科教兴国战略背景下STSE教育理念在物理实验课教学设计中的应用研究——以《牛顿第三定律》为例

●李 铭牛 昱吴云飞张海丰

一、研究背景

STSE分别代表着科学、技术、社会、环境，是这些词语的英文单词首字母缩写，这种教育理念最先由西方的教育学者提出，上世纪末期，由于环境日渐恶劣，教育学者提出STSE教育理念来取代之前的STS教育理念，并以此理念作为培养国民科学素养的主要载体。而后，因科教兴国战略方针的确立，我国也开始了教育的新探索，环境问题的严峻，也使得STSE教育映入教育学者的眼帘。经过20多年的不断完善，有了今天的STSE教育理念雏形，但我国的STSE教育仍处于初期阶段，因此，可参考的案例也较少。

物理实验向来是物理理论的基础，实验的重要性无需多表，本文基于“牛顿第三定律”知识点的基础上设计了一则水火箭的小实验，既与生活密切相关，又蕴含着物理知识点，使学生能够感受到物理与生活息息相关。在教学过程中贯穿STSE教育理念，不仅能够使学生对知识点更加印象深刻，更能提高学生学习的兴趣和学习效率，为他们在科学道路上的远行开辟道路。

二、研究内容

本文研究重点是基于STSE教育理念设计水火箭的实验课并开展教学，为了让学生们能更符合新课标下的培养标准，将研究内容大致分为：一是查阅相关文献，对国内有关STSE教育理念及发展趋势进行剖析，在此基础上分析基于STSE教育理念设计物理实验的可行性。二是对本节实验的相关物理理论以及STSE教育理念进行分析，找出STSE教育理念在本节水火箭实验中的体现。三是拓展STSE教育理念在高中物理实验课中的体现与结合的可能性，推测实践过程中可能遭遇的困难，并找出解决的方法，争取能够为后续的实验教学提供参考。

三、教学设计思路

一是在开始实验前播放神舟十三号载人飞船发射视频，向学生讲述我国火箭发展史，进行思政教育，进而引出关于火箭的知识，从视频中体现科技发展为人类带来的益处，培养学生的科学素养。二是分析火箭发射所蕴含的物理知识点，讲解关于牛顿第三定律与反冲运动的物理知识，引出水火箭实验。三是提前告知学生实验所需要的器材，要求学生准备。介绍进行水火箭实验所需要的器材，将学生分组，并带领各小组进行实验。此实验过程简单，器材易得，制作过程中能够加深师生之间的感情，学生之间的配合度；还可以让学生感受到物理与生活的紧密度，提高对物理的学习兴趣。四是对实验过程进行总结，并要求学生书写实验报告，教师审阅。

四、教学实施过程

（一）导入知识点

1.教师利用多媒体播放神舟十三号载人航天飞船发射视频，向学生提问中国最早的火箭是什么时候发射的，讲述最早的火箭的研发过程和构造，解释发射的原理。最早的载人火箭这个想法是元末明初时期中国的陶成道，被称为万户的人，也是航天梦第一人。他最早做出的火箭是将47个自制小火箭绑在椅子上，自己坐在椅子上，双手拿着风筝，点火发射，利用火箭发射对风筝的推力使自己能飞起来，但可惜实验中火箭发生了爆炸，万户也因此丧命。但他设想的实验原理却是可行的。这个实验原来也就是后来火箭发射的原理——牛顿第三定律和反冲运动。

2.牛顿第三定律：相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。

3.设计意图：播放学生感兴趣的火箭发射视频来吸引学生的注意力，再结合历史故事激起学生的学习兴趣，将STSE教育理念渗入物理教学中来，学生也更能感受物理与生活的紧密相连，培养学生学习物理的兴趣。用故事激励学生的实验动力，有利于培养学生的科学素养；用火箭的发展史视频让学生感受到祖国的强大和发展的速度，实现思政教育与课堂教育的完美结合。

（二）实验过程

1.学生完成自主分组。

2.教师在实验前着重说明实验的注意事项：瓶不能对人，实验要在相对空旷的场地进行，实验组装完成后，对废弃的边角料不能随意丢弃，注意爱护环境，发射时除发射人员外尽量远离水火箭，避免溅到一身水，也避免发射方向掌握不好造成伤人事件。然后教师向学生演示水火箭实验装置的组装过程：饮料瓶子中装少量的水，瓶口一端与打气装置相连，将气体打入到饮料瓶内，自行设计瓶身机翼并粘贴好，最后在宽阔的场地上开始实验。

3.同学们根据老师操作自行分组实验，各小组需要自制最少一个水火箭。并对喷射距离进行记录数据。改变水火箭中水的含量重复试验。

4.设计意图：学生们可以自己选择分组进行实验，有利于培养学生之间的感情，自己动手组装实验器材也能更好地提起学生实验的兴趣，自己完成设计机翼等小装饰的过程也更有利于开发学生的想象力，在完成实验的同时，提高了学生的动手能力，更能够养成良好的科学素养，严谨的科学实验态度。在教室讲述与环境保护等相关的知识，也是将STSE教育理念与新授实验课相结合的教学方式方法，学生在学习新实验的同时，也能了解到保护环境的重要性，以及不爱惜环境会带来的危害；实验设计简单，操作方便，也更能体现出物理实验与生活息息相关，学生也会对物理实验多一分热爱，这也是STSE教育理念的教学目标之一。

（三）影响实验的因素

猜想会影响实验结果的因素，并用控制变量法改变变量探究这些因素是否对水火箭的发射距离有影响。首先学生们提出自己的猜想，然后教师在学生们猜想的因素中选取出较为实际的猜想（火箭头，火箭机翼，瓶身重量，瓶中水的重量。）

五、总结实验

对各组制作的水火箭的外形打分，并针对多次实验后改良的火箭发射距离远近来一场比赛，确定影响水火箭发射的因素，总结这些因素对水火箭发射距离的影响。

设计意图：孩子们都有好胜心理，组织比赛不仅可以趣味教学，更可以激发孩子的胜负欲，让孩子对设计实验等更有兴趣，在兴趣中进步，对此次试验理解也一定更为深刻。完成实验的同时，还能够与学生之间建立更好的友谊，促进师生交流。这也能将STSE教育理念更好地融入到物理实验中来，对STSE教育理念本土化也更有帮助。

六、布置作业，巩固知识

课下完成实验报告，写清实验步骤以及注意事项。思考除课上总结因素以外是否还有其他因素对水火箭的发射距离造成了影响，并且通过自主试验验证猜想，并在次日与教师讨论研究所观察到的因素是否真的对实验结果有影响。

设计意图：实验报告的编写不仅可以提高学生的语言组织能力，还能够加深学生对知识的理解，完成从被动学习向主动学习的转变，提高学生自主学习能力，培养学生的开放性思维，还可以养成认真严谨的科学态度，培养良好的科学素养。

七、教学策略与方法

（一）教学策略

1.主要应用示范模仿法，通过教师对实验的正确示范，学生们有目的地进行模仿，以此掌握实验技巧的方法。但也要注意，实验过程中，要让学生多思考，而不只是单纯地模仿，在自己的思考中做出属于自己的水火箭。

2.自主学习策略：这种策略是教学设计的中心环节，也是培养学生自主学习能力的关键方法。本次实验中，在完成实验的基础上，思考其他影响实验结果的因素，布置了学生自主学习的任务，让学生能够独立探索，对于养成学生的自主性，自律性能起到很大的作用，也符合新课改下培养学生的主要方向，更能体现出学生的主体地位，将STSE教育理念与实验课更好地结合在一起。

（二）教学方法

演示法：教师通过实物、教具或视频等方式，是学生能获取到有效知识的方法，也是近代教学中常用的方法。方式简单，便于操作，也能使学生更直观地感受到所讲授的知识点，对锻炼学生的抽象思维能力大有益处。但也要注意，应用这种方法时要注意结合实际，做到符合教学要求以及学生的现实状况，在演示过程中，教师也要加强对学生的引导，使学生能更好地完成对知识点的掌握。

实验教学法：教师指导学生通过正确的实验步骤以及实验器材观察实验现象，在实验现象中找到蕴含的新知识或者是验证知识的方法。这种教学法在物理中是常用且有效的方法之一，而本次实验中主要应用的是分组实验教学法。这样的教学方法也更能锻炼学生的动手能力，培养学生的科学素养，使学生养成认真严谨的科学态度，并且对知识掌握的更为熟练，且能够印象更为深刻。这种方法考验学生动手能力的同时也要求教师认真负责，因为要在实验开始前准备好实验应用的器材，并且能保证每个小组都能够完成实验，更要在实验开始前，讲解实验所有的注意事项，并在实验中保证学生的安全。

八、小结

此节实验课，课程气氛极其活跃，学生们积极发表自己的观点，从实验的结果来看，学生们不仅动手能力强，而且环保意识高，符合STSE教育理念的培养观；对知识的编排符合学生现有的水准，习题的布置有利于加深学生印象，并能够锻炼学生开放性思维。但在实验的设计上来说，实验存在潜在的危险，不适合一些调皮的学生操作，不过实验的难度小，趣味性高，对于刚进入高中阶段的学生来说能够更好地让他们认识物理，认识到物理与生活息息相关。简单的趣味实验，也更能激起学生们的学习兴趣。但因为STSE教育理念在我国仍处于起步阶段，这节实验课也是简单的探索，涉及到的科学、技术、社会、环境等方面的知识还不够全面，在未来仍然需要不断的探索与实验，以便于STSE教育理念能在我国初级教育阶段更好地得到应用。