融入STSE教育理念的高中物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)研究
——以“能源與可持續(xù)發(fā)展”教學(xué)為例

王 帥，張 勇

(吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 四平 136100)

一、2017版新課程標(biāo)準(zhǔn)與STSE教育理念

為貫徹落實(shí)黨的十九大提出的立德樹人的根本任務(wù)，強(qiáng)調(diào)發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，充分挖掘物理學(xué)科教學(xué)的獨(dú)特育人價(jià)值[1]，教育部綜合借鑒國(guó)際基礎(chǔ)教育改革經(jīng)驗(yàn)，緊密結(jié)合我國(guó)國(guó)情實(shí)際，于2014年啟動(dòng)了對(duì)普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)的修訂，并于2018年初正式頒布了新版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》。修訂后的物理課程標(biāo)準(zhǔn)更加注重落實(shí)物理課程的育人功能，體現(xiàn)課程的基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性與選擇性，加強(qiáng)對(duì)評(píng)價(jià)改革的引導(dǎo)[2]。新版課程標(biāo)準(zhǔn)以物理學(xué)科的本質(zhì)核心為基礎(chǔ)，強(qiáng)調(diào)將培養(yǎng)中學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)作為首要任務(wù)，充分挖掘物理學(xué)科的獨(dú)特育人價(jià)值。將2013版課程標(biāo)準(zhǔn)中的三維目標(biāo)重新整合凝練，提出以“物理觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”為代表的四維教學(xué)目標(biāo)，明確了學(xué)生在學(xué)習(xí)物理課程之后應(yīng)達(dá)成正確的價(jià)值觀、必備品格與關(guān)鍵能力[3]。

學(xué)科的育人價(jià)值具體表現(xiàn)為學(xué)生學(xué)習(xí)后行為的素養(yǎng)呈現(xiàn)，而對(duì)物理學(xué)科育人價(jià)值的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)僅停留在傳授學(xué)生物理知識(shí)、技能與學(xué)習(xí)方法等表面，更重要的是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，在潛移默化中影響學(xué)生的價(jià)值取向與行為傾向，使其在處理問(wèn)題時(shí)具有正確的態(tài)度和責(zé)任感。新版課程標(biāo)準(zhǔn)將STSE教育理念作為培養(yǎng)中學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)中“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的一個(gè)新要求，明確提出使學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，關(guān)注科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境之間的相互關(guān)系，強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)在社會(huì)發(fā)展、生產(chǎn)生活、自然環(huán)境中的應(yīng)用與價(jià)值[4]，培養(yǎng)學(xué)生節(jié)約資源、遵守道德規(guī)范，保護(hù)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的意識(shí)和責(zé)任感。這既證明了STSE教育對(duì)學(xué)生發(fā)展的重要性，也為目前我國(guó)中學(xué)物理課程的教學(xué)設(shè)計(jì)起到了導(dǎo)向作用[5]。

二、STSE教育理念融入高中物理教學(xué)的意義

(一)使物理課堂更貼近生活實(shí)際

物理知識(shí)最早起源于人類對(duì)自然現(xiàn)象的觀察與在生產(chǎn)勞動(dòng)中的經(jīng)驗(yàn)累積，前人總結(jié)出的知識(shí)與規(guī)律引領(lǐng)著人類對(duì)自然世界的探索，極大地促進(jìn)了社會(huì)的發(fā)展，不斷開拓著人類對(duì)新世界的認(rèn)知。STSE教育理念中的重要思想就是理論聯(lián)系實(shí)際，因此，STSE教育理念與中學(xué)物理教學(xué)相結(jié)合應(yīng)該是天衣無(wú)縫的[6]。在中學(xué)物理教學(xué)中巧妙融入STSE教育理念，將學(xué)生從枯燥的課堂模式中解放出來(lái)，以生活實(shí)際作為學(xué)生學(xué)習(xí)的新環(huán)境，將目光聚焦于生活中的熱點(diǎn)話題，聯(lián)系生活、技術(shù)、社會(huì)實(shí)際，將書本里冷冰冰的文字描述轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生感興趣的生活實(shí)例與現(xiàn)象，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)貼近生活實(shí)際與應(yīng)用的一面，并對(duì)其產(chǎn)生親切感，這不但能吸引學(xué)生主動(dòng)探索，激發(fā)學(xué)生的參與熱情和學(xué)習(xí)欲望，而且能使學(xué)習(xí)過(guò)程變得更為輕松靈活，知識(shí)掌握更加牢固持久。

(二)提升學(xué)生探究能力與創(chuàng)新意識(shí)

單純的物理知識(shí)學(xué)習(xí)以及利用物理知識(shí)解決生活中的常見問(wèn)題，已經(jīng)不能滿足當(dāng)下的教育與人才需求，新時(shí)代的人才需要具備創(chuàng)新思維與探究能力，STSE教育理念提倡開放性教育和參與性教育[7]。教師組織學(xué)生積極進(jìn)行探究研討，鼓勵(lì)學(xué)生在探究中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)問(wèn)題的追本溯源以及模擬解決方案，提出自己的見解，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)制定方案，將分析綜合、推理論證、構(gòu)建模型等方法運(yùn)用于解決問(wèn)題的過(guò)程中，培養(yǎng)學(xué)生辯證性看待問(wèn)題的能力，提升發(fā)散性思維的同時(shí)也有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造精神。

(三)培養(yǎng)核心素養(yǎng)下高素質(zhì)人才

教師圍繞科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境四方面進(jìn)行物理課堂教學(xué)設(shè)計(jì)，可在學(xué)習(xí)物理與科技的過(guò)程中培養(yǎng)學(xué)生現(xiàn)代科技意識(shí)，提升民族自豪感；在學(xué)習(xí)物理與社會(huì)的過(guò)程中，提高學(xué)生利用物理知識(shí)觀察解決實(shí)踐問(wèn)題的能力；在學(xué)習(xí)物理與環(huán)境時(shí)，提升學(xué)生的環(huán)保意識(shí)。通過(guò)不斷的滲透教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，使其更加關(guān)心科技和社會(huì)的發(fā)展問(wèn)題，形成正確發(fā)展觀，培養(yǎng)核心素養(yǎng)要求的高素質(zhì)人才。

三、“能源與可持續(xù)發(fā)展”教學(xué)設(shè)計(jì)

以人教版普通高中物理教科書中“能源與可持續(xù)發(fā)展”一節(jié)為例，在學(xué)生學(xué)習(xí)能量轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)上，結(jié)合社會(huì)生活實(shí)際，緊密聯(lián)系當(dāng)今能源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)的熱點(diǎn)議題，在課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中融入STSE教育理念，使學(xué)生在掌握知識(shí)的同時(shí)提升自身素養(yǎng)。

(一)教學(xué)設(shè)計(jì)思路

在新課標(biāo)中，對(duì)“能源與可持續(xù)發(fā)展”一節(jié)的教學(xué)內(nèi)容要求包括以下四點(diǎn)：(1)了解利用水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能和核能的方式，初步了解核裂變與核聚變。(2)知道不同形式的能量可互相轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)化過(guò)程中能量總和保持不變，能量轉(zhuǎn)化具有方向性。(3)清楚可再生能源和不可再生能源的分類，認(rèn)識(shí)能源的過(guò)度開發(fā)和利用對(duì)環(huán)境的影響。(4)認(rèn)識(shí)環(huán)境污染的危害，了解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要性，具有環(huán)境保護(hù)的意識(shí)和行為[3]。值得注意的是，在分析教學(xué)內(nèi)容要求的過(guò)程中，不能將其片面地理解為：為了在發(fā)展的同時(shí)保護(hù)環(huán)境，就應(yīng)該避免過(guò)度開發(fā)不可再生能源而更多的開發(fā)可再生能源。這樣的理解是片面的，問(wèn)題的關(guān)鍵在于應(yīng)該如何正確的看待可再生能源的開發(fā)與利用，這是在教學(xué)時(shí)需要引導(dǎo)學(xué)生思考的重點(diǎn)問(wèn)題之一。

在教材內(nèi)容的編排上，能量轉(zhuǎn)移與能量轉(zhuǎn)化的方向性、能源的分類與應(yīng)用、能源與社會(huì)發(fā)展是“能源與可持續(xù)發(fā)展”一節(jié)的三部分內(nèi)容。通過(guò)先前的課程學(xué)習(xí)，學(xué)生已經(jīng)掌握了能量及能量轉(zhuǎn)換的基本概念，對(duì)本節(jié)知識(shí)的學(xué)習(xí)具有一定基礎(chǔ)。因此在新課講授時(shí)，可按順序進(jìn)行教學(xué)，由淺入深、逐層遞進(jìn)。

本節(jié)教學(xué)的重點(diǎn)聚焦于能量轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的方向性和能源與社會(huì)發(fā)展兩部分，結(jié)合社會(huì)生活實(shí)際，緊密聯(lián)系當(dāng)下能源開發(fā)與環(huán)境保護(hù)的熱點(diǎn)話題，在教學(xué)設(shè)計(jì)中滲透STSE教育理念，通過(guò)教學(xué)達(dá)到以下目標(biāo)：首先，使學(xué)生掌握能量的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化、耗散等基本物理概念，知道能量在轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的過(guò)程中不僅在數(shù)量上守恒且發(fā)生方向上不可逆，從而揭示能源危機(jī)的深層含義；其次，了解水能、風(fēng)能、太陽(yáng)能與核能的工作方式及應(yīng)用轉(zhuǎn)換技術(shù)，明白能源發(fā)展對(duì)社會(huì)發(fā)展的意義，通過(guò)對(duì)能源的分類與應(yīng)用的探索過(guò)程，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力；最后，認(rèn)識(shí)能源利用對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響，通過(guò)討論能源與社會(huì)發(fā)展培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和責(zé)任。

在教學(xué)中采用小組討論探究的教學(xué)模式，重點(diǎn)探討對(duì)不可再生能源的過(guò)度開發(fā)利用給社會(huì)環(huán)境帶來(lái)的負(fù)面影響，以及如何合理開發(fā)與利用可再生能源，讓學(xué)生了解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的重要性，培養(yǎng)學(xué)生辯證性看待問(wèn)題的能力，組織討論生活中能源利用產(chǎn)生的負(fù)面效果，并提出改善建議，培養(yǎng)學(xué)生思考問(wèn)題的科學(xué)思維和環(huán)境保護(hù)理念，形成對(duì)社會(huì)的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任意識(shí)[8]。

(二)教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

1.新課引入環(huán)節(jié)

教師提問(wèn)：同學(xué)們，在前面的課程學(xué)習(xí)中，我們已學(xué)習(xí)了多種形式的能量并知道不同形式的能量之間是可以相互轉(zhuǎn)化的，回想一下生活中有哪些能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移應(yīng)用的事例？

生：電燈照明時(shí)將電能轉(zhuǎn)化為光能；煮雞蛋時(shí)，燃料燃燒釋放能量使水升溫，水中的熱量再傳遞到雞蛋上使它變熟；汽車行駛時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)將燃料內(nèi)能轉(zhuǎn)化為汽車的動(dòng)能。

設(shè)計(jì)意圖：復(fù)習(xí)舊知，培養(yǎng)學(xué)生利用物理知識(shí)解釋生活現(xiàn)象的能力。

教師活動(dòng)：將學(xué)生所舉實(shí)例中涉及的不同能量進(jìn)行總結(jié)，引導(dǎo)學(xué)生梳理出能量關(guān)系轉(zhuǎn)化圖，如圖1所示。

教師提問(wèn)：通過(guò)剛才的梳理，我們得出能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系圖，由圖可以看出，在涉及能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的反應(yīng)前后，能量形式改變而總和保持不變，既然如此，為什么仍然要節(jié)約能源呢？

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)已有結(jié)論進(jìn)行反問(wèn)使學(xué)生產(chǎn)生前后知識(shí)矛盾，激發(fā)學(xué)生的好奇心與學(xué)習(xí)積極性，為后續(xù)教學(xué)內(nèi)容開展做鋪墊。

2.新課教學(xué)環(huán)節(jié)

知識(shí)點(diǎn)一：能量轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的方向性

師：剛才我們列舉了生活中能量轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移的事例，現(xiàn)在將它們的發(fā)生過(guò)程翻轉(zhuǎn)，這些能量能自動(dòng)反過(guò)來(lái)轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移嗎？原因是什么？

生：不能發(fā)生。因?yàn)槟芰康霓D(zhuǎn)化具有方向性，是不能逆轉(zhuǎn)的。

師：雖然反過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化也遵循能量守恒定律，但科學(xué)研究表明，一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的宏觀自然過(guò)程都是不可逆的，在轉(zhuǎn)化過(guò)程中產(chǎn)生的熱量一旦釋放出去，便很難對(duì)它們進(jìn)行收集利用，而且無(wú)法自動(dòng)發(fā)生轉(zhuǎn)換，只能以熱量的形式存在于環(huán)境中，這種現(xiàn)象就稱為能量的耗散。雖然能量在整體數(shù)量上沒(méi)變，但是可供利用的部分卻越來(lái)越少，這也是能源危機(jī)的深層次含義，同時(shí)也回答了為什么我們?nèi)匀灰岢?jié)約能源這個(gè)問(wèn)題。

設(shè)計(jì)意圖：教師通過(guò)能量轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)移的方向性幫助學(xué)生建立能量耗散的物理概念，使學(xué)生理解科學(xué)知識(shí)內(nèi)涵并引發(fā)對(duì)能源危機(jī)的思考。

知識(shí)點(diǎn)二：能源的分類與應(yīng)用

師：能源的開發(fā)與利用一直是社會(huì)發(fā)展的推動(dòng)力，請(qǐng)列舉出你目前所知的能源。

生：煤炭、太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、核能等。

師：上述這些能源大都來(lái)自自然界，仔細(xì)思考，其中有哪些是可以源源不斷獲得的，哪些是現(xiàn)階段能夠使用，但是不能無(wú)節(jié)制從自然界獲取的？

學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，將能源進(jìn)行可再生與不可再生分類。

設(shè)計(jì)意圖：在對(duì)能源分類的過(guò)程中，使學(xué)生認(rèn)識(shí)到能源并不是取之不盡、用之不竭的，為新能源教學(xué)的引入做鋪墊。

師：近些年，我國(guó)致力于新能源的開發(fā)，并取得了很大的成就。比如，我國(guó)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三代百萬(wàn)瓦級(jí)核電技術(shù)電站——華龍一號(hào)，其安全指標(biāo)和技術(shù)性能已達(dá)到國(guó)際第三代核電技術(shù)水平。我國(guó)的核能發(fā)電技術(shù)已居于世界領(lǐng)先地位。同時(shí)，對(duì)太陽(yáng)能、水能、風(fēng)能的利用效率也均處于世界先列。那么是通過(guò)怎樣的技術(shù)手段將這些能源轉(zhuǎn)變成我們需要的形式呢？(在課前請(qǐng)學(xué)生分組探究)結(jié)合課堂展示的工作原理圖分組進(jìn)行匯報(bào)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)我國(guó)新能源開發(fā)方面成就的介紹，提升學(xué)生的民族自豪感。通過(guò)分組探究各能源的工作原理，提高學(xué)生之間的合作探究能力，在探究過(guò)程中讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到，以科學(xué)知識(shí)為基礎(chǔ)制造出先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備，又以先進(jìn)技術(shù)設(shè)備為工具探索新的科學(xué)知識(shí)，科學(xué)與技術(shù)之間的關(guān)系是相輔相成的，使學(xué)生意識(shí)到學(xué)習(xí)知識(shí)的重要性，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

思考與討論：與煤炭、石油這種不可再生能源相比，新能源具有怎樣的優(yōu)勢(shì)？如何看待可再生能源的開發(fā)，是否因?yàn)槠淇稍偕奶刭|(zhì)就能夠無(wú)節(jié)制地開發(fā)和利用可再生能源呢？

設(shè)計(jì)意圖：使學(xué)生了解新能源對(duì)推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步、保護(hù)環(huán)境、解決能源危機(jī)的意義，同時(shí)做到理智對(duì)待新能源的開發(fā)與利用，不盲目推崇，培養(yǎng)學(xué)生辯證性看待問(wèn)題的能力。

知識(shí)點(diǎn)三：能源與社會(huì)發(fā)展

師：人類大致經(jīng)歷了柴薪、煤炭與石油三種能源的使用階段，每一次能源利用技術(shù)的提升，都會(huì)極大地推動(dòng)社會(huì)發(fā)展，現(xiàn)如今，對(duì)能源的利用也正在由單一化逐步朝著多結(jié)構(gòu)化方向前進(jìn)。但是利與弊是共存的，不能只看科技社會(huì)進(jìn)步的一面而忽略了科技發(fā)展對(duì)自然環(huán)境造成的影響。請(qǐng)同學(xué)們思考，生活中有哪些由發(fā)展帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題？

生1：汽車的喇叭聲音太吵，影響日常的生活。

生2：煤炭、石油燃燒產(chǎn)生的二氧化硫形成酸雨，腐蝕建筑物、酸化土壤。

設(shè)計(jì)意圖：使學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)技術(shù)的突破對(duì)人類社會(huì)進(jìn)步的意義，引導(dǎo)學(xué)生從不同角度看待能源開發(fā)利用帶來(lái)的影響，思考科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境四者之間的關(guān)系，加深學(xué)生的深層次認(rèn)識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生透過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)和辯證性思考問(wèn)題的思維能力。

師：同學(xué)們列舉的很全面，小組討論交流，該怎樣做可以改善這些問(wèn)題，做到可持續(xù)發(fā)展呢？

生1：大力發(fā)展新能源，減少對(duì)不可再生能源的開采與使用。

師：這位同學(xué)從人類今后發(fā)展的大方向給出了建議，那么我們自身在平時(shí)的生活中應(yīng)該怎樣做呢？

生2：可以減少使用一次性用品，去超市買菜時(shí)自己帶購(gòu)物袋。

生3：家里使用節(jié)能型的家電，平時(shí)生活中注意節(jié)約用水用電。

師：大家的提議都很好，要實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，就需要樹立新的能源安全觀，大力提倡節(jié)能并付諸實(shí)踐，從生活的點(diǎn)滴小事做起，只有全民行動(dòng)，注重細(xì)節(jié)，社會(huì)才能夠與科技共同進(jìn)步，人與自然才能真正和諧發(fā)展。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)討論生活中的節(jié)能方式，使學(xué)生意識(shí)到節(jié)約能源要從生活中的一點(diǎn)一滴做起，避免空談理論、不切實(shí)際，要樹立節(jié)能環(huán)保的生態(tài)文明理念與社會(huì)責(zé)任感，提升學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

3.鞏固與提升

通過(guò)習(xí)題的布置對(duì)本節(jié)的知識(shí)進(jìn)行鞏固，使學(xué)生能夠利用能量轉(zhuǎn)化轉(zhuǎn)移的知識(shí)解釋生活中的現(xiàn)象，養(yǎng)成節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境的生活習(xí)慣。

四、融入STSE教育理念的教學(xué)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)課堂教學(xué)的對(duì)比

與傳統(tǒng)“能源與可持續(xù)發(fā)展”的教學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)比，融入STSE教育理念的新教學(xué)設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)在教學(xué)過(guò)程中增加小組合作探究環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)能力與分享精神，并在探究問(wèn)題的過(guò)程中提升科學(xué)思維與探究能力。

(2)在授課過(guò)程中增加學(xué)生匯報(bào)環(huán)節(jié)，給學(xué)生更多的發(fā)言機(jī)會(huì)，匯報(bào)內(nèi)容圍繞科學(xué)與技術(shù)開展，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到科學(xué)與技術(shù)的相互關(guān)系，并從中總結(jié)自己學(xué)到的知識(shí)。

(3)在教學(xué)過(guò)程中多次強(qiáng)調(diào)科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境之間的復(fù)雜關(guān)系，不再單一關(guān)注學(xué)生的知識(shí)學(xué)習(xí)，從多個(gè)方面培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)。