以中考浮力命题为例探究STEM教育理念下的物理教学

陈日维，杨艳敏

福建师范大学物理与能源学院，福州 350117

在积极落实“双减”政策并全面提高教育教学质量的背景下，仅掌握代用物理公式方式解题显然不能达到让学生接受更高质量教育的要求。如何将STEM 理念应用于初中物理教学和考试之中，已经成为我国物理教育工作者热烈讨论的话题［1］。2019年，教育部发布的《关于加强初中学业水平考试命题工作的意见》中指出：应结合不同学科特点，合理设置试题结构，减少机械记忆试题和客观性试题比例，提高探究性、开放性、综合性试题比例，积极探索跨学科命题，提高试题情境设计水平。《义务教育物理课程标准（2022年版）》中倡导的“跨学科实践”包含“物理学与日常生活”“物理学与工程实践”和“物理学与社会发展”三个二级主题，具有跨学科性和实践性特点，与日常生活、工程实践及社会热点问题密切相关，强调加强课程综合，开展跨学科主题实践活动，培养创新型人才，注重“做中学”［2］。

STEM 教育是指将科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）融为一体的教育，其学习和教学方式是达成知识再现、联结、应用、巩固和生成的有效载体和催化剂，其跨学科整合的教学模式可以促进学生掌握知识与技能并迁移应用于真实问题［3－4］。2014年，国务院发布的《关于深化考试招生制度改革的实施意见》中强调，考试评价体系要求体现学生应用所学知识分析和解决实际问题，让学生从“解题”发展为“解决实际问题”。因此，建立STEM 引领下的初中物理命题制，既能体现以学生发展为本的核心素养导向下的深化课程改革和评价，又能体现对学生跨学科知识整合与应用的考查，体现从“生活”到“试题”的迁移，再从“试题”到“生活”的升华。2017年衢州中考物理第35 题以建设屋顶光伏电站工程为情境，在引导学生关注社会生产实践的同时，考查学生对电路连接、欧姆定律、电功和电功率以及地球与宇宙等科学知识的掌握和综合应用。2018年重庆市中考物理题，将《岳阳楼记》中的“皓月千里，浮光跃金，静影沉璧”作为题干，以选择题的形式考查学生对反射、折射等知识的理解。

本文以“双减”政策实施后的物理中考浮力相关试题为例，以STEM教育理念中的“科学、技术、工程、数学”四个维度为抓手，剖析试题情境、测试目标和评价作用，挖掘命题的育人功能和导向作用，引导与促进初中物理教学质量的提升，以评促教、以评促学和以评育人，切实培养学生的物理核心素养。

1 考情分析

随着“双减”政策落地，2022年（“双减”政策施行后的首年）的物理中考命题也在悄然发生变化，物理考题遵循“依标命题、难度适宜、教考衔接”的原则，重视基础又有提高，源于教材又有创新，考查全面又有侧重，贴近生活又紧跟时代。与压强、物体的密度等相关的浮力计算是中考物理的重点与难点内容，是中考物理近些年的热点和重点考查题型。本文充分调研了2022年山东、湖北、福建、广东、广西和江苏等地的中考试卷中浮力相关试题（表1），分析命题特点，发现这些浮力相关命题的情境与工程、技术密切相关，涵盖了丰富的生活实际、高新科技情境、不同板块、不同学科的知识，核心考点“隐藏”于命题情境中。虽然试题文字篇幅明显增加，但计算难度和考点与历年实质上相差无几。不过，“双减”政策下物理中考命题在考查学生的计算和公式运用能力基础上，更关注学生有效提取信息、构建模型，增强对多学科、宽领域知识整合应用的能力。“双减”政策实施前的部分教学模式显然不能满足新时期下创新品质人才培养的要求，必须要做相应调整。

表1 2022年部分地区中考及模拟考试浮力计算题、综合题考题情境

2 基于STEM教育理论对中考浮力计算题的深入探讨

STEM教育理念旨在解决学科孤立、课本知识碎片化的问题，着力培养学生的创新能力和分析问题、解决问题的综合素质，与现阶段我国正在大力推行的跨学科实践存在很强的内在关联。下面将基于STEM教育理论中“S（科学）、T（技术）、E（工程）、M（数学）”四个维度，以浮力内容为切入点，深入剖析初中物理中考试题的考点、情境、难度。

例1（2022年福建中考第24 题）如图1 是一款能自动沉浮的潜水玩具，正方体潜水器内装有智能电磁铁，将它放入装有水的圆柱形薄壁容器中，容器放置在水平铁板上，不计容器的重力。潜水器启动后通过传感器测出其底部与铁板间的距离L，自动调节电磁铁电流的大小，改变潜水器与铁板间的吸引力F 的大小。闭合开关前，潜水器处于漂浮状态。闭合开关，潜水器启动后先匀速下沉，完全浸没入水中后，变为加速下沉直至容器底部，下沉全过程F 随L 变化的关系保持不变，水深变化的影响可忽略不计。已知潜水器的边长为10 cm，重为5 N，容器的底面积为1000 cm2，水深为25 cm。求：

图1 例1 示意图

（1）潜水器漂浮时受到的浮力；

（2）下沉全过程潜水器受的重力所做的功；

（3）潜水器沉底静止后容器对铁板的压强。

STEM 理论分析：试题涉及科学、技术、工程、数学四个维度的知识（表2），是一道培养学生形成多学科素养、利用相关综合知识解决实际问题的典型综合计算题。试题以常见的潜水器玩具为模型，实际考查了传感器和电磁感应现象在生活中的实际应用，其中涉及定量分析的科学思想和推理的逻辑方法。学生在掌握浮力、压强、重力做功相关知识的基础上，还要深刻理解试题真实的应用模型，突破定量分析运动过程的难点。与此同时，试题重点还是考查学生对浮力、压强核心考点知识的掌握情况，对于技术上传感器的工作原理、电流的相关知识、工程上玩具下沉的过程并不是本题的解题关键，对于数学能力的考查也只是简单的代数计算和一次函数的应用。试题中的电吸力可以根据阿基米德原理解答。通过STEM 理论分析，可以看出本题是以科学内容为重点，以技术、工程为背景，以数学知识为基础的题目组合，解题时应快速检索信息，分离干扰因素。

表2 2022年福建中考第24 题的STEM 理论分析

例2（2022年山东滨州中考第24 题）建造某跨江大桥时，需将长百米、重千余吨的桥梁从江中吊起，如图2 施工时采用了将桥梁与水面成一定倾角出水的起吊方案。为了探究该方案的合理性，某学习小组做了以下两个模拟实验。水平桌面上放置一个装有适量水的烧杯，杯的底面积为1×10－2m2，将小金属板用细线吊着，然后将其浸没在烧杯内的水中，杯中的水没有溢出；将同一小金属板分别与水面平行和与水面成一定倾角从水下缓慢拉出，如图3 乙、丙所示。在这两个过程中测力计所受拉力的变化情况，如图3 中丁图坐标图像所示。（g＝10 N/kg，ρ＝1×103kg/m3）求：

图2 例2 示意图

图3 模拟实验图

（1）根据实验数据，实验2 中最大拉力比实验1 中最大的拉力减小了多少；

（2）小金属板的密度；

（3）当小金属板浸没水中后，水对烧杯底部增大的压强。

STEM 理论分析：表3 给出了基于STEM 理论的四个维度的分析。试题不仅是单纯的浮力计算题，还涉及到了分子间作用力的知识以解释最大拉力不等的情况，是一道典型的以工程知识为背景的计算题。工程方面，两个实验的结论已在图形中体现，学生无需了解其中的受力原理，只要抓住图像突变时对应的物理原因就可以轻松解题。然而，试题蕴含了科学探究中的问题、证据、解释和交流等要素，注重凸显“做中学”的育人价值。

表3 2022年山东滨州中考第24 题STEM 理论分析

例3（2022年重庆中考模拟第22 题）智能制造是第四次工业革命的核心技术，如图4所示是为圆柱体涂抹防护油的智能装置。其外壳是敞口的长方体容器，距容器底面h0处固定一个支撑板C，C 的中心有一小圈孔，圆柱体放在支撑板C 的正中央。长方体的左下角有注油口，防护油能够匀速注入长方体容器内部，当油的深度为0.175 m 时，圆柱体刚好浮起离开支撑板C。随着液面升高，圆柱体竖直上浮，当油面上升到压力传感器时，停止注油，此时撑杆的P 点对圆柱体有20 N 的竖直向下的压力。已知h0＝0.1 m，小圆孔面积S0＝8×10－3m2，圆柱体底面积S＝2×10－2m2，圆柱体重12 N，支撑板C 的厚度不计，g 取10 N/kg。求：

图4 例3 示意图

（1）注油前，圆柱体对支撑板C 的压强；

（2）圆柱体刚好浮起离开支撑板C 时浸入油中的体积；

（3）圆柱体的高度。

STEM 理论分析：本题是基于智控装置的应用型计算题（表4），试题用油作为液体并且通过注油的方式来逐渐增加浮力，背景较为新颖。学生不仅要应用浮力的知识解题，更要看懂图片，脑海中构建受力模型。学生在解题时只需要对技术、工程板块进行了解，题目重点考查了相关物理定理和基础的数学运算。

表4 2022年重庆中考模拟第22 题STEM 理论分析

3 基于STEM 教育的浮力章节教学启示

3.1 补充跨学科素材，创设多样情境

STEM教育理念下，物理试题存在阅读量增加和情境多变等新趋势，部分学生存在科学知识面过窄、跨学科间知识迁移性差等问题，无疑将增加试题阅读理解能力的难度，并影响试题正确解答。因此，适当结合工业与生活情境（如轮船吃水线、潜艇载压舱等），融入其他学科知识形成跨学科学习材料包（表5），教师从交叉学科角度阐释物理知识，既能通过学科交叉联系增加学生的兴趣，又可以有效巩固学生的知识网络，串联起学生的知识碎片。

表5 基于STEM 理论的跨学科学习材料包举例

具体到浮力部分，教师可以引导学生利用所学的浮力和工程知识自行设计、改进潜水艇，或是还原试题情境，将试题本身的情境引用至课堂之中。创造多样情境可以将教学的重点转移到对于知识点的深入理解上来，优化原有的设问内容，在教学中补充大量的相关跨学科知识，提供跨学科学习的材料包，进行跨学科实践活动，如小组形式汇报、试写科技论文、物化研究成果等新的活动项目，让学生去主动寻找学科间的知识联系，增加其知识的厚度。

3.2 培养学生高阶思维能力，注重知识应用

试题的新情境还重点考查了学生在思维上的举一反三、知识的灵活应用能力，物理学习离不开培养学生对于物理概念、习题分析能力的强化，这将决定学生的高阶思维能力认知层次中的“分析、评价、创造”三个指标［5－6］。从丰富学生的经历和体验入手，在相关事实上获得抽象结论，由感性到理性，再落实到新情境下相同问题中，列举“换汤不换药”的例子，由理性再到感性。如此反复，实现从具体现象的发现逐步升华至物理观念的建构和科学思维的认知。例如，从“阿基米德测金王冠密度”的故事中可以获得浮力大小的影响因素，教师可以引导学生学以致用，利用类似的方法测出铁块、铜块的密度，并将此内容设置为STEM 主题的课后调查作业以增加学生实际体验，可再获得新的感性认识，这时学生自然就会开始思考实验过程的设置、结论的收集整理等一系列科学探究过程。

根据2022年物理中考试题分析可知，教师可以在工程技术为背景、科学为重点、数学知识为基础的模式下编制试题。在日常练习中有意识地培养学生利用STEM 表格的分析方式研究试题，将试题的设问、背景从“科学、技术、工程、数学”四个角度剖析，排除干扰的文字，将核心知识点慢慢剥离出来，找到“科学”部分内容作为核心知识检索找到解题思路。经过有意识地多次训练后，学生能自己归纳出考点信息，在后期的复习课中学生也会自主加强对相关章节内容的重点复习。以上是基于STEM 理论，对2022年全国多地市浮力中考及模拟题分析和提升学生解决问题能力的一点教学启示，以期能在未来的初中物理教学中提供一点参考。