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摘 要：物理是初中的重要学科，但由于物理的抽象性和多层次性，一 直是初中最难学习的学 科之一.利用 STEM 教育理念和方法，科学的设计教学过程和方法，可以有效地帮助学生学习物理，提高教学效果.
1 方案设计
1 . 1 设计意图，教学目标
1 . 1 . 1 设计意图
体现 STEM 教学和探究式教学的特点.在 STEM 教学特点方面，侧重科学、技术、工程、数学的融合; 在探究性教学方面，以带领学生制作“ 浮沉子”为主 线，以探究浮沉子的原理为主问题.引导学生在实践 中发现问题、设计方案、解决问题、体现 STEM 教学 理念从验证型跨越到探究型[2] .
1 . 1 . 2 教学目标
以人教版初中物理教材第十章第三节“ 物体的 沉浮条件及应用”为例，开展小组探究性学习，完成 ( 表 1) 教学内容.
1 . 2 创设情景，引入问题
当教师讲到“沉浮的应用”知识点时，通过提问 学生，举例沉浮的应用，适当引导学生进入关于潜水 艇的讨论，之后播放视频：观看潜水艇的神奇之处， 了解国内外潜水艇的发展现状和国内发展的不足之 处，引导学生思考并分析潜水艇的原理.
设计意图：利用观察潜水艇神奇之处，且对国内 外潜水艇的发展现状进行对比，激发学生强烈的求 知欲望，培养学生的爱国主义精神.
1 . 3 向学生展示“如意”的浮沉子
教师可以展示浮沉子在水中的上浮与下沉，之 后让学生细心观察现象，开始准备动手制作.( 图 1)
1 . 4 浮沉子制作
1 . 4. 1 学生分组
基于以上分析，笔者将班级分为 10 组、每组 4 ~ 6 人，各组根据教师布置的任务与已有的材料进行制作.
1. 4. 2 提出任务
教师准备好本次需要用到的材料、任务与问题. (表 2)
1. 4. 3 动手实践
学生在制作过程中，教师既要巡视学生完成的 进度，又要对学生进行适当的指导.在配重方面玻璃 瓶的悬浮状态难以调节，需要用到滴管一点点精准 调节水量.作为教学活动的引导者，在学生遇到难题 的时候，教师就要引导学生优化浮沉子配重的措施： 灵活应用逆向思维，无需用滴管一点点加水，而是首 先让玻璃瓶沉入矿泉水瓶底部，通过加盐的方式改 变水的密度，从而使玻璃瓶上浮.
设计意图：这种做法第一方面能够真正做到将 课堂留给学生，以完成任务的方式培养学生的动手 能力;第二方面，通过对产品浮沉子配重措施进行改 进优化，唤起学生的工程意识;最后一方面，通过小 组之间的讨论，在一定程度上能够提高学生的团队 意识，使教学达到“操作中学习，学习中操作”的效 果，实现将 STEM 教育理念中的技术、工程教育理念 融入到初中物理教学中去.
1. 4. 4 组织学生交流与探究
要求每组派出 1 ~ 2 名同学作为代表上台，对自 己在制作浮沉子过程中遇到的问题和浮沉原理的初 步理解进行介绍交流，其他组可以评价与提问，充分发 挥学生在教学中的主体地位.代表交流之后，教师不要 急于给出答案，而是要起到统领作用，需要进一步梳理 和总结每组的观点，便于后续进行原理分析与探究.之再一次深入真实情景，发现细节问题：当用力挤压瓶 身，观察到小玻璃瓶还在水面上漂浮了一段时间，只有 继续挤压，玻璃瓶才下沉，这又是为什么?
设计意图：以完成任务为驱动，让学生真正能做 出产品，并且组内以合作方式进行讨论、组与组之间 进行评价、教师作为“ 中间人”需要把握课堂节奏， 适当进行引导，真正实现生生互动、师生互动.当同 学们以为问题都已经得到解决的时候，再一次提出 容易忽略的细节问题，让学生体会到科学探究性学 习的过程是充满未知的、是严谨的，同时也培养学生 动手实践与沟通合作的能力.引导学生对浮沉子进行 结构与原理分析，进而过渡到潜水艇的原理，该过程充 分将 STEM 教育理念中科学、数学与工程层面有效融 合在一起，体现跨学科的思维特点[1] .
2 原理讨论与分析
2. 1 引导学生建构物理模型
面对学生提出的观点与疑问，教师应该通过引 导学生运用科学的研究方法去解决问题，在本案例 中问题的解决离不开物理模型的建立.教师在分析 问题前要将复杂的任务进行分解，促进学生对知识 的理解.通过直接观察浮沉子的外观，对其结构进行 分析，该结构包括内部有开口向下的玻璃瓶，外部有 装水和空气的矿泉水瓶，如图 2 所示.
2. 2 分析浮沉子的结构及其受力分析
教师简单介绍：浮沉子的沉、浮与潜水艇的沉、 浮原理十分相似，虽然结构简单，但是其中包含的道 理却不简单，接下来我们一起对其原理进行分析.首 先，我们分析玻璃瓶漂浮在水面上时的情况，以玻璃 瓶为研究对象( 图 2) , 受到竖直向下的重力 mg、上 方气体向下的压力 p0 S 和内部气体向上的压力 p1 S , 此时玻璃瓶受力平衡，有这样一个关系：
由此得知，初始状态玻璃瓶漂浮在水面上时重 力是等于浮力的.
2. 3 浮沉子原理的分析
2. 3 . 1 分析浮沉子的沉与浮
通过之前学习的内容“ 物体的沉与浮”以及上 文的分析，同学们对物体的浮沉条件有了一定的认 识，即物体的浮沉取决于浮力与重力的关系：当 F浮 > mg 时，物体会上浮;反之，物体会下沉.
第一种情况，将玻璃瓶为研究对象时，玻璃瓶的 重力不变，当外力挤压矿泉水瓶，矿泉水瓶上方气体 的体积减小，在不考虑温度变化的情况下，体积减小 就会导致压强增大，而这个压强作用在玻璃瓶上，就 会导致玻璃瓶内气体被压缩，进而导致 V排 减小，根 据：
此时 F浮 减小，即 F浮 < mg , 所以玻璃瓶下沉.反 之，F浮 增大，F浮 >mg , 玻璃瓶上浮.因此，玻璃瓶的 重力不变，浮力的改变是导致玻璃瓶浮沉的原因.
第二种情况，将玻璃瓶与有水的部分看成一个 整体作为研究对象，它的浮力不变，当外力挤压矿泉 水瓶时，矿泉水瓶里面的水被压入玻璃瓶导致研究 对象的自身重力增大，此时 F浮 < mg , 玻璃瓶下沉. 反之，研究对象里面的水被排出导致自身重力减小， 此时 F浮 >mg , 玻璃瓶上浮.
2. 3 . 2 分析浮沉子没有立即下沉的原因
按照上文的解释，当我们用力挤压矿泉水瓶时， 玻璃瓶应该马上下沉，但观察发现玻璃瓶并没有马 上下沉，而是仍然漂浮在水面上，继续用力挤压，玻 璃瓶才沉下去.
这主要跟水的张力有关，通过仔细观察玻璃瓶 的入水过程，我们在捏的时候，玻璃瓶就即将下降 了，但是当玻璃瓶即将没入水面时，玻璃瓶就不再下 降了，因为此时液面表面张力的作用就不能忽视了. 虽然我们在持续加力，玻璃瓶里的水面也在上升，浮力 也在减小，但表面张力也在增加，甚至玻璃瓶已经在水面以下了，但在表面张力的作用下，形成了凹形的液面 (图 3) , 但是只要表面张力没有达到极值，玻璃瓶就不 会下去，直到浮力继续减小，表面张力实在是拉不住 了，玻璃瓶才会挣脱液面的束缚，开始沉下去.
分析至此，一切都拨云见日，原来浮力改变与重 力改变两种说法都是正确的.这样的分析与探究过 程，使得学生再一次被震惊到，原来实际生活中的问 题与平时做的习题有很大的区别，真实情景问题的 答案并不全是非对即错的，而且处处存在细节，需要 学生养成批判的思维，在大家都认为没问题之时提出 问题.因此，在分析实际问题时，我们要学会去简化物 理模型并且界定好一些相关变量，会运用浮力的本质， 进一步提升解决实际生活中的浮沉问题的能力[3] .
STEM 教育体现跨学科思想，以带领学生制作 “ 浮沉子”为主线，一个问题的思考贯穿整个制作过程， 之后对浮沉子的原理进行分析和解答，最后将原理推 广到潜水艇.这个教学设计将科学、技术、工程、数学教 育理念很好地融入“物体的浮沉条件及应用”这节内容 当中.这样的内容不仅丰富了课堂，启迪了学生的开放 性思维，而且在真实情景中加深对浮力本质的认识，使 学生的核心素养和创新意识得到发展.但在有限的教 学时间内，完成较多的教学目标，需要对教师的综合素 养有更高的要求.高效实施 STEM 初中物理课堂，需要我们每个教育工作者为之努力.
参考文献：
[1] 李慧慧，杨文正，许秋璇.基于 STEM 的小学科学教学活动设计与应用案例研究[ J] . 中小学电教，2020 , 14( Z1) : 84 - 87 .
[2] 王美芹，张玉峰，丁庆红.物理单元教学目标设计与关键点突破[J] . 中学物理，2020 ,38(09) : 12 - 15.
[3] 朱郁华.初中科学“过程与方法”目标的理解与设计[ J] . 教学与管理，2011 , 28(22) : 56 - 58 .
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