贯彻STEM教育理念设计“制作‘潜水员’

范群英

〔摘    要〕  隨着科学技术不断进步，解决任意一个领域的问题都有可能涉及多个领域。国家的发展迫切需要全面发展的综合型人才，为此，教育部制定了2022年版《义务教育科学课程标准》，其修订原则坚持目标、问题及创新三个导向。STEM教育理念将科学、技术、工程和数学等学科知识进行有效融合，不仅能够提升学生综合运用所学知识的能力，而且还可以培养学生的动手能力、团队合作精神及创新精神。本文以“制作‘潜水员——认识浮力”项目式教学设计为例进行阐述，以期为STEM在小学科学教学设计中的应用提供一个参考视角。

〔关键词〕  小学科学；STEM教育理念；教学设计

〔中图分类号〕  G424                〔文献标识码〕  A         〔文章编号〕  1674-6317    （2024）  11    064-066

一、前言

STEM教学理念起源于20世纪80年代美国，历经三十几年的发展，目前已成为多个国家培养创新型人才的战略性教育策略。它以项目式学习、问题解决为导向，联系生活实际。学生利用所学知识大胆设想，调查研究，亲身体验多学科整合的方法，将直接经验内化为自身的能力。它有利于激发学生兴趣，引导学生主动学习，加深理解，培养团队合作交流能力。将其应用到小学科学教学设计中，探索出更多具有可操作性的教学设计，可大力推动小学科学教育的发展。本文以基于STEM教育理念的“制作‘潜水员——认识浮力”项目式教学设计为例进行阐述。

二、贯彻STEM教育理念设计“制作‘潜水员——认识浮力”项目式教学

（一）课程背景与目标

浮力，是指浸在流体内的物体受到流体竖直向上的作用力，与重力的方向相反。古希腊阿基米德在两千多年前发现了浮力原理。即物体在液体（或气体）中所受浮力，等于所排开的液体（或气体）的重量。早期，人类通过观察和探索水中生物，发现鱼靠鱼鳔在水中能自由地上浮下潜。受到鱼类等水生动物的启发以及对水下环境的需求，人类设计出能在水下上浮下潜的工具——潜艇。

本课程通过让五年级学生了解浮力现象及其产生原理，并通过简单的浮力实验，让学生探索潜艇上浮下潜的原理，锻炼动手实践能力，初步认识浮力与阿基米德原理，为将来的学习打下基础。

（二）课程领域

科学、技术、工程、数学、艺术。

（三）建议年级

五年级。

（四）建议时间

70分钟。

（五）课程任务

认识浮力的概念及其产生的原理，知道潜艇上浮下潜的原理；利用给定的材料学习设计并制作“潜水员”，让“潜水员”在水中能沉浮。

（六）教学过程

1.故事导入激发兴趣（15分钟）

师：上课之前，先给大家讲一个故事。从前，有个孩子叫文彦博，是一个爱动脑筋的孩子。有一天，他和几个朋友在室外踢球玩。踢了一会儿，有一个小朋友使劲踢了一脚，球飞得老远，飞到了一棵老树之后。大家找了许久，发现球滚到了一个很深的树洞里。有的小朋友用棍子捅，有的小朋友用手掏，但树洞不仅深，还弯弯曲曲，小朋友们绞尽脑汁都无法将球取出。最后，文彦博想了一个办法，取出了树洞里的球。你们猜猜文彦博想出什么办法取到树洞里的球的？

生：给树洞灌水。

师：对了！他往树洞里头灌水。那为什么往树洞里头灌水，就能取到球呢？

生：因为浮力，球会浮起来。

师：这节课，我们先来了解一下浮力。

简述浮力的概念和形成原理。

教师讲述一则关于阿基米德发现浮力的故事及浮力公式：F浮=[ρ]gV排，向学生讲解浮力的原理：当物体处于液体或气体中时，由于上、下表面所处深度不同，受到液体或气体的压力也不相等，下表面受到向上的压力比上表面受到向下的压力大，上、下表面的压力差就形成浮力。因此，浮力的方向是竖直向上的。

教师接着讲述一则牛顿被一个自由落体的苹果砸中后发现万有引力定律的故事以及重力公式：G=mg。重力的方向是竖直向下的，大小与物体的质量有关。

教师讲解并画示意图：当物体上浮时，它所受到的浮力大于自身重力；当物体漂浮或悬浮时，它所受到的浮力与自身重力相等；当物体下潜时，它所受到的浮力小于自身重力。

简述浮力的相关应用。介绍潜艇上浮与下潜的原理。

师：浮力在我们的日常生活中有哪些应用呢？

生：游泳圈、浮板让我们在游泳的时候浮起来。

师：对，浮力的应用例子有很多，比如轮船、气球、潜艇和飞艇等。

教师播放视频展示潜艇上浮下潜，引导学生思考并回答以下问题：潜艇很沉，为什么可以在水中上浮与下潜呢？

师：通常潜艇主要通过以下两个途径实现上浮与下潜的。一是调节水舱内的水量；二是调节潜艇俯角与仰角加上发动机的推力。由于水下压力的存在，每艘潜艇都有一定的安全深度范围，超过这个范围，潜艇出现故障甚至造成事故的风险就会增加。因此，潜艇下潜到一定深度必须“踩刹车”。而要让潜艇在水中保持一个相对平稳的悬浮状态，就要让潜艇和周围水体的比重保持基本一致。要做到这一点，高压气瓶起到了关键的作用。潜艇所配备的高压气瓶的用处相当于鱼鳔。这种“鱼鳔”与水舱配合才能改变潜艇的比重，实现潜艇的浮沉。

2.执行任务（50分钟）

出示任务和评价量规（5分钟）。

任务：每个小组利用所给材料设计制作一个能在水里上浮下潜的“潜水员”。

材料：（以小組为单位）空的矿泉水瓶1个、剪刀1把、吸管若干、回形针若干、水。

评价量规（见文后附表）。

3.设计（10分钟）

各小组在理解潜艇在水中上浮下潜原理的基础上设计制作方案。教师在教室内巡视，观察各小组设计情况，并用问题引导学生思考。

什么样的结构可以保证“潜水员”在水中上浮下潜？

使用几枚回形针合适？回形针少了或者多了，各有什么现象？

如何让设计的“潜水员”在水中上浮下潜的过程中不散架？

画好设计图后到教师处领取材料。

制作（15分钟）：学生以小组为单位进行“潜水员”的制作。将空的矿泉水瓶装水，放入做好的“潜水员”，拧紧瓶盖。

测试（10分钟）：尝试用手用力挤压瓶身后放松，观察瓶内“潜水员”出现什么样的现象，并思考产生此现象的原因。测试三次，看各小组制作的“潜水员”上浮下潜的能力，以及制作的“潜水员”结实程度。如果失败，重新设计、制作、测试。

汇报展示（10分钟）：在时间充裕的情况下，给每个小组至少2分钟的时间介绍小组设计思路、制作过程。其他小组学生可以提问，被提问小组需做出回答。

4.总结（5分钟）

教师播放实验演示视频，对本课程进行总结，并解释自制“潜水员”能够上浮下潜的原理：当我们按压矿泉水瓶时，由于瓶内水的压力增加，水被压入吸管，从而增加“潜水员”身上的重力，“潜水员”所受重力大于浮力后下沉；当撤去双手压力时，瓶内水的压力降低，被压入吸管内的水流出，“潜水员”身上的重力减少，“潜水员”上浮。

三、结语

在新课程标准的指导下，教师将STEM理念合理地应用于小学科学教学设计中，不但有利于激发学生的探究兴趣，而且培养了学生发现问题、分析问题与解决问题的能力，培养学生的科学核心素养。因此，在今后的科学教学中，教师应继续借助STEM的优势，探索出更多具有可操作性的教学设计，进而推动小学科学教育的发展。

【本文系建瓯市2022年度教育科研立项课题“STEM在小学科学教学设计中的应用研究”阶段研究成果，课题立项批准号B22002】

参考文献

[1]黄桦.基于STEM教育理念的科学教学[J].教学与管理，2018（21）：109-112.

[2]陈如平，李佩宁.美国STEM课例设计（小学卷）[M].北京：教育科学出版社，2018.