探究、整合、实践：基于STEM教育的初中物理概念教学探索

肖 晨

（苏州工业园区金鸡湖学校，江苏 苏州 215021）

本文以苏科版8年级物理“力 弹力”教学片段为例，阐述STEM教育理念下“探究、整合、实践”的初中物理概念教学设计，以期为初中物理概念教学的实践探索有所启示，供一线教师参考与借鉴.

1 同质性情境创设，进阶建构物理概念

列举学生熟悉的生活现象，如运动员举杠铃和狗拉雪橇，引导学生根据现象分析得出运动员通过举的动作对杠铃产生力，狗通过拉的动作对雪橇产生力.为避免学生对力的认识存在局限性，教师提出问题：有人认为，力是由于肌肉紧张引起的，只有人和动物才能产生力的作用，对吗？你能否举例说明……

图1-4均取材于教材内容，基于学生的已有经验以及对教材内容的分析，笔者将其分成两组，进一步分析图3中铲车通过举的动作对重物产生力，图4中火车头通过拉的动作对车厢产生力.学生逐步领悟不仅人和动物能产生如拉、举等力的作用，铲车火车头等物体也能对其他物体产生如拉、举等作用.创设同质性的问题情境，破除已有的迷思概念，初步建立“力”的概念.

图1 运动员举杠铃

图2 狗拉雪橇

图3 铲车举重物

图4 火车头拉车厢

问题1：“一个巴掌拍不响”“孤掌难鸣”说明产生力的作用时，一定有几个物体同时存在？

问题2：对于手拍桌子而言，谁是施力物体？谁是受力物体？

问题3：之前列举的力，两个物体都是直接接触的.不直接接触的物体之间能否产生力？请举例说明.

为了深化学生对“力”的概念的理解，以问题链驱动学生归纳总结“力”的本质特征，区分受力物体与施力物体，学生以讨论的形式辨识不直接接触的物体是否产生力，明确其概念的外延，进阶建构“力”的概念.

2 精细化活动体验，深度探究物理规律

精细化的活动设计能够让学生重视科学探究过程中的细节，解读环节设计的依据，探寻物理规律的特征.笔者设计4个体验活动引领学生观察物理现象、感悟概念特点、探究物理规律、迁移规律应用等，采用定性观察与定量分析相结合的方式，由浅至深、由表及里深度探究物理规律，为弹簧测力计的作品制作做好知识储备.

活动1：借助生活中随手取材的实验器材，要求学生用手对气球、握力圈、橡皮泥、弹簧、直尺施加力，如图5.观察这些物体受到力时，发生了怎样的变化？

图5 实验器材

活动2：再次压握力圈，增大对握力圈施加的外力.

活动3：探究弹簧伸长的长度与外力的关系.

活动4：用图6实验装置测量物体（两只鸡蛋、苹果等）对它的拉力.

图6 实验装置

活动1让学生感受物体受到力的作用时，物体的形状发生了变化，领会到力的作用效果是使物体发生形变.教师追问学生撤去外力后，物体发生的变化一样吗？能否继续对这些发生形变的物体进行分类？以直观的现象和切身的感受帮助学生了解弹性形变与塑性形变.教师提问学生：在压气球、拉弹簧、压握力圈、压塑料尺时，增大对物体施加的外力，物体弹性形变的大小有什么变化？基于活动体验定性认识物体形变程度与所受外力的关系，为探寻弹簧伸长的长度与外力的关系做好铺垫.

活动2中要求学生用力压握力圈时，分享手有什么感觉.同时归纳一下弹力定义.学生小组活动后讨论用力压握力时会产生两个弹力，手对握力圈的弹力是由手发生弹性形变产生的，而握力圈对手的弹力是由握力圈发生弹性形变产生的，均是施力物体发生弹性形变后，力图恢复其原来的形状，而对另一个物体产生的力.该活动的设计精准指出学生认识上存在的疑惑，帮助学生把握弹力的概念，也是弹力概念理解上的难点.

活动3引导学生使用实验器材，包括铁架台、弹簧、米尺、钩码（50g）探究弹簧伸长的长度与外力的关系，如图6.由于钩码重力一定，为了实验现象更加明显，选取弹簧的劲度系数为25N/m.学生判断弹簧长度与伸长量的不同之处，经历猜想与假设、制定实验方案、收集实验数据等科学探究过程，定量分析弹簧伸长量与所受外力的大小关系，得出实验结论.

活动4要求学生测量常见的鸡蛋、苹果的对弹簧的拉力，既是对实验结论的迁移应用，解决生活中的实际问题，学生思考如何测量力的大小，体会弹簧测力计装置的雏形，也为下一节物体重力的测量做好学习准备，为学生的认知过程搭建台阶.

3 跨学科知识整合，实践应用作品制作

通过对力、弹力以及物体弹性形变与外力的关系等核心内容的整合，学生综合应用跨学科知识开展作品制作，并不断完善作品的质量，培养学生精益求精的科学品质.突出知识的内在联系，鼓励学生综合运用相关知识，训练方法与技能，创造性地解决实验器材制作任务.具体任务分解包括引出问题、建构模型、制作模型、模型改建等，如图7.创设的情境要能够进行器材制作，并能应用相关学科知识开展器材制作.学生以小组为单位，进行器材模型问题研究并收集相关问题的解决技术和数据，建构初步模型，尝试制作器材毛胚，制作模型.学生利用新建构的概念解决新问题，学生小组交流改进，形成器材的成品.

图7 作品制作任务分解

教师要求学生讨论分析图6所用装置测量力的大小时存在的不足.教师演示将装置中钩子下移，外面套上透明塑料管，并把弹簧上端固定.如果标上刻度，装置就可随意移动，更加方便携带使用，如图8.

图8 改进后的实验装置

教师补充器材：透明塑料管、黑色签字笔等.要求学生小组合作自制弹簧测力计，并制定使用说明书.学生在制作改进过程中需要选取合适的弹性材料，首先要满足其伸长量与所受外力成正比，其次还要考虑其弹性限度范围等.对透明塑料管的选取需要考虑透明度、密度等因素，标注刻度时要关注相关数学知识，作品制作过程中要求学生以物理学科知识为主，适当整合数学、材料学、化学等学科内容，在汇报作品设计与功能时，分享交流制作过程的心得体会，感悟知识间相互贯穿，敢于提出衍生的问题，如怎样提升弹簧测力计的精确度等问题等，培养学生的批判性思维.

4 基于STEM教育的初中物理概念教学的思考

一是关注概念建构的探究过程.精细化的科学探究过程能够引导学生深入理解物理概念建构的过程，显化科学方法的正确应用，才能对物理知识体系有高阶认识，提炼知识与技能的精华.教师需要重视教材资源的二次开发，洞悉教材内容的编排意图，以多样化的情境设计，采用问题链的形式，精心设计问题驱动学生完成探究任务，真正意义上理解基本概念、原理、规律等构成的物理知识体系.

二是关注用以致学的内容整合.素养导向的教学过程要求学生在运用知识过程中实现知识与素养的互动、转化与共生，使得知识内容的整合具有明确的目标导向，体现物理知识的实用性.在问题解决过程中整合知识内容，能够赋予知识以情境化、实践性的特征，消除学生获取知识的“惰性”不足，将物理知识根植于学生的实践过程，真正发展学生的核心素养.

三是关注跨学科实践的作品制作.结合学生的认知特点，依托跨学科实践进行作品制作，完成形式多样的活动任务，利用表现性评价全方位评估学生的参与过程，提升学生的高阶能力.跨学科实践的作品制作是生产生活中实际问题解决的真实缩影，具有综合性、开放性、探究性等，要求学生灵活迁移知识与方法应用于相关物理问题的解决，进而实现工程设计中问题解决方案的开发与优化，实践作品的制作与优化.