［摘要］STEM教育既有坚实的教育理论和教学实践基础，又是技术创新的驱动力，而物理演示实验是初中物理实验教学的一个非常重要的环节，在物理演示实验教学中，开展演示实验改进项目，在实践过程中把STEM理念应用到初中物理演示改进实践中，通过学生“马德堡半球”演示实验改进的设计思路和实施过程，能激发学生的创新意识，加强学生团队合作，提升学生综合能力，实现知识、技能的进阶，为STEM教育理念下初中物理演示实验改进提供新的思路。

［关键词］STEM教育理念；初中物理；演示实验；改进

由于大气压看不见，摸不着，感觉不到大气压的存在，所以做好演示大气压存在实验是上好本节课的关键，“马德堡半球”实验是证实大气压强存在最具有震撼力的演示实验，但由于实验室里的演示实验比较笨重，不便于进行演示实验，基于STEM教育理念下师生对通过对“马德堡半球”演示实验的改进，让学生发挥自身的想象力与创造力发现和解决物理问题，在改进物理演示实验过程中使学生有步骤、有计划地进行设计与改进，引导学生理解实验原理、理解物理演示实验的内涵，认真分析演示实验的内容与演示效果，激发学生对演示实验的改进，帮助学生更加直观地理解大气压演示实验的本质，将STEM教育融入初中物理实验教学实践，使学生参与到真实的项目改进，提高学生综合应用多学科知识解决实际问题能力、动手实践能力和创新能力，促进学科核心素养的提升。

一、创设真实体验情境，激发学生演示实验的改进

从实验室拿出马德堡半球实验器材，让学生自行组装实验器材，并进行证实大气压存在演示实验，当实验完成后，让学生谈谈实验室这套马德堡半球演示实验器材的优点与缺点，学生结合自行组装器材与实验过程的感知，纷纷提出了各自的说法，现用这套马德堡半球演示实验器材主要是包括两个马德堡半球以及分别与两个半球相连的拉环，同时还需配备抽气机，优点：比较厚实、耐用，缺点：使用时还要带上笨重的抽气机，不方便携带，同时，在抽气过程中，没有办法显示出半球内部的气压大气，两个半球太小，实验演示过程可视性不强，还有外表不美观，总之结构复杂、使用麻烦，需要多人配合工作，不方便在课堂教学中学生实验使用，而且抽气机与半球间需要橡皮管连接，其气密性不好，也会影响实验效果。针对实验装置的缺点，应如何进行改进呢？于是引发学生进行改进马德堡半球演示实验器材。

二、交流设计改进方案，发展学生合作能力

学生在设计方案过程中，加强小组之间的相互交流，让集体的智慧聚集，在交流过程中发展学生的合作能力与语言沟通能力，通过交流了解他人的想法，不断优化自身。因此，在学生对马德堡半球演示实验改进的项目过程中，教师应该引导学生交流与协作，在每个小组设计图形前，先提醒学生针对需要改进的几个点进行分析，如何从哪个环节进行改进，在设计图中体现出来，当各小组完成设计图之后利用希沃白板展示各自设计图与大家分享与交流，PPT形式呈现设计思想，并且要图文并茂，同时也可以利用思维导图方式进行解说，重点对改进的地方谈做法，论改进实施的可操作性。同时，也向同在聆听的同学提出在设计过程中遇到的问题，让迷惑的学生受到启发与思考，学生之间在相互交流中起到互相学习的作用，展示个体设计方案让其他小组互相借鉴，其他小组想到的好主意可以优化到自己小组的设计方案图中，这样学生之间设计方案可以借此开阔设计思路，在初始设计环节中主动吸纳别人的合理做法，优化到最佳设计方案。

三、实验装置改进工程与测试，发展学生综合素养

实验装置改进工程强调科学性与严谨性，很多实验装置在实验改进过程中与初步设计存在差距，在解决问题的方面，强调让学生动起来，包括动手、动脑，参与到装置改进过程中来，应用所学过的数学、物理、技术、工程知识应对所要解决的问题，学生团队进行设计、创造、建构、发现、合作并且解决问题。因此，不管是材料方面的选取还是自制过程都在计算与精确的测量，在经过多次测试与调节，仔细观察实验操作的现象，使学生在测试过程中发展计算能力、创新能力等综合素养的发展。

在小组的设计方案全部确定后，列出需购买改进实验的器材物品清单，学生学会统筹与合理购物，注意购物细节，如在网购物品需要看型号、尺寸、厚度等，小组内部同学相互提醒。学生购买物品有加厚大号不锈钢盆，加固、加厚、超强承重304不锈钢M10固定祼盘，304不锈钢万向吊钩，拔河绳，专用不锈钢强力胶，气阀开关，加厚PVC软胶块，数字气压表。

学生尝试用各种工具自主动手改进实验器材，掌握工具的使用，首先用刻度尺测量不锈钢盆底，找中心位置，分别在两个盆底部将固定祼盘焊接好，在其中一个盆侧边钻一个小孔，把气阀开关一端放入小孔中，并用不锈钢强力胶将气阀与盆接口密封好，接入数字气压表，装置初改进初步完成后，开始进行测试，测试密封处的气密性、测试当盆内气压减少一定程度是会不会被压坏，能承受多少位学生的拉力，测量内部气压的变化情况，设计过程与真实测试存在多大的偏差，通过观察与测试后，再对装置进行适当调整，使学生在动脑、动手的过程中，提高学生工程实施能力、合作能力以及实践创新能力，促进学生综合素养的发展，实现了STEM教育在物理演示实验改进中实践与发展。

四、成果展示与评价

基于STEM的物理演示实验改进实践活动应当具备以下特征：跨学科、趣味性、体验性、情境性、协作性、设计性、艺术性、实证性和技术增强性等。学生在展示作品环节中，让学生充分展示改进装置的过程，聚集改进装置的核心问题，简述改进装置优点，实物和PPT展示改进的环节，展示作品的成果，让学生熟悉改进的每一个步骤，最后，让学生们一起体验改进后的装置实用效果。

先让A小组上台进行展示操作并解说，学生拿出用两个不锈钢盆做成两个半球，绳子系住两个吊钩，为了防止两边同学在拉绳子时摔倒，两个吊钩中间留连绳长度约在70CM，用两个吊钩钩住固定祼盘，将一个不锈钢半球底部放在大ＰVＣ管上，口朝上，把密封胶圈放在半球口边，关住气阀，取两张餐纸，向餐纸喷入几滴酒精，用火柴点燃餐纸，将点火然的餐纸放入不锈钢半球内，再将另一个半球对称盖住，用双手压紧，此时纸燃烧时产生大量热，致使盆内部温度升高，纸在燃烧过程使氧气减少，火熄灭，温度慢慢降低，利用好热胀冷缩，内部气体体积变小，内部气压变小，外部气压大于内部气压，先叫两边各一位同学拉，发现半球没有被拉开，接着每边增加两位、四位、六位、八位、十位，当同学们使全身之力拉时，听到一声响，两个不锈钢半球被拉开了，同学们露出了笑容，亲身体验大气压的存在，增强演示实验的趣味性。接着B小组上台进行操作并解说，B小组的设计及操作是在A组的基础之上进行了优化，B小组的在不锈钢半球上安装了一个数字气压表，当将纸在盆内燃烧时，气压表显示出内部气压慢慢变小的过程，接着让四位同学一起拉开半球时，发现拉不开半球，操作的同学轻轻拧气阀，听到气体流入内部的声音，并观察气压表示数变大，同学们用手一拉就可以把半球拉开，增强了学生体验性。

此次实验装置的改进培养学生的工程素养，学生在设计与制作过程中培养学生的协作能力，学生在改进装置过程中不仅考虑科学性，同时也考虑简便性与实用性，提高演示实验的直观和体验性，为了直观地显示出内部气压的示数，安装上数字气压表，这环节学生在技术方面是一个考验，在真实演示过程中提高情境性与学生的参与性。通过学生对装置改进后和原装置相比，改进后的装置设计合理、结构简单、不需要抽气，容易拆卸组装，便于携带，整体结构易于制作，成本低廉，而且与实际生活密切联系。通过学生们的作品展示，展示出学生们在改进过程中遇到的许多问题，自己的成果展示给同学看，亲身体验大气压，证实了大气压存在的实验，能使学生真切感受大气压就在我们身边，注重联系实际，处处体现新课标“从生活走向物理，从物理走向社会”的理念。

总之，STEM教育理念下物理演示实验改进要立足在学生实践中，让学生亲身经历和体验实验装置改进过程，充分发挥学生的主动性，使学生在研究物理问题时更有深度，以多元化的作品呈现学生成果，培养学生科学态度与责任，使STEM教育在物理实验改进实践中由落地生根走向开花结果，从而全面发展学生的科学素养。