基于STEM理念下“浮力秤”的教学设计

基于STEM理念下“浮力秤”的教学设计温州市第八中学林冬冬一、学情分析本课内容是基于浙教版八年级上册第一章第三节《水的浮力》为知识背景开展的一堂拓展课。学生已经学习了二力平衡、阿基米德原理、一次函数（数学）的相关知识，且具备一定动手能力和抽象思维能力。学生在小学语文中学过“曹冲称象”这个故事，对本课浮力秤的制作原理，有一定的熟悉感。本课内容对学生知识和能力的巩固、动手能力的锻炼、高阶思维的培养都大有裨益，也有助于学生体验真实的工程问题。二、指导思想与设计思路本课教学流程参考美国康尼狄格科学中心提供的“一种有效的STEM课程整体思路”（见下图）展开教学。本课将以“在没有天平的情况下，如何测出一个工艺品的质量”的真实情境引入，通过背景经验的学习（运用阿基米德原理等知识和数学方法解释大象的质量与石块的质量相等），聚焦核心任务，体验工程问题（浮力秤的设计与制作、测试与评价、优化与完善）。三、教学目标（一）知识与技能1.运用二力平衡和阿基米德的相关知识，解释浮力秤的原理。2.通过分析浮力秤的零刻度位置、最小刻度值、最大刻度值的标注，强化测量仪器的所具备的几大要素的认识。3.提出“增大浮力量程”与“增大浮力精确度”的几条措施。（二）过程与方法1.通过使用金属垫片，增加的浮力秤中圆柱筒的底部配重，以解决饮料瓶在水中不稳的技术难题，培养学生问题解决的能力。2.通过运用数学方法，分析在“标好50克的刻度之后，只需在0-50克刻度之间按需求等分”的数学背景：一次函数的因变量随自变量均匀变化而均匀变化，培养学生运用数学方法解释科学问题的能力。3.通过“等量替代法”解释原理并在制作中应用，领悟科学方法的重要性。4.通过思考“增大浮力量程”与“增大浮力精确度”的几条措施，培养高阶思维。（三）情感态度与价值观1.体验真实的工程问题。2．在实验过程中能乐于与同伴分工合作，善于和同伴交流，敢于提出自己的意见，在实验中养成实事求是的态度。3.通过评价量表的填写，感受科学的评价方法。教学重点：浮力秤的制作教学难点：浮力秤技术难题的解决四、教学方法以学生为主体，教师引导为主要教学方式，充分调动学生的积极性，发挥学生的自主性。首先设计一个真实的实验情境，引导学生自主思考，并简述实验方案。让学生从自己的设计的实验方案中体会“等量替代法”的应用。然后聚焦本课的核心任务：浮力秤的设计与制作。教师提出“浮力秤作为一个测量仪器应注意哪些方面”的问题，学生会联想常见用的测量仪器的特点，并自然而然进行类比，提出浮力秤制作过程中的技术要点，这样的引导有助于学生主动思考，强化其主体地位。针对浮力秤制作过程中的技术要点，教师进行一定追问，完善制作的方案。学生作品制作主要以小组合作为主要学习方式，培养合作能力。用电子天平测量商品的质量，再用学生制作的电子秤称量，将学生称的结果与实际的商品质量作比较，差值绝对值较小的制作的称量结果更准确。使用评价量表，引导导学生对自己的学习行为进行评价，把评价的主动权交给学生。五、教学过程【任务一】解释“曹冲称象”的原理：石头的质量等于大象的质量。[引入]展示一个失去标签的商品。[提问]在天平缺失的情况下，如何利用给定器材测量商品质量（估计在20-30g之间）？[回顾]“曹冲称象”的故事。展示历史故事“曹冲称象”的图片，用科学知识解释相关的原理：为什么大象的质量等于石块的质量。[答案]答案：船载大象时，漂浮，根据二力平衡F浮=G船+G大象在船身与水面交接处做好标记，大象离开后在船上逐渐加石头至标记处，F浮’=G船+G石头根据阿基米德原理，F浮=ρ水gV排，因为两次排开水的体积相同∴F浮=F浮’即G船+G大象=G船+G石头∴G大象=G石头∴m大象=m石头[方法点拨与小结]曹冲称象体现了古人的智慧，他运用的方法我们叫等量替代法，用石块的质量替代大象的质量。但同学们也一定发现了，这个方法有一定局限性。一是操作太过繁琐，二是由于小圆筒上没有刻度，如果要测出其他物体的质量，要不停的重复这个繁琐的过程。那么我们能否利用等量替代法的原理制作一个测量仪器，直接测量物体质量且操作简便的浮力秤呢？【任务二】利用提供的器材，设计有刻度的浮力秤仪器：塑料圆柱型小圆筒（底面积大小、高度大小不一）、透明大筒、50克钩码两个、镊子、金属垫片、刻度尺[思考与讨论]独立思考并小组讨论提问：浮力秤是一个测量仪器，作为一个测量仪器，你认为需要考虑哪些方面的细节？引导的几个问题：问题一：小圆筒在水中不稳定怎么办？（放重物）追问：如何才算稳定？放的重物有什么要求？（被测物体和浮力秤的中心在同一竖直方向）。问题二：零刻度在哪里？追问：如何标记零刻度？这条刻度线的粗细有什么要求？（待小圆筒稳定后，用防水记号笔在小圆筒和水面交接的位置（瓶的内侧）画一条标记线。标记线要求：细且清晰。）记号笔不容易在爱小圆筒和水面交界处划线怎么办？（在内侧画）。问题三：最小刻度值（分度值）和最大刻度怎么标？（在零刻度和最大刻度之间等量均分）追问：为什么可以等量均分？解释“均分”：∵m物=𝐺物𝑔=𝐹浮𝑔=𝜌液𝑔𝑉排𝑔=ρ液V排=ρ液Sh∴m物随h的均匀变化而均匀变化（一次函数的因变量随自变量均匀变化而均匀变化。）零刻度线在规则部分还是不规则部分？[方案简述]将小圆筒放在水中，在小圆筒和水面交接处用记号笔画出一条标记线1，将50克砝码放入小圆筒中，在小圆筒和水面交接处用记号笔画出一条标记线2，此出标记“50g”，在两标记线之间画出均匀的刻度线，即制作成一个简单的浮力称。设计意图：将学生置于真实的情境中，即当“没有天平时，如何测出某商品的质量”，用“曹冲称象”的故事为理论引入，这样做有几个优点：①以实际问题创设真实情境，抓住学生的眼球。②通过解释“大象的质量等于石块的质量”，为后续浮力秤的方案提出提供背景知识和理论指导；②根据真实问题中存在不便性，为后续科学、简易测量装置的提出做好铺垫；③提出本课的核心方法“等量代替法”。[活动]动手实践：请在塑料瓶上标出50克的刻度位置。器材：圆柱形塑料小筒（底面积大小、高度大小不一），圆柱形大筒，50克钩码2个，镊子、金属垫片、纸条、刻度尺：【任务三】利用所制作的浮力秤来称量物体质量。如何改变浮力秤的量程和精确度，请你分别提一些具体改进措施。增加量程的措施：选用质量更小的金属垫片、增大量筒的体积等增加精确度的措施：划出更多的刻度、高度不变的前提下选用体积更小的量筒等[作品评价]学生记录用自制浮力秤测出的质量，再与电子天平测的质量做比较，差值的绝对值小的准确度高。[评价任务]在制作和测量完成后，在评价量表中完成浮力秤的评价。（若有别的评价角度，可自己补充于表格空白处）。制作的浮力秤的评价表项目分值自评总分塑料瓶稳定性15刻度清晰10刻度均匀10能准确称量物体质量15设计意图：①基于实验材料，学生可以马上体验到塑料瓶在水中无法保持稳定，必须用到体积小的重物放在底部中央，使小圆筒和重物的重心在同一竖直方向，以增强其稳定性。②关于零刻度和最大刻度如何标示讨论，引导学生测量仪器中首要考虑的问题之一是“量程”，并为学生后续的后续技术操作提供理论指导；③关于最小刻度值（分度值）的标示的思考中，引导学生从数学方法的角度，分析刻度均匀变化的原因，为后续“只需确定一个最大测量值，就可用均匀标注的方式确定刻度”奠定基础。④在实验材料中特意放了底面积大小、高度大小不一，让学制作出不同的作品。⑤以上问题的讨论，解决了浮力秤制作过程中的技术难题和数学难题。设计意图：由于前面对制作浮力秤要素的充分铺垫，学生脑中有一副清晰的设计蓝图，本活动的任务要求为整个作品的完成打开了一个突破口，学生的任务十分明确，制作出一个可以使用的浮力秤水到渠成。整体科学美观10各组员积极参与10【课后任务】为自制的浮力秤写一份产品说明书。设计意图：①通过测量商品的质量，对产品进行测试与评价，用量化的形式，比较浮力秤的稳定性、刻度线、准确性是否合理。②评价量表可引导学生对自己的作品进行自主评价，改变了传统的老师问答的形式，角度更加多元且节省时间。③通过思考“增大浮力量程”与“增大浮力精确度”的几条措施，培养高阶思维。④用电子天平测量商品的质量，再用学生制作的电子秤称量，将学生称的结果与实际的商品质量作比较，差值绝对值较小的制作的称量结果更准确。设计意图：STEM的外延：STR（writing）EM，本任务可为学生科学写作能力的培养提供一次锻炼机会。