基于STEM教育理念的初中科学实验教学探究——以“自制简易密度计”为例

李明|杭州师范大学附属仓前实验中学

STEM是Science（科学）、Technology（技术）、Engineering（工程）、Mathematics（数学）四个单词首字母的组合，STEM教育主张将科学、技术、工程、数学四个学科进行综合教学。其核心是将教学内容以项目方式下发，引导学生以完成项目的方式，通过确定目标、整合资源，探究目标达成过程，进而完成目标［1］。而初中科学实验教学旨在不断培养学生的实际动手能力，帮助学生更好地理解科学知识，使学生在实际问题中进行学习探索［2］。因此，将STEM教育理念引入初中科学实验课，可有效提升学生的综合能力，让其利用不同学科的知识与思维进行思考，进而完善知识框架。下面，笔者立足STEM教育理念在初中科学实验教学中的应用价值与现状分析，阐述基于STEM教育理念的初中科学实验教学策略。

一、STEM教育理念在初中科学实验教学中的应用价值与现状

（一）应用价值

STEM教育理念注重学生的动手实践能力，旨在让学生能在不同领域全面发展，不断提升学生的综合素质与综合能力，在初中科学实验教学中有较高的应用价值。

1.激发求知欲，解决实验难问题

STEM教育理念中的任务驱动具有如下特点：（1）跨学科整合，能够通过任务整合多个学科的内容；（2）趣味性，能够融入趣味元素；（3）体验性，能够让学生参与到活动实践中，通过实践操作体验学习乐趣；（4）情境性，让学生置身于特定情境中，以推进情境发展的方式开展学习；（5）协作性，学生在完成任务的过程中，与组内其他学生协作完成任务。

初中生有着强烈的好奇心，愿意不断进行新的尝试。因此，利用STEM教育理念进行教学，能够有效激发学生的求知欲，使学生在求知欲的带动下自主学习学科知识，探究实验的落实方式，大胆尝试，不断创新，真正参与到实际问题的解决中，从而解决实验难问题。

2.培养探究能力，解决动手能力差问题

独立的探索能力和分析研究能力，对初中生来说十分重要，这也是初中科学实验教学的重要目标之一。STEM教育理念强调基于多个学科之间的综合视角进行教学，如在探究测量物体密度的方法时，学生需要用到计算、对比、实验等多种方式，这能有效培养学生的探究能力，解决动手能力差问题。

基于STEM教育理念开展初中科学实验教学，教师应以学生为主体，设计融合多元视角的问题，引导学生从自己所掌握的各学科知识出发，自主思考或与同伴合作探讨，从而解决问题，提升科学探究能力。

3.发展实践能力，解决参与度低问题

实践能力是人类的重要能力之一，只有获得实践能力，人们才能在社会上立足。在基于STEM教育理念的初中科学实验教学中，教师可围绕教学需求和课程内容，结合生活实践设计情境，让学生动手实验。如选择合适的材料制作滑水板时，既要考虑材料的密度必须小于水，还要考虑材料的坚固性应比较强等问题。这就要求学生主动思考问题，并实际参与问题解决的过程，不仅要动手，还要动脑，从而发展实践能力，解决参与度低问题。

（二）应用现状

由于STEM教育在我国仍然处于初级发展阶段，将其理念引入初中科学实验教学后，仍普遍存在着一些问题：一是教师认识不深刻，往往侧重于知识性的教学，注重讲述理论，不能有效地将教材的内容从不同学科的视角加以整合；二是学生动手能力差，这是因为学生之前并没有接触过STEM教育，而学校也没有提供很多机会让学生动手实验；三是教学形式化，教师往往根据教材上列出的实验顺序，按部就班地进行实验，实验过程枯燥，注重死记硬背，而忽略了对创新能力的培养。

二、基于STEM教育理念的初中科学实验教学策略

根据上述分析，笔者基于STEM教育理念，对“自制简易密度计”实验教学进行优化（优化后的设计如图1所示）。下面以此为例，阐述基于STEM教学理念的初中科学实验教学策略。

图1 “自制简易密度计”实验的优化设计

（一）设计实验情境，唤醒知识网络

STEM教育理念要求构建多元实践情境，因此教师在开展实验教学时，要设置多样的情境以唤醒学生的知识网络，引导学生回顾先前学过的相关理论知识，并通过实验应用情境串联知识，培养与锻炼科学学科素养。教师需要根据不同实验的应用情境，设置不同的问题，让学生进行思考，使其积极地进入实验教学。

在教学中，教师可利用多媒体播放与物体沉浮条件相关的视频，引出这节实验课的问题，让学生思考并探究物体沉浮的应用。教师既可播放煮饺子的视频，让学生思考“为什么饺子刚放入水中的时候会沉在锅底，但是当其煮熟时就会上浮？这两种现象是如何产生的”，也可播放潜水艇在水中上升与下沉的画面，让学生思考“潜水艇是如何实现在水中自由沉浮的”。此外，教师还可先让学生回忆之前学过的质量概念，再以问题“如何确定相同体积物体的质量大小”引导学生进行探究。

通过以上情境，学生会回忆起阿基米德原理，联想到液体中浮力的应用，物体下沉和上浮的条件。此时，教师可让学生回忆之前做过的盐水密度实验，并带领学生回忆水的密度，以及物体自身密度大小与沉浮的关系，但是由之前的知识只能确定物体的密度是大于还是小于水，无法确定其具体数值，由此就能引出这节课的话题：自制密度计。教师还可让学生进行小组讨论，思考“密度计的应用情境有哪些”，从而将学生引入这节实验课中，使其在实际的应用情境中思考，并全身心地投入后续实验设计中。

（二）讨论带动创新，设计实验方案

教师需要考虑科学、技术、工程与数学的融合应用，根据学科要求，安排实验前的小组讨论，让学生在讨论中碰撞思维、交流创新，明确实验原理，确定实验设计方案，了解实验操作与工艺，应用数学思维，得出最终的实验结论与成果。

这节实验课有如下要点：在科学学科方面，需要学生理解阿基米德原理，明确密度计的工作原理；在技术学科方面，要让学生思考、探究、掌握制作简易密度计的工艺，并知道如何制作才能达到效果；在工程学科方面，既要通过合理安排，让学生能够自主设计简易密度计，培养学生的工程设计思维，又要让学生了解应该怎样利用吸管和辅助的材料制作简易密度计，并以其去测量液体的密度；在数学学科方面，要让学生学会控制变量的方法，知道怎样确定简易密度计的读数，并能通过阿基米德原理和二力平衡原理得出公式，进而推算出其他液体的密度。

教师要引导学生围绕这四个部分的内容进行实验准备，并推动实验创新。教师可事先准备吸管、蜡烛、烧杯、螺丝、水、刻度尺、天平、量筒以及其他液体，引导学生结合STEM教育理念中提出的整合思想整合基本资料，并通过创新应用的方式自主设计密度计。在此过程中，学生可通过小组合作，寻找最佳材料。完成自主设计后，学生再根据课本知识设计密度计，并通过实验检测密度计的准确程度。

在小组讨论中，学生思维活跃，提出了不少方案，如将蜡烛换成酒精灯，将水换成醋、酒精等。随后，学生讨论“用什么的样方式能够增加密度计的精确度”，并更换材料做实验。通过多次实验，学生在现有材料中找到了能够增加密度计准确度的材料。此外，一些学生也考虑到最开始也是最重要的一步，那就是“怎样才可以用蜡烛把吸管的某一端给封起来”。在探究过程中，学生结合多种学科思维，整合科学、技术、工程、数学知识，从而以优化的方式制作出了简易密度计，并用其来测量物体密度。学生还探究出使用吸管的注意事项，即需要进行密封处理，因为不密封就无法准确地排出液体，也无法计算出到底有多少液体排出，更别说去校准刻度了。由此，每个小组都构想出了自己的密度计制作方案。

（三）探究实验步骤，切实动手实践

基于STEM教育理念开展科学实验教学时，教师要在学生提出制作方案后，及时让学生动手实践。学生只有真正地动手参与实验，才能在实验中“知行合一”，进而学会发现问题，并合力解决问题。这能有效锻炼学生解决实际问题的能力，培养学生的技术学科素养。而在得出结果的过程中，学生会自然地使用数学思维，记录实验数据，推导实验结论，从而达成STEM教育所倡导的教育目标。

在简易密度计的制作过程中，学生需要经历以下四个步骤。

第一步，学生先用蜡烛点燃后流下的蜡油将吸管的一端密封起来，再将螺丝拧入吸管的另一端，从而使吸管能竖直地漂浮在液体中。在这一步骤中，学生遇到了不少问题。比如蜡油并不能很好地将吸管封住，蜡油滴在吸管的内壁上，需要再三尝试才能解决这些问题［3］。又如，由于没有经验，学生很难使吸管漂浮在水中，他们往往都只在吸管中拧入一颗螺丝，而这样并不能让吸管漂浮在水中。经过多次尝试之后，学生发现可将多个螺丝一起拧入，这样吸管就可竖直起来了。通过多次自主探究，学生都解决了以上问题，这就有效锻炼了学生的技术学科素养。

第二步，学生将做好的吸管放入装有适量水的量筒或烧杯中，并用记号笔标出吸管浸入水中的长度H。这时，学生需要根据阿基米德原理和物体漂浮原理，推导出吸管浸没在水中的长度H和吸管浸没在其他液体中的长度h之间的比例关系在这一步骤中，学生需要运用自己学过的科学知识，这能有效促进其在科学学科方面的素质增长。而在推导公式的过程中，学生的数学学科素养也得到了提升。

第三步，学生需要考虑实验所用吸管的总长，并根据公式计算小组制作的简易密度计在进入其他不同密度的液体后，深度各自会是多少。由此，学生对吸管进行分隔，标刻度，以方便后续测量其他不同液体密度时直接读数。在这一步骤中，学生需要运用数学学科素养和技术学科素养。

第四步，学生将做好的简易密度计，放入装有适量其他液体的量筒中，根据刻度读出其密度，再对数据进行汇总，如此就完成了整个实验。在进行数据处理与填写表格的过程中，学生的工程学科思维能得到提升。

（四）整合学习资源，复盘优化实验

基于STEM教育理念进行教学，最重要的就是整合四个学科的所有相关理念。教师要站在整体的角度进行思考，整合各学科的知识。完成实验后，教师先要引导学生复盘，分析在实验中遇到的问题及相应的解决方法，再让学生自主优化实验方案，锻炼其思维的各个维度，然后让学生互相讨论，寻找在这次实验中是否还有没有想到的内容，最终实现初中科学实验教学的教学目标［4］。

通过讨论，学生发现自己制作出的简易密度计刻度线不是很均匀，一般都是越往上越疏松，越往下越密集，而且越往上密度值越小。同时，有的学生还提出了“如何确定自己的密度计刻度是准确的？要怎样检验误差”等值得思考的问题。此外，有的学生分享了自己的推导过程，根据物体漂浮原理F浮(水)=F浮(其他液体)，以及阿基米德原理ρ水gV排(水)=ρ其他液体gV排(其他液体)，由于使用的是同一个吸管，故其横截面积不变，也就是说其排出液体的体积只和液面的高度相关，进而推导出公式h=

学生的这些讨论都是弥足珍贵的，教师可在教学的最后环节让学生思考、整理，从设计实验方案到制作、测量，全面考虑整节课中自己的表现情况。在复盘的过程中，学生能够融会贯通四门学科知识，并利用多种思维进行思考，这就达成了STEM教育所追求的教育效果。

综上，在初中科学实验教学中，以STEM教育理念为指导，能将不同领域的知识有机结合，使学生从不同学科的角度看待问题，激发其学习兴趣，使其实现各学科知识的融合提高，进而有效提升科学实验教学的效果。