STSE理念下的主问题引领课堂教学模式的实践与思考——以高中物理必修3“能源与可持续发展”教学为例

李燕清

(绍兴鲁迅中学，浙江 绍兴 312030)

开展STSE教育，并将其运用到中学物理教学当中，是在新时代教育理念指导下的一种有益尝试.在STSE教育理念指导下，中学物理教学形式上丰富多彩；目标上关注学生的成长和发展；实践上符合学生的实际和兴趣，既能培养科学精神又能开拓认知精神，可谓一举多得.[2]笔者尝试探究“主问题设计”教学模式在高中物理课堂教学中开展STSE教育的实践运用，以培养学生的问题意识和自主建构知识的能力，激发学生思维与兴趣，提高学生探究思考能力，养成科学态度，促进物理学科核心素养的形成.本文以“能源与可持续发展”教学为例，应用主问题引领课堂教学模式开展STSE教育.

1 主问题引领课堂教学模式

STSE即指科学、技术、社会和环境，基于STSE理念的教学强调教师在学科教学中，不仅要重视科学知识的教学，同时也要关注科学知识与技术、社会和环境等方面的联系以及跨学科的教学.因此学生学习的过程不再是单纯获取知识的过程，更是将所学知识学以致用、培养核心素养的过程.[3]

主问题引领课堂教学模式是在现有的研究范式和已有模式特点上升华出来的，是一种更加成熟、高效的问题教学模式.张晓涛等学者认为“主问题引领式”教学模式是在以学生发展为本的新课程理念的指导下，充分发挥教师的主导作用，创设平等、和谐、民主的课堂氛围，把学习置于问题之中，让学生自主地感受问题、发现问题、探究问题，为学生充分提供自由表达、质疑、探究、讨论问题的机会，促使学生通过个人、小组、集体等多种解难释疑的尝试活动，实现知识的意义建构，促进学生认知、技能、情感全面发展的一种有效教学模式.[4]

笔者认为主问题引领课堂教学模式是以发展学生核心素养为指导，依托建构主义和问题教学理论，通过问题—活动—提升—运用的课堂结构，促进学生主动建构知识，提高核心素养的一种更加成熟的问题教学模式.在主问题引领课堂教学模式中，学生经历感受、发现、探究问题的过程，充分表达、质疑、交流、释疑；教师不断解释、回答学生的疑问，针对核心教学内容，用情景、故事、悬念等方法，激发学生更深更广地思考，培养学生的问题意识，深入发展学生的核心素养.[5]在主问题引领课堂教学模式中，基本的课堂实施结构如图1所示.

图1 主问题引领课堂教学模式高中物理课堂实施结构

以主问题引领教学，要从教学实际出发，一方面要充分利用教材，挖掘教材知识背后的知识，另一方面要从学生现有的知识与技能出发，挖掘学生的缄默知识，确定引领整个教学活动的主问题，以主问题串联教学主线，搭建学生学习、活动的平台，促进学生在探究中学习，达成教学目标.

2 STSE理念下主问题引领课堂教学模式的实践案例

本节教学主要采用主问题引领课堂教学模式，通过对教材的充分理解，“能源与可持续发展”这节课，教材分析由人教版原教材的必修2发现守恒量，安排到新人教版必修3第12章电路中的能量最后1节，讲完再提出能量守恒定律，体现整个物理体系的完整性.从学情角度“能源与可持续发展”可以理解为是能量这一单元教学的一个总结，以及物理本质探索，从而上升到STSE的教育层面.各种能量之间可相互转换，但是自然界能量总量守恒.而能量的转化与转移具有方向性，引发了为什么要节约能源、如何开发新能源、节约能源的思考，从而促进了STSE教育，为学生全面发展奠定了基础.据此设计出2个主问题，问题1：既然能量是守恒的，那我们为什么要节约能源.问题2：既然能量会耗散，那如何开发新能源，节约能源.在这两个问题的引领下，作为教学主线，构建探究课堂进入深度学习；构建物理体系与思维,进入到创新性发现和对问题的创新性解决，促成知识向能力的转化.

本节课主问题引领式高中物理课堂教学设计如图2所示.

图2 “能源与可持续发展”主问题引领式高中物理课堂教学设计图示

2.1 设置生活化情境，引入真实问题

主问题引领课堂教学模式是一种新型的教学方式，其教学设计要遵循问题情境性原则，强调教师给学生提供与现实生活相类似的或真实的情境，引发学生的兴趣，让学生在这种环境中去探索问题、发现问题、解决问题，以此来促进学生的创新精神和创造能力发展.[6]

在教学开始时，教师引导学生进入学习的行为方式，就是课堂引入.成功的课堂引入能集中学生的注意力，引起学生的学习兴趣，达到承上启下、开宗明义，把学生带入物理情境，调动学生积极性，为完成教学任务创造条件的目的.这就要求我们教师要从生活走向物理，也可以利用STSE素材将生活中趣味、新奇的社会热点事件引入新课，让学生产生强烈的探究心理和学习兴趣.[7]

教学片断1：

视频展示：李老师的一天视频日志，介绍一些早上常见的场景如蒸艾饺、磨咖啡(图3)、烧热水、热牛奶(如图4)、坐电梯、开车、开电脑……

图3

图4

提出问题：留意视频中出现的场景，这些场景中涉及哪些能量转化呢？

生：蒸艾饺是化学能转化为内能，烧热水是电能转化为内能，热牛奶是内能传递，开车是化学能转化为机械能，内能……

设计意图：随着网络视频日志的流行，亲自拍摄所需场景的视频，进行剪辑.选择贴近学生日常生活的教学场景——老师的一天，先吸引学生的眼球，引发学生的好感，从而推进教学的生活化元素.接着复习旧知，便于学生理解生活情境中的物理知识.创设教学情境越贴近学生的生活，问题激活思维的程度就越高，学生自觉接纳知识的程度也越高.只有将学习内容与生活联系起来，学生才能够切实体会到学习的应用价值，他们学习的积极性才能够真正被激发，学生如此获得学科知识、学科思想和方法才有可能被用于解决现实生活中的问题.[8]

2.2 多样化地分解核心问题，引领学生深度学习

主问题引领课堂教学模式下教学设计促使学生深度学习是要求教师的灌输式教学真正转变为学生的深度体验学习，期间教师要设置丰富的教学活动，确保学生有充分的体验，深入到知识结构深层的学习，构建物理体系与思维,进入到创新性发现和对问题的创新性解决，促成知识向能力的转化.

通过物理实验，创设层层递进的物理情境，让学生在体验的过程中经历科学探究过程，再利用STSE素材“汽车行驶时1s内能量分配情况”，进而达到深度学习，即使学生在深度学习中建构知识，内化知识，应用知识和培养思维能力.

教学片断2：

实验展示1(如图5)：白炽灯在湿毛巾的包裹下，产生了雾气.在做实验之前先请两位学生帮忙近距离观察现象，同时提醒学生注意观察毛巾周围的变化.

图5

实验展示2(如图6)：自制小实验——小型煤气灶，铁架台悬挂一个盛有少量水的易拉罐，随着水沸腾一段时间后，易拉罐快速地旋转起来.

图6

师：这过程的能量转化由化学能转化为内能，内能再转化为机械能使易拉罐转起来，最终机械能又转化为了内能耗散在空气中.

师：其实这就是汽车内燃机的原理，下面是一辆汽车在水平高速公路上以80 km/h的速度匀速行驶，其1 s内能量分配情况如图7所示.

图7 汽车行驶时1 s内能量分配情况

思考与讨论：阅读书本STSE部分“汽车与能源”并回答汽车能量转化的情况.小组讨论后请组长逐个分析能量分配情况.

提出问题：这么多的能量，最终都是以内能的形式耗散在空中，那能不能将这些内能重新收集起来利用呢？

实验展示3(如图8)：空气压缩机使燃脂棉点燃.

图8

设计意图：通过前2个实验以及最后的汽车能量分配情况分析，主要是让学生能够深刻地认识到能量在转化的过程中，绝大多数都会以内能的形式耗散在环境中.通过应用STSE素材导出问题，进入深度学习.教师能够充分激发出学生的学习兴趣与学习欲望，同时让学生认识到物理知识的实用性，从而留心生活中的物理问题.第3个实验主要是让学生能够明白耗散在环境中的内能也可以重新被利用，但是需要付出代价，对其做功.从而说明能量的转化具有方向性，同时能量的利用也受到方向性的制约.这一连串的实验，意在让学生真正明白能量转化具有方向性，设计上层层递进，具有一定的推进意义，同时引发学生对能源危机的思考.需要达到的目标是学生能自行总结为什么要节约能源.

2.3 升华问题探究，理解科学与社会的融合

主问题引领课堂教学模式下教学设计要求教师重视学生的主体性，充分尊重学生，在教学过程中要推动学生与学生之间的有效交流、学生与教师之间的深度对话，提高教学有效性.通过对STSE素材的现状分析，进行一连串的问题引导，引发学生的思考，引领整个教学活动的主问题，提高学生的参与度.学生融入所创设的情景中进行学习，是成功开展STSE物理的重要标准，也是检测STSE教育成功的重要依据.[2]

教学片断3：

图片展示：阅读书本94～95页大篇幅插图“太阳能的转化”(图9)，小组讨论后回答我们学习生活中需要的能源来自于哪里？

图9 太阳能的转化

图片展示：2016～2021年中国能源煤消费总量统计情况(图10).

图10 2016～2021年中国能源消费总量统计情况

图片展示：2010～2020年全球及各国二氧化碳的排放量变化(图11).

图11 2010～2020年各国二氧化碳排放量变化(单位：亿吨)

师：由于煤的储量有限，大量使用煤炭燃烧，大大增加了二氧化碳的排放量.如图11所示.这也带来了一定环境污染，请同学们阅读课本97页回答有哪些环境污染？

生：温室效应、燃烧过程中产生二氧化硫、氮的化合物等会造成酸雨或者光化学烟雾等.

师：针对二氧化碳的排放这类污染，国家还提出了可持续发展的“碳中和”目标(如图12).即将排放的二氧化碳通过节能减排、植树造林等形式实现净零排放.

图12 “碳中和”示意图

设计意图：从3张图片的展示引出能源的分类应用和能源与社会发展，简洁明了.同时通过对图片的观察，总结出相应的知识内容，更具有发现问题、解决问题的探索精神，使学生认识到科学技术的突破对人类社会进步的意义，引导学生从不同角度看待能源开发利用带来的影响，思考科学、技术、社会、环境四者之间的关系，加深学生的深层次认识，培养学生透过现象看本质和辩证性思考问题的思维能力，为解答主问题“为什么要节约能源，如何节约能源”奠定了基础.

2.4 理论联系实际，提升学生科技创新能力

主问题引领课堂教学模式下教学设计有助于提高高中物理课堂教学的成效，有利于促进学生物理学科核心素养的培养，能在一定程度上提高学生的问题意识和自主构建知识的能力.总之，在涉及社会、环境问题内容的教学中，一定要适时、合理地开展STSE教学，让学生了解物理对科学、文化、经济和社会的发展起着至关重要的推动作用，提高学生的科学素养，增强创新意识和实践能力，渗透社会意识、环境意识、发展意识的教育等.[9]在学习了本节课的同时能够引发深层次的思考，发挥创新精神，提升学生科技创新的能力.

教学片断4：

思考与讨论：除了节能减排，我们更应该做的是发展新能源.例如太阳能发电、水力发电、风能发电、核能发电等等.同学们想一想，我国哪些政策在大力发展新能源？甚至大家可以奇思妙想，我们可以怎么开发利用新能源呢？

生1：国家大力发展新能源汽车……

生2：新能源助力乡村发展，光伏发电，风力发电……

生3：大力发展新能源的储能设备，浙江安吉有最大规模的蓄能电站——长龙山抽水蓄能电站.

师：这里我给大家带来一个有趣的设想，也可算是抛砖引玉，希望对大家有促进作用.

实验展示4：这是智能路面充电系统(图13)，现今国家大力发展新能源汽车，但是如何解决用电焦虑问题呢？设想如果能够时时刻刻，随时随地充电，就没有后顾之忧.如停车的时候可以不用随处找充电桩.甚至还可以实现边开边充，实现里程解放.

图13

设计意图：使学生了解新能源对推动社会进步、保护环境、解决能源危机的意义，同时也抛砖引玉，促进学生去思考，培养学生的创新意识.

3 思考与启示

(1) 纵览本节课的主问题引领课堂教学模式，这正是物理教学逻辑的重要价值体现.实现了不脱离物理课堂，有实验探究与总结，思维上的层层递进，帮助学生将直观的物理现象与抽象的物理本质更好地联系起来，使学生不仅知其然，而且知其所以然.使学生对能量有更全面而具体的认识，保证了知识体系的整体性，突出了课堂的主线，不再是单一地关注学生的知识学习，而是从多个方面培养学生的物理学科素养，激发他们学习物理的兴趣，促进学生的生成性学习，进而启发学生科学思维.在整堂课的设计中也有一定的取舍，减少了一些介绍性质的讲授，将更多时间归还给学生，整个过程的设计都承载着教学目标的实现，突出培养自主构建知识的能力，提升学生的科学思维与探究能力.

(2) 渗透了STSE教育情境使得学生的核心素养真正落地.整个教学过程强调科学(S)、技术(T)、社会(S)、环境(E)的有机结合，既体现从物理走向社会、面向全体学生发展核心素养的新课程理念，又追求学生各方面能力的全面发展.在学生讲到大力发展新能源时，可以适当介绍风力发电、太阳能发电、水力发电等基本的工作原理，例如如何用微元的思想处理这类流体问题，培养学生构建物理模型，解决问题的能力.2022年6月浙江省高考卷12题，就考查了关于风力发电的问题.

原题.风力发电已成为我国实现“双碳”目标的重要途径之一.如图14所示，风力发电机是一种将风能转化为电能的装置.某风力发电机在风速为9 m/s时，输出电功率为405 kW，风速在5～10 m/s范围内，转化效率可视为不变.该风机叶片旋转一周扫过的面积为A，空气密度为ρ，风场风速为v，并保持风正面吹向叶片.下列说法正确的是

图14

(A) 该风力发电机的输出电功率与风速成正比.

(C) 若每天平均有1.0×108kW的风能资源，则每天发电量为2.4×109kW·h.

(D) 若风场每年有5000 h风速在6～10 m/s的风能资源，则该发电机年发电量至少为6.0×105kW.

(3) 课堂教学需要根据学生关注的问题不断进行教材重构.教材的例子不一定会引起学生的兴趣，教师需要结合社会生活引用恰当的图片，寻找和教学的连接点，对课堂进行重构，优化问题设计，激活学生的思维.同时将学习内容与生活或者现今科技联系起来，使学生能够切实感受到学习的应用价值，从而能激发学习的兴趣，提高课堂的效率.