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初中物理课堂教学与实践

2020/01/16 阅读:

摘要:工程教育不仅对国家未来的创新能力和竞争力有决定性影响,而且是人类生存和发展的必要基础。文章以学生实践活动———制作浮沉子和简易密度计为例,试图把工程教育融入初中物理课堂教学中,努力激发和培养学生的工程意识和工程实践能力。

关键词:工程教育;初中物理课堂教学;浮沉子;简易密度计

STEM教育即科学(Science)、技术(Technolo-gy)、工程(Engineering)、数学(Mathematics)四门学科的简称,强调多学科之间的交叉融合。工程教育作为STEM教育的分支,在我国初中物理教学中很少有体现。教师应在教学过程中注重工程教育的融入,在注重科学知识建立的基础上,培养学生问题解决与人工造物的能力,体验工程产品的设计与制作过程。本文从实践层面出发———以苏科版初中物理教材中浮沉子和简易密度计的制作为例,提供一些将工程教育融入物理课堂的思路,阐述怎样在物理教学中融合工程教育,提高学生的工程素养[1]。

1浮沉子制作:改进优化,唤起工程意识

在制作过程中,学生首先要思考瓶子的硬度、配重等条件对实现上浮和下沉的影响,从而选择制作浮沉子的材料。由于悬浮状态难以掌控,需精确调节小瓶中的水量,学生用滴管多次微调,最终实现悬浮。教师也可引导学生逆向思维,即先让小瓶沉到底,通过向水中不断加盐增大浮力来使其悬浮。学生灵活运用了决定物体浮沉的另一因素———浮力,向水中加盐确实比微调小瓶中的水量操作起来更容易,现象也更直观。此外,还有学生带来了意外的惊喜:将大瓶装满水,瓶口敞开,小瓶漂浮在大瓶瓶口处。盖上大瓶瓶盖,小瓶缓慢下沉。拧开瓶盖,小瓶又上浮。无需挤压瓶身,瓶盖开合就能实现浮沉子的上浮和下沉。通过制作、改进的过程,学生更直观地观察到了浮沉子的浮沉现象,理解了其中的浮沉原理。教师要有意识地给予学生工程研究的机会,激发和培养学生的开放性思维及对产品的优化意识。

2简易密度计制作:解决工程问题,培养工程能力

制作简易的密度计这一综合实践活动是苏科版初中物理教材2012年新增的,旨在培养初中生的动手实践能力。在实际教学过程中,根据工程设计流程,教师可拟定以下四个问题让学生分组进行合作探究,通过将工程理念融入综合实践活动中,引导学生逐步解决制作中的工程问题,培养学生的工程实践能力。

2.1明确问题:密度计是如何测量出液体密度的

将鸡蛋放入水中,不断向水中加盐发现鸡蛋漂浮时排开液体的体积越来越小,由此引导学生作出推测:同一物体,它漂浮时排开液体的体积是由液体的密度决定的[2]。通过这一实验向学生讲解密度计的原理这一新知识,建立好科学基础,为制作密度计做好准备。向学生展示做好的密度计,要求学生认真观察其构造,选择合适的材料进行制作(如表1)。

2.2制定解决方案:如何制作密度计

教师引导学生结合选取的材料大胆构想,对密度计的构成、外观进行整体的设计,并画出简略设计图,结合设计图进行制作。但是,在实际制作过程中,学生会遇到装置底部密封困难、重心难以调节以及不易标度等问题。此时教师要引导学生明确问题,并提出如果你是工程师会如何解决这些问题?促使学生用尽可能多的方式进行讨论与试验,寻找合理的问题解决方案。对于用橡皮泥封口效果差、用熔化的石蜡易使封口破损等问题,引导学生综合考虑,设计封口方案。对于配重无法确定,装置重心难以调节的问题,引导学生用微调的思想通过多次试验来解决。对以上问题的思考能够有效培养学生的技术素养。对于密度计标度问题,学生首先要根据教材提供的思路,运用数学知识推导出H和h的关系h=ρ水ρ液·H,并理解标度的原理。而在实际标度时,学生又会遇到以下问题:在吸管外壁画刻度易被液体冲洗掉。用刀具刻画虽不会被冲洗掉,但印记不清晰,容易造成读数误差,而且若刻画力度掌握不当还可能导致吸管破损渗漏。经过对比思考之后,学生想到可以先用笔在细长的纸条上画上刻度线,再把纸条插入吸管内壁中。因此,教师可建议学生在选择材料时,首先考虑透明吸管,便于读数。然后,使吸管竖直漂浮在水中,在管壁上标出水面位置,即吸管浸入水中的深度H。将标好刻度的密度计浸入不同密度的液体中,测得对应的浸入深度h。表2是其中一组学生进行实验时记录的数据,该组吸管总长15cm,浸入水中的深度为10cm。根据标度公式h=ρ水ρ液·H,计算出该密度计浸入不同密度的液体时的浸入深度。根据表中的数据,在吸管上标出相应的刻度线(图1)。在密度计制作过程中学生不断思考、探究,促进了一系列工程问题的解决。学生的工程实践能力得到了一定的培养。

2.3分析解决方案:如何用密度计测量液体的密度

密度计制作完成之后,引导学生对其测量的精确程度进行检验。先用天平和量筒根据ρ=mV测出饱和食盐水的密度,再用自制密度计测量[3]。比较两种测量方法哪种更为准确,得出利用密度计测量未知液体密度的便捷性,初步感受工程设计给人类社会和生活带来的便利。之后教师可以引导学生对食油、酱油等液体的密度进行测量,并与水的密度做比较,可以对密度有一个更为感性的认识。2.4优化解决方案:如何使测量结果更精确通过对密度已知液体的测量,发现密度计存在一定的误差。有学生提出可能是配重没有调节到位,可把用作配重的铜丝、铁丝换成订书钉、小钢珠,因为它们大小相同、质量相等,方便对配重进行微调;有学生提出自制密度计的刻度线太密,容易造成读数误差,应将相邻两条刻度线之间的距离增大。由标度公式h=ρ水ρ液·H可知,ρ水ρ液一定,要使间距Δh变大,可通过增大H来实现。增大H可通过选取更细的吸管使它的横截面积变小来实现。学生用一根普通吸管经过设计、制作,做成了一个能测量液体密度的仪器,并对仪器误差进行检验、分析,对成品进行了优化,整个过程与工程设计流程相吻合。将工程教育融入初中物理教学中,让学生成为小工程的制作者,能够让学生体验工程产品的设计与制作过程,从而强化他们的物理概念。这样的工程教育过程为学生营造了独立思考、协作学习、探索创新的良好学习环境,能够激发和培养学生的工程意识和工程能力。

参考文献:

[1]陆卫兵.将STEM教育融入初中物理综合实践活动的教学———以学生进行“简易密度计”制作为例[J].物理教师,2019,40(5):43-45.

[2]凌严.以“制作简易密度计”为例谈“综合实践活动”的有效开展[J].中学物理教学参考,2016,45(20):44.

[3]张莉.课外实践课堂深入赢素养生长———谈苏科版“综合实践活动———制作简易的密度计”[J].物理教学探讨,2017,35(7):25-27.

作者:宋云云 刘剑霜 单位:扬州大学物理科学与技术学院

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