基于STSE教育理念的教學(xué)設(shè)計(jì)

張德培 蘇少華 唐佳鈺 林馨郁 劉堅(jiān)輝 鄭淵方

摘? ?要：STSE教育理念著重關(guān)注科學(xué)發(fā)展，技術(shù)創(chuàng)新，社會(huì)生活，環(huán)境資源，契合初中物理課標(biāo)要求，將其用來(lái)指導(dǎo)初中物理教學(xué)具有可行性。通過(guò)在初中“全球變暖與水資源危機(jī)”這一節(jié)課的教學(xué)中融入STSE教育理念，利用海水淡化教具展開(kāi)探究活動(dòng)，在傳授知識(shí)的同時(shí)，提升學(xué)生保護(hù)環(huán)境的社會(huì)責(zé)任感，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：STSE教育理念;初中物理教學(xué);科學(xué)素養(yǎng);海水淡化;保護(hù)環(huán)境

1? STSE理念與初中物理教學(xué)

1.1? STSE理念概述

STSE即科學(xué)（Science），技術(shù)（Technology），社會(huì)（Society），環(huán)境（Environment）的英文縮寫(xiě)。馮化友先生說(shuō)過(guò)STSE教育是STS的延伸，是科學(xué)教育與人文教育高度融合的新型教育[ 1 ]。STSE教育旨在打破以知識(shí)邏輯體系為核心的傳統(tǒng)教學(xué)，通過(guò)在真實(shí)的社會(huì)和生活情境中呈現(xiàn)科學(xué)和技術(shù)，以更全面的科學(xué)教育思維模式與價(jià)值觀，幫助學(xué)生綜合看待科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境的相互影響，樹(shù)立科學(xué)技術(shù)與社會(huì)生活、自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的觀念。

1.2? STSE理念指導(dǎo)初中物理教學(xué)的可行性

STSE教育主張科學(xué)教育要和當(dāng)前的社會(huì)發(fā)展、社會(huì)生產(chǎn)、社會(huì)生活、生存環(huán)境等緊密結(jié)合，致力于讓學(xué)生學(xué)好本領(lǐng)并能參與科學(xué)技術(shù)決策，培養(yǎng)學(xué)生未來(lái)意識(shí)和參與意識(shí)，成為具有良好科學(xué)素養(yǎng)的人才[ 2 ]。當(dāng)下初中物理教學(xué)以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為教學(xué)目標(biāo)，提倡從生活走向物理，從物理走向社會(huì)和注意學(xué)科滲透，關(guān)心科技發(fā)展的課程基本理念[ 3 ]。初中物理知識(shí)內(nèi)容較為基礎(chǔ)，涉及知識(shí)面較為廣泛，以STSE教育理念指導(dǎo)教學(xué)，可讓學(xué)生將所學(xué)的科學(xué)知識(shí)聯(lián)系實(shí)際，提升學(xué)生保護(hù)環(huán)境，推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展的社會(huì)責(zé)任感，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

1.3? 基于STSE教育理念的一般教學(xué)模式

針對(duì)初中物理教學(xué)，本文基于STSE教育理念構(gòu)建一般教學(xué)模式如圖1所示。該教學(xué)模式針對(duì)社會(huì)、環(huán)境、科學(xué)、技術(shù)要素依次設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，環(huán)環(huán)相扣。

環(huán)節(jié)一以社會(huì)生活為切入點(diǎn)導(dǎo)入新課易于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。環(huán)節(jié)二針對(duì)環(huán)境問(wèn)題的討論可在教學(xué)中滲透環(huán)境保護(hù)的意識(shí)。環(huán)節(jié)三在社會(huì)和環(huán)境問(wèn)題中尋找科學(xué)問(wèn)題，通過(guò)知識(shí)的映射關(guān)聯(lián)整合過(guò)程，基于問(wèn)題情境建構(gòu)科學(xué)模型，這是本教學(xué)模式的核心環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)四將科學(xué)模型與技術(shù)聯(lián)系的過(guò)程實(shí)質(zhì)就是理論聯(lián)系實(shí)際的過(guò)程，充分關(guān)注學(xué)生素質(zhì)的全面發(fā)展。

2? “全球變暖與水資源危機(jī)”教學(xué)設(shè)計(jì)

2.1? 設(shè)計(jì)背景

眾所周知，地球水資源的儲(chǔ)量還是很豐富的，但其中淡水資源僅占水資源總量的百分二點(diǎn)五[ 4 ]。一旦淡水資源枯竭，對(duì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市發(fā)展將造成巨大破壞，從而對(duì)社會(huì)造成不可忽視的影響。因此，人們對(duì)于淡水的重視程度日益提高。海水淡化技術(shù)正是基于上述背景應(yīng)運(yùn)而生。目前海水淡化技術(shù)已有二十多種，其中利用太陽(yáng)能進(jìn)行海水淡化的膜蒸餾技術(shù)因其污染少和消耗的化石能源少等優(yōu)點(diǎn)而成為熱門(mén)方向。海水淡化與科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境聯(lián)系緊密，以海水淡化技術(shù)為背景進(jìn)行教學(xué)，與STSE教育理念和初中物理教學(xué)要求契合。滬科版九年級(jí)物理的“全球變暖與水資源危機(jī)”的教學(xué)內(nèi)容主要包含“全球變暖”“水資源危機(jī)”“珍惜每一滴水”三個(gè)模塊的知識(shí)，與海水淡化技術(shù)的開(kāi)發(fā)背景和應(yīng)用意義相呼應(yīng)，將其設(shè)計(jì)為STSE課程具有較好的典型性。

2.2? 設(shè)計(jì)思路

本節(jié)課的教學(xué)目標(biāo)在于認(rèn)識(shí)人與自然的關(guān)系和科技造成的影響，了解水污染與缺水問(wèn)題，提升學(xué)生節(jié)約用水，保護(hù)環(huán)境的意識(shí)。教材里主要講述了全球變暖的危害和水資源危機(jī)。如果單單按照教材的內(nèi)容進(jìn)行講授，顯然沒(méi)法突出物理學(xué)的韻味。物理學(xué)的美就在于實(shí)驗(yàn)，如果能將科學(xué)技術(shù)簡(jiǎn)化為學(xué)生能接受的簡(jiǎn)單模型，通過(guò)教師引導(dǎo)，讓學(xué)生基于問(wèn)題自主建構(gòu)理論模型，將有利于學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng);從理論模型建構(gòu)到聯(lián)系前沿科技，這是理論到實(shí)際的提升;通過(guò)科學(xué)技術(shù)背后的社會(huì)意義的挖掘和重視環(huán)境意識(shí)的培養(yǎng)，這是傳授知識(shí)到關(guān)注學(xué)生全面發(fā)展的進(jìn)階。

2.3? “全球變暖與水資源危機(jī)”的教學(xué)設(shè)計(jì)

由于實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，模擬海水淡化實(shí)驗(yàn)需在課前進(jìn)行，如圖2所示。

海水淡化教具由海水淡化膜、泡沫板、燒杯、水槽、三角體透明房頂、冷凝水槽、模擬光源組成。其中海水淡化膜材料要求親光親水導(dǎo)熱性好。因?yàn)楹Ｋ夹g(shù)需利用太陽(yáng)能提高膜材料的表面溫度，進(jìn)而加速膜材料里液態(tài)水的蒸發(fā)。為了保證這個(gè)過(guò)程持續(xù)不間斷，則要求材料可以吸水，為蒸發(fā)過(guò)程持續(xù)不斷提供液態(tài)水。所以要求材料具有親光性，親水性和良好的導(dǎo)熱性。海水淡化膜可利用碳粉打印機(jī)將碳粉打印到晾干的吸水紙上，即可保證膜材料的親光親水和良好導(dǎo)熱性。泡沫板的作用是支撐海水淡化膜，防止海水淡化膜吸水后過(guò)重沉到燒杯底。水槽和三角體透明房頂組成“海水淡化廠房”。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將海水淡化膜、泡沫板、燒杯組裝好放入水槽，用透明膠帶將水槽和三角體透明房頂粘合，保證裝置的氣密性，防止氣態(tài)水分子逃逸出“廠房”。而冷凝水槽可降低“廠房”壁上的溫度，以促進(jìn)氣態(tài)水在“廠房”頂上液化成液態(tài)水。啟動(dòng)模擬光源，即可觀察到“海水淡化”的模擬過(guò)程。

教師可根據(jù)實(shí)際，提前進(jìn)行模擬海水淡化實(shí)驗(yàn)，以便開(kāi)展后續(xù)的教學(xué)。

環(huán)節(jié)一：生活情境導(dǎo)入，提升社會(huì)意識(shí)

將國(guó)家節(jié)水標(biāo)志通過(guò)碳粉打印機(jī)打印到吸水紙上制成海水淡化膜材料。導(dǎo)入新課時(shí)，讓學(xué)生觀察海水淡化膜上的圖案，如圖3，請(qǐng)同學(xué)解釋這個(gè)圖案的寓意。經(jīng)過(guò)師生討論，可以得到結(jié)論：圓形代表地球，留白部分可看作一只手托起一滴水。再仔細(xì)觀察，可看到其實(shí)手是字母J和S的變形，寓意節(jié)水，表示節(jié)水需要公眾參與，鼓勵(lì)人們從自己做起，人人動(dòng)手節(jié)約每一滴水;手又像一條蜿蜒的河流，象征滴水匯入江河[ 5 ]。以此導(dǎo)入新課，不僅可以活躍學(xué)生的思維，對(duì)以這個(gè)海水淡化膜為核心的實(shí)驗(yàn)充滿了好奇，而且還能開(kāi)門(mén)見(jiàn)山地揭示本節(jié)課的主題——保護(hù)環(huán)境，節(jié)約用水。

環(huán)節(jié)二：滲透情意教育，提倡環(huán)境保護(hù)

展示海水淡化教具，提問(wèn)學(xué)生：為什么要發(fā)展海水淡化技術(shù)呢？讓學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)，意識(shí)到隨著人類社會(huì)的發(fā)展，全球變暖和水資源危機(jī)等環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。教師可通過(guò)大量真實(shí)且震撼的圖片，讓學(xué)生直觀地感受人類對(duì)環(huán)境造成的嚴(yán)重破壞，從而反思人類肆意破壞環(huán)境的代價(jià)，以提升學(xué)生的環(huán)境保護(hù)意識(shí)。

環(huán)節(jié)三：知識(shí)關(guān)聯(lián)整合，建構(gòu)科學(xué)模型

就缺水問(wèn)題繼續(xù)提問(wèn)：我們能不能針對(duì)缺水問(wèn)題奉獻(xiàn)自己的一份力量？引導(dǎo)學(xué)生可多角度解決，一方面可減少淡水資源的浪費(fèi)，如節(jié)約用水;另一方面可增加淡水資源的生成，如應(yīng)用海水淡化技術(shù)將海水轉(zhuǎn)化為淡水。并讓學(xué)生做“小小工程師”，應(yīng)用先前所學(xué)知識(shí)，師生共同設(shè)計(jì)海水淡化的原理。以海水淡化技術(shù)為背景，驅(qū)動(dòng)學(xué)生對(duì)已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行回顧總結(jié)，甄別選擇與海水淡化相關(guān)的知識(shí)。通過(guò)知識(shí)的映射關(guān)聯(lián)，學(xué)生可得出海水淡化的原理就是液態(tài)海水到氣態(tài)水再到液態(tài)水的轉(zhuǎn)化。此時(shí)，學(xué)生可實(shí)現(xiàn)從掌握基礎(chǔ)知識(shí)到建構(gòu)真實(shí)問(wèn)題模型的進(jìn)階。

環(huán)節(jié)四：強(qiáng)化思維訓(xùn)練，聯(lián)系技術(shù)實(shí)踐

展示海水淡化實(shí)驗(yàn)教具，讓學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如圖4所示，講述實(shí)驗(yàn)儀器和實(shí)驗(yàn)原理。學(xué)生可觀察到海水淡化過(guò)程實(shí)際就是利用海水淡化膜，提高海水的蒸發(fā)效率，得到大量的水蒸氣。然后對(duì)水蒸氣進(jìn)行冷凝得到液態(tài)淡水。

教師布置三個(gè)問(wèn)題，讓學(xué)生設(shè)計(jì)方案解決。

問(wèn)題一：本次實(shí)驗(yàn)如何證明實(shí)現(xiàn)了“淡化效果”？

如圖5所示，取適量水槽收集的液體于試管，用鹽度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得密度值為1.001，參照液體密度和含鹽量對(duì)照表可得液體含鹽量為1.3（千分比）。取適量燒杯內(nèi)的原溶液于試管，用鹽度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)得密度值為1.022，參照液體密度和含鹽量對(duì)照表可得液體含鹽量為28.6（千分比）。比對(duì)數(shù)據(jù)可得，淡化后的液體的含鹽量比淡化前少了27.3（千分比），可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)的確實(shí)現(xiàn)了“淡化效果”。

問(wèn)題二：本次實(shí)驗(yàn)收集的水的質(zhì)量是多少？

方案二：將收集的水倒入量筒測(cè)得液體體積，根據(jù)剛測(cè)得的液體密度和質(zhì)量公式即可測(cè)得液體的質(zhì)量約為100 g左右。

問(wèn)題三：本次實(shí)驗(yàn)至少利用了多少太陽(yáng)能？

方案三：海水淡化膜吸收太陽(yáng)能，轉(zhuǎn)化為熱能，以提高膜的溫度。忽略熱量損失，熱能的多少大致可以表征太陽(yáng)能的多少。但由于熱能的計(jì)算在下一章才學(xué)習(xí)，所以問(wèn)題三可以等學(xué)習(xí)完下一章的知識(shí)再進(jìn)行探討。

學(xué)生對(duì)太陽(yáng)能有一定的感性認(rèn)知，但涉及太陽(yáng)能的定量關(guān)系的知識(shí)水平要求較高。教師可利用轉(zhuǎn)換法，將復(fù)雜難測(cè)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單易測(cè)的熱能。根據(jù)滬科版九年級(jí)物理教材，在“溫度與物態(tài)變化”后學(xué)生才學(xué)習(xí)熱量與比熱容。因此本節(jié)課可留下伏筆，承上啟下，銜接前后的概念學(xué)習(xí)。

本次實(shí)驗(yàn)以探究活動(dòng)驅(qū)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)，通過(guò)學(xué)生親自測(cè)量實(shí)驗(yàn)所需要的數(shù)據(jù)，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探索實(shí)驗(yàn)意義，理論聯(lián)系實(shí)際，感受從實(shí)驗(yàn)原理上升到科學(xué)技術(shù)的復(fù)雜過(guò)程，旨在提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

結(jié)論

初中物理還有很多可以結(jié)合STSE教育理念的主題。而在物理課堂中實(shí)施STSE教育需要教師關(guān)注社會(huì)時(shí)事，不斷更新教學(xué)理念，重視科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)環(huán)境帶來(lái)的影響，從而研究和探索出更多方式開(kāi)展STSE教育，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的同時(shí)更關(guān)注學(xué)生素質(zhì)的全面發(fā)展。

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