摘"要：本文以“自制簡(jiǎn)易密度計(jì)”為例，探討如何通過(guò)將STEM理念融入跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施之中，為學(xué)生建構(gòu)真實(shí)的教學(xué)情境。該實(shí)踐活動(dòng)以解決問(wèn)題為主線，以作品設(shè)計(jì)與制作為外在表現(xiàn)形式，旨在鼓勵(lì)學(xué)生運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)解決問(wèn)題，并最終形成具體的作品。這一過(guò)程不僅能夠發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)應(yīng)用的能力，還能夠顯著提升他們分析和解決問(wèn)題的綜合能力，同時(shí)促進(jìn)動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：STEM理念；實(shí)踐活動(dòng)；跨學(xué)科；密度計(jì)

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》）在課程內(nèi)容中新增了“跨學(xué)科實(shí)踐”，要求將物理學(xué)與工程實(shí)踐相聯(lián)系。［1］那在物理教學(xué)中如何利用工程實(shí)踐來(lái)實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科實(shí)踐呢？STEM理念下的實(shí)踐活動(dòng)主要以解決工程問(wèn)題為主線，將科學(xué)探究、工程設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)方法和技術(shù)制作有機(jī)統(tǒng)一，以項(xiàng)目學(xué)習(xí)和工程設(shè)計(jì)制作的普遍流程作為課程的實(shí)施過(guò)程，具有鮮明的跨學(xué)科實(shí)踐特征，高度契合《課程標(biāo)準(zhǔn)》中課程內(nèi)容的要求。［2］

因此，本文將以“自制簡(jiǎn)易密度計(jì)”為例，探討如何將STEM理念融入跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施之中。通過(guò)這一實(shí)例，教師可以引導(dǎo)學(xué)生親身體驗(yàn)跨學(xué)科學(xué)習(xí)的樂(lè)趣，鼓勵(lì)他們像工程師一樣進(jìn)行作品的設(shè)計(jì)與制作，并模仿科學(xué)家的研究過(guò)程。此學(xué)習(xí)過(guò)程不僅能夠發(fā)展學(xué)生跨學(xué)科知識(shí)應(yīng)用的能力，還能提升他們分析和解決問(wèn)題的綜合能力，同時(shí)促進(jìn)動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的發(fā)展。本文旨在引導(dǎo)教師，著力培養(yǎng)學(xué)生積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，以及樂(lè)于實(shí)踐、敢于創(chuàng)新的精神。

1"以解決實(shí)際問(wèn)題為導(dǎo)向，明確課程驅(qū)動(dòng)任務(wù)

教師結(jié)合校園生活提出問(wèn)題：綠色先鋒隊(duì)社團(tuán)想在學(xué)校菜園里播種黃豆，如何幫助社團(tuán)成員選出飽滿的種子呢？

教師引導(dǎo)學(xué)生仿照農(nóng)業(yè)實(shí)踐中的方法，配制密度大約為1.2g/cm3的鹽水，將種子放入鹽水中。飽滿的種子會(huì)沉底，而干癟的種子會(huì)漂浮在水面上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)飽滿種子的有效篩選。

教師展示已配制的濃鹽水，并提出問(wèn)題：我們?nèi)绾未_定這杯濃鹽水的密度是多少，以及它是否能夠滿足選種所需的標(biāo)準(zhǔn)呢？

學(xué)生回答：用密度計(jì)測(cè)一測(cè)。

教師提問(wèn)：如何設(shè)計(jì)制作一支“簡(jiǎn)易的密度計(jì)”呢？

教師通過(guò)創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，從測(cè)量鹽水密度這一實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，引出“自制簡(jiǎn)易密度計(jì)”的驅(qū)動(dòng)任務(wù)。

2"以項(xiàng)目為核心，整合各學(xué)科知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)制作

如何設(shè)計(jì)制作簡(jiǎn)易密度計(jì)呢？教師將這一項(xiàng)目分解成三個(gè)任務(wù)。第一，如何利用提供的實(shí)驗(yàn)器材（用氣凝膠封底的塑料吸管、小鋼珠、裝有水和鹽水的量筒）自制一個(gè)能在水中豎直漂浮的簡(jiǎn)易密度計(jì)？第二，密度計(jì)測(cè)量液體密度的原理是什么？第三，如何給密度計(jì)標(biāo)刻度？學(xué)生們圍繞著既定任務(wù)，以小組為單位，運(yùn)用跨學(xué)科的知識(shí)和技能解決問(wèn)題。

在自制簡(jiǎn)易密度計(jì)的過(guò)程中，學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)器材，將小鋼珠放入封底的吸管中，隨后將吸管豎直放入水中。通過(guò)調(diào)整鋼珠的數(shù)量，學(xué)生使吸管能夠豎直漂浮在水中，從而完成了一支簡(jiǎn)易密度計(jì)的制作。

2.1"利用物理知識(shí)解釋實(shí)驗(yàn)原理

為了解釋密度計(jì)的工作原理，教師可以指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行下一個(gè)實(shí)驗(yàn)——將同一支密度計(jì)分別放入鹽水和清水中，并仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生利用物理知識(shí)來(lái)闡述密度計(jì)的測(cè)量原理。當(dāng)密度計(jì)置于不同密度的液體（如鹽水和清水）中時(shí)，雖然它浸入液體的體積（或深度）會(huì)有所不同，但始終保持漂浮狀態(tài)。這意味著密度計(jì)所受的浮力始終等于其重力。由于同一支密度計(jì)的重力是恒定的，因此它所受的浮力也保持不變。根據(jù)阿基米德原理有F?。溅岩篻V排，推導(dǎo)出ρ液＝F浮gV排，因此密度計(jì)浸入液體的體積（深度）越大，液體的密度越小。

2.2"借助數(shù)學(xué)推理完成工程設(shè)計(jì)

面對(duì)給密度計(jì)標(biāo)刻度這一任務(wù)，學(xué)生會(huì)想到如下解決方法。首先將密度計(jì)浸入到已知密度的液體中，比如把已知的水的密度1g/cm3作為基準(zhǔn)，將密度計(jì)輕輕放入水中，待其穩(wěn)定漂浮后，學(xué)生可以在密度計(jì)與水面相平的位置上清晰地標(biāo)注出“1g/cm3”的刻度。接著，利用已知密度為0.8g/cm3的酒精，將密度計(jì)輕輕放入酒精中，待其穩(wěn)定漂浮后，在與酒精液面相平的位置標(biāo)注上“0.8g/cm3”的刻度。以此類(lèi)推，學(xué)生可以將密度計(jì)放入其他已知密度的液體中，標(biāo)出更多的刻度。然而，在實(shí)際生活和校園環(huán)境中，學(xué)生可能無(wú)法獲得大量已知密度的液體。面對(duì)這種情況，一個(gè)有效的解決方案是通過(guò)理論推導(dǎo)來(lái)建立液體密度與密度計(jì)浸入液體中深度之間的關(guān)系。利用這一關(guān)系，學(xué)生可以通過(guò)觀察密度計(jì)浸入液體中的深度來(lái)間接地得到液體的密度大小。

如圖1所示，將密度計(jì)分別放入水中和其他液體中。已知水的密度為ρ水，測(cè)出吸管浸入水中的深度為h水。設(shè)吸管的橫截面積為S，則密度計(jì)漂浮在水中時(shí)滿足G＝F浮＝ρ水gV排水＝ρ水gSh水；其他液體的密度記為ρ液，已知密度計(jì)浸入到其他液體中的深度為h液，則密度計(jì)漂浮在其他液體中時(shí)滿足G＝F?。溅岩篻V排液＝ρ液gSh液；結(jié)合以上兩式可得h液＝ρ水h水ρ液。因此，學(xué)生只需測(cè)出密度計(jì)浸入水中的深度，根據(jù)這個(gè)推導(dǎo)式就可以在密度計(jì)浸入到其他液體時(shí)在對(duì)應(yīng)的浸入深度處，標(biāo)出相應(yīng)的密度刻度。

2.3"小組合作進(jìn)行工程制作

學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)步驟通過(guò)小組合作給密度計(jì)標(biāo)刻度。首先，在吸管中放入適量小鋼珠，使吸管豎直漂浮在水中，在吸管上標(biāo)出水面的位置，用刻度尺測(cè)出該位置到吸管下端的距離，即吸管浸入水中的深度h水。接著，根據(jù)h液＝ρ水h水ρ液計(jì)算出液體密度與表1中的密度相等時(shí)，簡(jiǎn)易密度計(jì)浸入液體中的深度h液。最后，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，在吸管上標(biāo)出對(duì)應(yīng)的刻度線（見(jiàn)圖2）。此時(shí)，一支簡(jiǎn)易的密度計(jì)就做好了。為了確保自制簡(jiǎn)易密度計(jì)在使用時(shí)的準(zhǔn)確性，教師需要提示同學(xué)在密度計(jì)上標(biāo)出單位。

在整個(gè)實(shí)踐活動(dòng)中，教師應(yīng)當(dāng)以工程設(shè)計(jì)與制作過(guò)程為發(fā)展主線，依據(jù)“制作簡(jiǎn)易密度計(jì)”這一核心任務(wù)的本質(zhì)要求，對(duì)總?cè)蝿?wù)進(jìn)行分解，并建立相應(yīng)的子任務(wù)活動(dòng)。這一過(guò)程使課程結(jié)構(gòu)層次分明，課堂活動(dòng)層層深入。任務(wù)的完成結(jié)合了物理、數(shù)學(xué)、工程與技術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科的實(shí)踐活動(dòng)。這不僅幫助學(xué)生突破了單一學(xué)科知識(shí)體系的局限，還發(fā)展了他們跨學(xué)科運(yùn)用知識(shí)、分析和解決問(wèn)題的能力。在制作過(guò)程中，學(xué)生動(dòng)手操作的實(shí)踐能力也得到了培養(yǎng)。

3"在展示與交流中，不斷優(yōu)化作品

問(wèn)題1：觀察簡(jiǎn)易密度計(jì)的刻度有什么特點(diǎn)？

學(xué)生展示自制的簡(jiǎn)易密度計(jì)，展示的過(guò)程中引導(dǎo)學(xué)生觀察密度計(jì)的刻度特點(diǎn)。學(xué)生發(fā)現(xiàn)密度計(jì)的刻度與一般測(cè)量工具的刻度（如刻度尺的刻度）不同，自制密度計(jì)的刻度呈現(xiàn)出自下而上密度逐漸變小、刻度不均勻（兩相鄰刻度之間的間距不同）、上疏下密的特點(diǎn)。與其他組同學(xué)自制的密度計(jì)對(duì)比，還會(huì)發(fā)現(xiàn)不同組的密度計(jì)兩個(gè)相同刻度間的間距Δh不同。

問(wèn)題2：觀察不同組同學(xué)自制的密度計(jì)，你認(rèn)為是什么因素影響了不同密度計(jì)上相同兩刻度間的間距？

學(xué)生觀察不同組自制的密度計(jì)，猜想鋼珠的個(gè)數(shù)（密度計(jì)的質(zhì)量m）、吸管的粗細(xì)（密度計(jì)的橫截面積S）可能會(huì)影響不同密度計(jì)相同兩刻度間的間距。

問(wèn)題3：如何驗(yàn)證我們的猜想是否正確？

學(xué)生利用控制變量法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，探究Δh與m、S之間的關(guān)系。在探究Δh與m的關(guān)系時(shí)，學(xué)生需要在同一吸管中放入不同個(gè)數(shù)的鋼珠，然后觀測(cè)相同兩刻度之間間距的變化。在探究Δh與S的關(guān)系時(shí)，學(xué)生需要在粗細(xì)不同的吸管中放入相同個(gè)數(shù)的鋼珠，然后觀測(cè)相同兩刻度之間間距的變化。學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)表格進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并得到結(jié)論：當(dāng)密度計(jì)橫截面積S一定時(shí)，總質(zhì)量m越大，兩刻度線的間距Δh 越大；當(dāng)密度計(jì)質(zhì)量m一定時(shí)，橫截面積S越小，兩刻度線的間距Δh 越大。

問(wèn)題4：應(yīng)用探究結(jié)果分析如何使簡(jiǎn)易密度計(jì)上的兩刻度線之間的間距大一些，以使測(cè)量結(jié)果更精確？

增大鋼珠的個(gè)數(shù)或減小吸管的橫截面積。

問(wèn)題5：增大密度計(jì)的質(zhì)量、減小吸管的橫截面積會(huì)使密度計(jì)浸入液體的深度變深，從而減小了密度計(jì)的測(cè)量范圍。我們又該如何改進(jìn)？

增加密度計(jì)的長(zhǎng)度，在測(cè)量液體密度時(shí)用更深的容器。

問(wèn)題6：增大密度計(jì)的長(zhǎng)度會(huì)使密度計(jì)的攜帶不方便，使用更深的容器也會(huì)使測(cè)量不方便，那還能怎么改進(jìn)？觀察實(shí)驗(yàn)室的密度計(jì)，你有什么發(fā)現(xiàn)嗎？

實(shí)驗(yàn)室的密度計(jì)在刻度下方增加了玻璃泡，從而減小了密度計(jì)浸入液體的深度。通過(guò)將密度計(jì)分成比輕計(jì)和比重計(jì)從而減小密度計(jì)的長(zhǎng)度，比輕計(jì)測(cè)量密度小于1g/cm3的液體密度，比重計(jì)測(cè)量密度大于1g/cm3的液體密度。

最后用自制的密度計(jì)測(cè)量常見(jiàn)液體的密度，如食用油、醬油、可樂(lè)的密度，以此完成對(duì)密度計(jì)的檢驗(yàn)，再通過(guò)測(cè)量鹽水的密度，配制密度適宜的濃鹽水選出飽滿的種子。

完成制作后，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生對(duì)作品進(jìn)行檢驗(yàn)和優(yōu)化。在產(chǎn)品優(yōu)化和改進(jìn)的過(guò)程中，學(xué)生將會(huì)直面層層遞進(jìn)的問(wèn)題，并為了解決問(wèn)題而積極思考。在批判與自我批判中、在肯定與自我肯定的發(fā)展歷程中，體會(huì)工程設(shè)計(jì)的巧妙，從而培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

STEM理念下的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)是基于項(xiàng)目式的學(xué)習(xí)方式，為學(xué)生建構(gòu)了真實(shí)的教學(xué)情境，它以解決問(wèn)題為主線，以合作探究為基礎(chǔ)，以作品設(shè)計(jì)與制作為外在表現(xiàn)形式，學(xué)生運(yùn)用工程技術(shù)解決問(wèn)題，最終對(duì)真實(shí)作品進(jìn)行展示。在課程的尾聲，學(xué)生將展示這些真實(shí)的“作品”，并通過(guò)作品展示與交流，充分展現(xiàn)他們?cè)趯W(xué)習(xí)過(guò)程中所掌握的知識(shí)與技能水平。STEM教育倡導(dǎo)“學(xué)中做、做中學(xué)”的課堂教學(xué)模式，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與到以項(xiàng)目和問(wèn)題解決為導(dǎo)向的學(xué)習(xí)活動(dòng)中去。這一過(guò)程，需要學(xué)生綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)來(lái)應(yīng)對(duì)學(xué)習(xí)活動(dòng)中的真實(shí)挑戰(zhàn)，進(jìn)而培養(yǎng)他們的批判性思維、協(xié)作精神、創(chuàng)造力、創(chuàng)新意識(shí)以及高效的問(wèn)題解決能力。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：33"-38．

［2］潘芳.基于核心素養(yǎng)的跨學(xué)科STEM課程設(shè)計(jì)與實(shí)施［J］.現(xiàn)代教育，2021（10）：40"-43．

*基金項(xiàng)目：本文系北京物理學(xué)會(huì)2024"-2025年度教育教學(xué)科研立項(xiàng)課題“學(xué)生微視頻實(shí)驗(yàn)作業(yè)在初中物理教學(xué)中的實(shí)踐研究”（課題編號(hào)：WLXH241084）的階段性研究成果。