施 兵

(江蘇省灌云縣云湖初級中學(xué),江蘇 連云港 222200)

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)意圖,教學(xué)目標(biāo)

1.1.1 設(shè)計(jì)意圖

體現(xiàn)STEM教學(xué)和探究式教學(xué)的特點(diǎn).在STEM教學(xué)特點(diǎn)方面,側(cè)重科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的融合;在探究性教學(xué)方面,以帶領(lǐng)學(xué)生制作“浮沉子”為主線,以探究浮沉子的原理為主問題.引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、設(shè)計(jì)方案、解決問題、體現(xiàn)STEM教學(xué)理念從驗(yàn)證型跨越到探究型[2].

1.1.2 教學(xué)目標(biāo)

以人教版初中物理教材第十章第三節(jié)“物體的沉浮條件及應(yīng)用”為例,開展小組探究性學(xué)習(xí),完成(表1)教學(xué)內(nèi)容.

表1 “探究浮沉子的原理”的STEM教學(xué)目標(biāo)

1.2 創(chuàng)設(shè)情景,引入問題

當(dāng)教師講到“沉浮的應(yīng)用”知識(shí)點(diǎn)時(shí),通過提問學(xué)生,舉例沉浮的應(yīng)用,適當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入關(guān)于潛水艇的討論,之后播放視頻:觀看潛水艇的神奇之處,了解國內(nèi)外潛水艇的發(fā)展現(xiàn)狀和國內(nèi)發(fā)展的不足之處,引導(dǎo)學(xué)生思考并分析潛水艇的原理.

設(shè)計(jì)意圖:利用觀察潛水艇神奇之處,且對國內(nèi)外潛水艇的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行對比,激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的求知欲望,培養(yǎng)學(xué)生的愛國主義精神.

1.3 向?qū)W生展示“如意”的浮沉子

教師可以展示浮沉子在水中的上浮與下沉,之后讓學(xué)生細(xì)心觀察現(xiàn)象,開始準(zhǔn)備動(dòng)手制作.(圖1)

圖1 浮沉子展示

1.4 浮沉子制作

1.4.1 學(xué)生分組

基于以上分析,筆者將班級分為10組、每組4～6人,各組根據(jù)教師布置的任務(wù)與已有的材料進(jìn)行制作.

1.4.2 提出任務(wù)

教師準(zhǔn)備好本次需要用到的材料、任務(wù)與問題.(表2)

表2 材料與任務(wù)

1.4.3 動(dòng)手實(shí)踐

學(xué)生在制作過程中,教師既要巡視學(xué)生完成的進(jìn)度,又要對學(xué)生進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo).在配重方面玻璃瓶的懸浮狀態(tài)難以調(diào)節(jié),需要用到滴管一點(diǎn)點(diǎn)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)水量.作為教學(xué)活動(dòng)的引導(dǎo)者,在學(xué)生遇到難題的時(shí)候,教師就要引導(dǎo)學(xué)生優(yōu)化浮沉子配重的措施:靈活應(yīng)用逆向思維,無需用滴管一點(diǎn)點(diǎn)加水,而是首先讓玻璃瓶沉入礦泉水瓶底部,通過加鹽的方式改變水的密度,從而使玻璃瓶上浮.

設(shè)計(jì)意圖:這種做法第一方面能夠真正做到將課堂留給學(xué)生,以完成任務(wù)的方式培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力;第二方面,通過對產(chǎn)品浮沉子配重措施進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化,喚起學(xué)生的工程意識(shí);最后一方面,通過小組之間的討論,在一定程度上能夠提高學(xué)生的團(tuán)隊(duì)意識(shí),使教學(xué)達(dá)到“操作中學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)中操作”的效果,實(shí)現(xiàn)將STEM教育理念中的技術(shù)、工程教育理念融入到初中物理教學(xué)中去.

1.4.4 組織學(xué)生交流與探究

要求每組派出1～2名同學(xué)作為代表上臺(tái),對自己在制作浮沉子過程中遇到的問題和浮沉原理的初步理解進(jìn)行介紹交流,其他組可以評價(jià)與提問,充分發(fā)揮學(xué)生在教學(xué)中的主體地位.代表交流之后,教師不要急于給出答案,而是要起到統(tǒng)領(lǐng)作用,需要進(jìn)一步梳理和總結(jié)每組的觀點(diǎn),便于后續(xù)進(jìn)行原理分析與探究.之后再一次深入真實(shí)情景,發(fā)現(xiàn)細(xì)節(jié)問題:當(dāng)用力擠壓瓶身,觀察到小玻璃瓶還在水面上漂浮了一段時(shí)間,只有繼續(xù)擠壓,玻璃瓶才下沉,這又是為什么?

設(shè)計(jì)意圖:以完成任務(wù)為驅(qū)動(dòng),讓學(xué)生真正能做出產(chǎn)品,并且組內(nèi)以合作方式進(jìn)行討論、組與組之間進(jìn)行評價(jià)、教師作為“中間人”需要把握課堂節(jié)奏,適當(dāng)進(jìn)行引導(dǎo),真正實(shí)現(xiàn)生生互動(dòng)、師生互動(dòng).當(dāng)同學(xué)們以為問題都已經(jīng)得到解決的時(shí)候,再一次提出容易忽略的細(xì)節(jié)問題,讓學(xué)生體會(huì)到科學(xué)探究性學(xué)習(xí)的過程是充滿未知的、是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?同時(shí)也培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐與溝通合作的能力.引導(dǎo)學(xué)生對浮沉子進(jìn)行結(jié)構(gòu)與原理分析,進(jìn)而過渡到潛水艇的原理,該過程充分將STEM教育理念中科學(xué)、數(shù)學(xué)與工程層面有效融合在一起,體現(xiàn)跨學(xué)科的思維特點(diǎn)[1].

2 原理討論與分析

2.1 引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)物理模型

面對學(xué)生提出的觀點(diǎn)與疑問,教師應(yīng)該通過引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)的研究方法去解決問題,在本案例中問題的解決離不開物理模型的建立.教師在分析問題前要將復(fù)雜的任務(wù)進(jìn)行分解,促進(jìn)學(xué)生對知識(shí)的理解.通過直接觀察浮沉子的外觀,對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,該結(jié)構(gòu)包括內(nèi)部有開口向下的玻璃瓶,外部有裝水和空氣的礦泉水瓶,如圖2所示.

圖2 浮沉子的結(jié)構(gòu)與受力分析

2.2 分析浮沉子的結(jié)構(gòu)及其受力分析

教師簡單介紹:浮沉子的沉、浮與潛水艇的沉、浮原理十分相似,雖然結(jié)構(gòu)簡單,但是其中包含的道理卻不簡單,接下來我們一起對其原理進(jìn)行分析.首先,我們分析玻璃瓶漂浮在水面上時(shí)的情況,以玻璃瓶為研究對象(圖2),受到豎直向下的重力mg、上方氣體向下的壓力p0S和內(nèi)部氣體向上的壓力p1S,此時(shí)玻璃瓶受力平衡,有這樣一個(gè)關(guān)系:

mg+p0S=p1S

①

AB液面上、下兩側(cè)的壓強(qiáng)相等:

p1+ρgh1=p0+ρg(h1+h2)

②

①②兩式聯(lián)立得:

mg=ρgh2S=ρgV排=F浮

由此得知,初始狀態(tài)玻璃瓶漂浮在水面上時(shí)重力是等于浮力的.

2.3 浮沉子原理的分析

2.3.1 分析浮沉子的沉與浮

通過之前學(xué)習(xí)的內(nèi)容“物體的沉與浮”以及上文的分析,同學(xué)們對物體的浮沉條件有了一定的認(rèn)識(shí),即物體的浮沉取決于浮力與重力的關(guān)系:當(dāng)F浮>mg時(shí),物體會(huì)上浮;反之,物體會(huì)下沉.

第一種情況,將玻璃瓶為研究對象時(shí),玻璃瓶的重力不變,當(dāng)外力擠壓礦泉水瓶,礦泉水瓶上方氣體的體積減小,在不考慮溫度變化的情況下,體積減小就會(huì)導(dǎo)致壓強(qiáng)增大,而這個(gè)壓強(qiáng)作用在玻璃瓶上,就會(huì)導(dǎo)致玻璃瓶內(nèi)氣體被壓縮,進(jìn)而導(dǎo)致V排減小,根據(jù):

F浮=ρ液gV排

③

此時(shí)F浮減小,即F浮mg,玻璃瓶上浮.因此,玻璃瓶的重力不變,浮力的改變是導(dǎo)致玻璃瓶浮沉的原因.

第二種情況,將玻璃瓶與有水的部分看成一個(gè)整體作為研究對象,它的浮力不變,當(dāng)外力擠壓礦泉水瓶時(shí),礦泉水瓶里面的水被壓入玻璃瓶導(dǎo)致研究對象的自身重力增大,此時(shí)F浮mg,玻璃瓶上浮.

2.3.2 分析浮沉子沒有立即下沉的原因

按照上文的解釋,當(dāng)我們用力擠壓礦泉水瓶時(shí),玻璃瓶應(yīng)該馬上下沉,但觀察發(fā)現(xiàn)玻璃瓶并沒有馬上下沉,而是仍然漂浮在水面上,繼續(xù)用力擠壓,玻璃瓶才沉下去.

這主要跟水的張力有關(guān),通過仔細(xì)觀察玻璃瓶的入水過程,我們在捏的時(shí)候,玻璃瓶就即將下降了,但是當(dāng)玻璃瓶即將沒入水面時(shí),玻璃瓶就不再下降了,因?yàn)榇藭r(shí)液面表面張力的作用就不能忽視了.雖然我們在持續(xù)加力,玻璃瓶里的水面也在上升,浮力也在減小,但表面張力也在增加,甚至玻璃瓶已經(jīng)在水面以下了,但在表面張力的作用下,形成了凹形的液面(圖3),但是只要表面張力沒有達(dá)到極值,玻璃瓶就不會(huì)下去,直到浮力繼續(xù)減小,表面張力實(shí)在是拉不住了,玻璃瓶才會(huì)掙脫液面的束縛,開始沉下去.

圖3 沉浮子下沉的原因分析

分析至此,一切都撥云見日,原來浮力改變與重力改變兩種說法都是正確的.這樣的分析與探究過程,使得學(xué)生再一次被震驚到,原來實(shí)際生活中的問題與平時(shí)做的習(xí)題有很大的區(qū)別,真實(shí)情景問題的答案并不全是非對即錯(cuò)的,而且處處存在細(xì)節(jié),需要學(xué)生養(yǎng)成批判的思維,在大家都認(rèn)為沒問題之時(shí)提出問題.因此,在分析實(shí)際問題時(shí),我們要學(xué)會(huì)去簡化物理模型并且界定好一些相關(guān)變量,會(huì)運(yùn)用浮力的本質(zhì),進(jìn)一步提升解決實(shí)際生活中的浮沉問題的能力[3].

STEM教育體現(xiàn)跨學(xué)科思想,以帶領(lǐng)學(xué)生制作“浮沉子”為主線,一個(gè)問題的思考貫穿整個(gè)制作過程,之后對浮沉子的原理進(jìn)行分析和解答,最后將原理推廣到潛水艇.這個(gè)教學(xué)設(shè)計(jì)將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)教育理念很好地融入“物體的浮沉條件及應(yīng)用”這節(jié)內(nèi)容當(dāng)中.這樣的內(nèi)容不僅豐富了課堂,啟迪了學(xué)生的開放性思維,而且在真實(shí)情景中加深對浮力本質(zhì)的認(rèn)識(shí),使學(xué)生的核心素養(yǎng)和創(chuàng)新意識(shí)得到發(fā)展.但在有限的教學(xué)時(shí)間內(nèi),完成較多的教學(xué)目標(biāo),需要對教師的綜合素養(yǎng)有更高的要求.高效實(shí)施STEM初中物理課堂,需要我們每個(gè)教育工作者為之努力.