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摘要：工程教育不僅對國家未來的創(chuàng)新能力和競爭力有決定性影響，而且是人類生存和發(fā)展的必要基礎(chǔ)。文章以學(xué)生實(shí)踐活動———制作浮沉子和簡易密度計為例，試圖把工程教育融入初中物理課堂教學(xué)中，努力激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和工程實(shí)踐能力。

關(guān)鍵詞：工程教育；初中物理課堂教學(xué)；浮沉子；簡易密度計

STEM教育即科學(xué)（Science)、技術(shù)(Technolo-gy)、工程(Engineering)、數(shù)學(xué)(Mathematics)四門學(xué)科的簡稱，強(qiáng)調(diào)多學(xué)科之間的交叉融合。工程教育作為STEM教育的分支，在我國初中物理教學(xué)中很少有體現(xiàn)。教師應(yīng)在教學(xué)過程中注重工程教育的融入，在注重科學(xué)知識建立的基礎(chǔ)上，培養(yǎng)學(xué)生問題解決與人工造物的能力，體驗(yàn)工程產(chǎn)品的設(shè)計與制作過程。本文從實(shí)踐層面出發(fā)———以蘇科版初中物理教材中浮沉子和簡易密度計的制作為例，提供一些將工程教育融入物理課堂的思路，闡述怎樣在物理教學(xué)中融合工程教育，提高學(xué)生的工程素養(yǎng)[1]。

1浮沉子制作：改進(jìn)優(yōu)化，喚起工程意識

在制作過程中，學(xué)生首先要思考瓶子的硬度、配重等條件對實(shí)現(xiàn)上浮和下沉的影響，從而選擇制作浮沉子的材料。由于懸浮狀態(tài)難以掌控，需精確調(diào)節(jié)小瓶中的水量，學(xué)生用滴管多次微調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)懸浮。教師也可引導(dǎo)學(xué)生逆向思維，即先讓小瓶沉到底，通過向水中不斷加鹽增大浮力來使其懸浮。學(xué)生靈活運(yùn)用了決定物體浮沉的另一因素———浮力，向水中加鹽確實(shí)比微調(diào)小瓶中的水量操作起來更容易，現(xiàn)象也更直觀。此外，還有學(xué)生帶來了意外的驚喜：將大瓶裝滿水，瓶口敞開，小瓶漂浮在大瓶瓶口處。蓋上大瓶瓶蓋，小瓶緩慢下沉。擰開瓶蓋，小瓶又上浮。無需擠壓瓶身，瓶蓋開合就能實(shí)現(xiàn)浮沉子的上浮和下沉。通過制作、改進(jìn)的過程，學(xué)生更直觀地觀察到了浮沉子的浮沉現(xiàn)象，理解了其中的浮沉原理。教師要有意識地給予學(xué)生工程研究的機(jī)會，激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的開放性思維及對產(chǎn)品的優(yōu)化意識。

2簡易密度計制作：解決工程問題，培養(yǎng)工程能力

制作簡易的密度計這一綜合實(shí)踐活動是蘇科版初中物理教材2012年新增的，旨在培養(yǎng)初中生的動手實(shí)踐能力。在實(shí)際教學(xué)過程中，根據(jù)工程設(shè)計流程，教師可擬定以下四個問題讓學(xué)生分組進(jìn)行合作探究，通過將工程理念融入綜合實(shí)踐活動中，引導(dǎo)學(xué)生逐步解決制作中的工程問題，培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力。

2.1明確問題：密度計是如何測量出液體密度的

將雞蛋放入水中，不斷向水中加鹽發(fā)現(xiàn)雞蛋漂浮時排開液體的體積越來越小，由此引導(dǎo)學(xué)生作出推測：同一物體，它漂浮時排開液體的體積是由液體的密度決定的[2]。通過這一實(shí)驗(yàn)向?qū)W生講解密度計的原理這一新知識，建立好科學(xué)基礎(chǔ)，為制作密度計做好準(zhǔn)備。向?qū)W生展示做好的密度計，要求學(xué)生認(rèn)真觀察其構(gòu)造，選擇合適的材料進(jìn)行制作（如表1）。

2.2制定解決方案：如何制作密度計

教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合選取的材料大膽構(gòu)想，對密度計的構(gòu)成、外觀進(jìn)行整體的設(shè)計，并畫出簡略設(shè)計圖，結(jié)合設(shè)計圖進(jìn)行制作。但是，在實(shí)際制作過程中，學(xué)生會遇到裝置底部密封困難、重心難以調(diào)節(jié)以及不易標(biāo)度等問題。此時教師要引導(dǎo)學(xué)生明確問題，并提出如果你是工程師會如何解決這些問題？促使學(xué)生用盡可能多的方式進(jìn)行討論與試驗(yàn)，尋找合理的問題解決方案。對于用橡皮泥封口效果差、用熔化的石蠟易使封口破損等問題，引導(dǎo)學(xué)生綜合考慮，設(shè)計封口方案。對于配重?zé)o法確定，裝置重心難以調(diào)節(jié)的問題，引導(dǎo)學(xué)生用微調(diào)的思想通過多次試驗(yàn)來解決。對以上問題的思考能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)。對于密度計標(biāo)度問題，學(xué)生首先要根據(jù)教材提供的思路，運(yùn)用數(shù)學(xué)知識推導(dǎo)出H和h的關(guān)系h=ρ水ρ液·H，并理解標(biāo)度的原理。而在實(shí)際標(biāo)度時，學(xué)生又會遇到以下問題：在吸管外壁畫刻度易被液體沖洗掉。用刀具刻畫雖不會被沖洗掉，但印記不清晰，容易造成讀數(shù)誤差，而且若刻畫力度掌握不當(dāng)還可能導(dǎo)致吸管破損滲漏。經(jīng)過對比思考之后，學(xué)生想到可以先用筆在細(xì)長的紙條上畫上刻度線，再把紙條插入吸管內(nèi)壁中。因此，教師可建議學(xué)生在選擇材料時，首先考慮透明吸管，便于讀數(shù)。然后，使吸管豎直漂浮在水中，在管壁上標(biāo)出水面位置，即吸管浸入水中的深度H。將標(biāo)好刻度的密度計浸入不同密度的液體中，測得對應(yīng)的浸入深度h。表2是其中一組學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時記錄的數(shù)據(jù)，該組吸管總長15cm，浸入水中的深度為10cm。根據(jù)標(biāo)度公式h=ρ水ρ液·H，計算出該密度計浸入不同密度的液體時的浸入深度。根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在吸管上標(biāo)出相應(yīng)的刻度線（圖1）。在密度計制作過程中學(xué)生不斷思考、探究，促進(jìn)了一系列工程問題的解決。學(xué)生的工程實(shí)踐能力得到了一定的培養(yǎng)。

2.3分析解決方案：如何用密度計測量液體的密度

密度計制作完成之后，引導(dǎo)學(xué)生對其測量的精確程度進(jìn)行檢驗(yàn)。先用天平和量筒根據(jù)ρ=mV測出飽和食鹽水的密度，再用自制密度計測量[3]。比較兩種測量方法哪種更為準(zhǔn)確，得出利用密度計測量未知液體密度的便捷性，初步感受工程設(shè)計給人類社會和生活帶來的便利。之后教師可以引導(dǎo)學(xué)生對食油、醬油等液體的密度進(jìn)行測量，并與水的密度做比較，可以對密度有一個更為感性的認(rèn)識。2.4優(yōu)化解決方案：如何使測量結(jié)果更精確通過對密度已知液體的測量，發(fā)現(xiàn)密度計存在一定的誤差。有學(xué)生提出可能是配重沒有調(diào)節(jié)到位，可把用作配重的銅絲、鐵絲換成訂書釘、小鋼珠，因?yàn)樗鼈兇笮∠嗤①|(zhì)量相等，方便對配重進(jìn)行微調(diào)；有學(xué)生提出自制密度計的刻度線太密，容易造成讀數(shù)誤差，應(yīng)將相鄰兩條刻度線之間的距離增大。由標(biāo)度公式h=ρ水ρ液·H可知，ρ水ρ液一定，要使間距Δh變大，可通過增大H來實(shí)現(xiàn)。增大H可通過選取更細(xì)的吸管使它的橫截面積變小來實(shí)現(xiàn)。學(xué)生用一根普通吸管經(jīng)過設(shè)計、制作，做成了一個能測量液體密度的儀器，并對儀器誤差進(jìn)行檢驗(yàn)、分析，對成品進(jìn)行了優(yōu)化，整個過程與工程設(shè)計流程相吻合。將工程教育融入初中物理教學(xué)中，讓學(xué)生成為小工程的制作者，能夠讓學(xué)生體驗(yàn)工程產(chǎn)品的設(shè)計與制作過程，從而強(qiáng)化他們的物理概念。這樣的工程教育過程為學(xué)生營造了獨(dú)立思考、協(xié)作學(xué)習(xí)、探索創(chuàng)新的良好學(xué)習(xí)環(huán)境，能夠激發(fā)和培養(yǎng)學(xué)生的工程意識和工程能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸衛(wèi)兵.將STEM教育融入初中物理綜合實(shí)踐活動的教學(xué)———以學(xué)生進(jìn)行“簡易密度計”制作為例[J].物理教師，2019，40(5):43-45.

[2]凌嚴(yán).以“制作簡易密度計”為例談“綜合實(shí)踐活動”的有效開展[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2016，45(20):44.

[3]張莉.課外實(shí)踐課堂深入贏素養(yǎng)生長———談蘇科版“綜合實(shí)踐活動———制作簡易的密度計”[J].物理教學(xué)探討，2017，35(7):25-27.

作者：宋云云 劉劍霜 單位：揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院