STEM教育理念的物理单元教学有利于提升学生综合运用科学原理，技术手段，工程思维，数学模型来解决实际问题的能力。

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参考文献：

〔1〕彭敏.基于STEM教育的初中生物学选修课设计与实践研究[D].湖南师范大学，2019.

〔2〕李慧慧，杨文正，许秋璇.基于STEM的小学科学教学活动设计与应用案例研究[J].中小学电教，2020，14（Z1）：84-87.

〔3〕王美芹，张玉峰，丁庆红.物理单元教学目标设计与关键点突破[J].中学物理，2020，38（09）：12-15.

〔4〕中華人民共和国教育部.普通初中物理课程标准修订版（2020年版）[M].北京人民教育出版社，2020.

〔5〕朱郁华.初中科学“过程与方法”目标的理解与设计[J].教学与管理，2011，28（22）：56-58.

〔6〕王宣颐，韩思月，尹思佳，等.基于STEM的小学科学课教学设计研究——以“搭高塔”课程为例[J].科教导刊（中旬刊），2020，18（05）：141-142.

〔7〕王宏，刘丽，马池珠.指向深度学习的STEM教育探究[J].现代教育技术，2020，30（03）：108-113.