基于STSE教育理念的教学设计

张德培 苏少华 唐佳钰 林馨郁 刘坚辉 郑渊方

摘   要：STSE教育理念着重关注科学发展，技术创新，社会生活，环境资源，契合初中物理课标要求，将其用来指导初中物理教学具有可行性。通过在初中“全球变暖与水资源危机”这一节课的教学中融入STSE教育理念，利用海水淡化教具展开探究活动，在传授知识的同时，提升学生保护环境的社会责任感，提高学生的科学素养。

关键词：STSE教育理念;初中物理教学;科学素养;海水淡化;保护环境

1  STSE理念与初中物理教学

1.1  STSE理念概述

STSE即科学（Science），技术（Technology），社会（Society），环境（Environment）的英文缩写。冯化友先生说过STSE教育是STS的延伸，是科学教育与人文教育高度融合的新型教育[ 1 ]。STSE教育旨在打破以知识逻辑体系为核心的传统教学，通过在真实的社会和生活情境中呈现科学和技术，以更全面的科学教育思维模式与价值观，帮助学生综合看待科学、技术、社会、环境的相互影响，树立科学技术与社会生活、自然环境协调发展的观念。

1.2  STSE理念指导初中物理教学的可行性

STSE教育主张科学教育要和当前的社会发展、社会生产、社会生活、生存环境等紧密结合，致力于让学生学好本领并能参与科学技术决策，培养学生未来意识和参与意识，成为具有良好科学素养的人才[ 2 ]。当下初中物理教学以培养学生的科学素养为教学目标，提倡从生活走向物理，從物理走向社会和注意学科渗透，关心科技发展的课程基本理念[ 3 ]。初中物理知识内容较为基础，涉及知识面较为广泛，以STSE教育理念指导教学，可让学生将所学的科学知识联系实际，提升学生保护环境，推动可持续发展的社会责任感，提高学生的科学素养。

1.3  基于STSE教育理念的一般教学模式

针对初中物理教学，本文基于STSE教育理念构建一般教学模式如图1所示。该教学模式针对社会、环境、科学、技术要素依次设计教学环节，环环相扣。

环节一以社会生活为切入点导入新课易于激发学生的学习兴趣。环节二针对环境问题的讨论可在教学中渗透环境保护的意识。环节三在社会和环境问题中寻找科学问题，通过知识的映射关联整合过程，基于问题情境建构科学模型，这是本教学模式的核心环节。环节四将科学模型与技术联系的过程实质就是理论联系实际的过程，充分关注学生素质的全面发展。

2  “全球变暖与水资源危机”教学设计

2.1  设计背景

众所周知，地球水资源的储量还是很丰富的，但其中淡水资源仅占水资源总量的百分二点五[ 4 ]。一旦淡水资源枯竭，对农业、工业、城市发展将造成巨大破坏，从而对社会造成不可忽视的影响。因此，人们对于淡水的重视程度日益提高。海水淡化技术正是基于上述背景应运而生。目前海水淡化技术已有二十多种，其中利用太阳能进行海水淡化的膜蒸馏技术因其污染少和消耗的化石能源少等优点而成为热门方向。海水淡化与科学、技术、社会、环境联系紧密，以海水淡化技术为背景进行教学，与STSE教育理念和初中物理教学要求契合。沪科版九年级物理的“全球变暖与水资源危机”的教学内容主要包含“全球变暖”“水资源危机”“珍惜每一滴水”三个模块的知识，与海水淡化技术的开发背景和应用意义相呼应，将其设计为STSE课程具有较好的典型性。

2.2  设计思路

本节课的教学目标在于认识人与自然的关系和科技造成的影响，了解水污染与缺水问题，提升学生节约用水，保护环境的意识。教材里主要讲述了全球变暖的危害和水资源危机。如果单单按照教材的内容进行讲授，显然没法突出物理学的韵味。物理学的美就在于实验，如果能将科学技术简化为学生能接受的简单模型，通过教师引导，让学生基于问题自主建构理论模型，将有利于学生科学思维的培养;从理论模型建构到联系前沿科技，这是理论到实际的提升;通过科学技术背后的社会意义的挖掘和重视环境意识的培养，这是传授知识到关注学生全面发展的进阶。

2.3  “全球变暖与水资源危机”的教学设计

由于实验耗时长，模拟海水淡化实验需在课前进行，如图2所示。

海水淡化教具由海水淡化膜、泡沫板、烧杯、水槽、三角体透明房顶、冷凝水槽、模拟光源组成。其中海水淡化膜材料要求亲光亲水导热性好。因为海水淡化技术需利用太阳能提高膜材料的表面温度，进而加速膜材料里液态水的蒸发。为了保证这个过程持续不间断，则要求材料可以吸水，为蒸发过程持续不断提供液态水。所以要求材料具有亲光性，亲水性和良好的导热性。海水淡化膜可利用碳粉打印机将碳粉打印到晾干的吸水纸上，即可保证膜材料的亲光亲水和良好导热性。泡沫板的作用是支撑海水淡化膜，防止海水淡化膜吸水后过重沉到烧杯底。水槽和三角体透明房顶组成“海水淡化厂房”。在实验过程中，将海水淡化膜、泡沫板、烧杯组装好放入水槽，用透明胶带将水槽和三角体透明房顶粘合，保证装置的气密性，防止气态水分子逃逸出“厂房”。而冷凝水槽可降低“厂房”壁上的温度，以促进气态水在“厂房”顶上液化成液态水。启动模拟光源，即可观察到“海水淡化”的模拟过程。

教师可根据实际，提前进行模拟海水淡化实验，以便开展后续的教学。

环节一：生活情境导入，提升社会意识

将国家节水标志通过碳粉打印机打印到吸水纸上制成海水淡化膜材料。导入新课时，让学生观察海水淡化膜上的图案，如图3，请同学解释这个图案的寓意。经过师生讨论，可以得到结论：圆形代表地球，留白部分可看作一只手托起一滴水。再仔细观察，可看到其实手是字母J和S的变形，寓意节水，表示节水需要公众参与，鼓励人们从自己做起，人人动手节约每一滴水;手又像一条蜿蜒的河流，象征滴水汇入江河[ 5 ]。以此导入新课，不仅可以活跃学生的思维，对以这个海水淡化膜为核心的实验充满了好奇，而且还能开门见山地揭示本节课的主题——保护环境，节约用水。

环节二：渗透情意教育，提倡环境保护

展示海水淡化教具，提问学生：为什么要发展海水淡化技术呢？让学生结合生活经验，意识到随着人类社会的发展，全球变暖和水资源危机等环境问题越来越严重。教师可通过大量真实且震撼的图片，让学生直观地感受人类对环境造成的严重破坏，从而反思人类肆意破坏环境的代价，以提升学生的环境保护意识。

环节三：知识关联整合，建构科学模型

就缺水问题继续提问：我们能不能针对缺水问题奉献自己的一份力量？引导学生可多角度解决，一方面可减少淡水资源的浪费，如节约用水;另一方面可增加淡水资源的生成，如应用海水淡化技术将海水转化为淡水。并让学生做“小小工程师”，应用先前所学知识，师生共同设计海水淡化的原理。以海水淡化技术为背景，驱动学生对已有知识经验进行回顾总结，甄别选择与海水淡化相关的知识。通过知识的映射关联，学生可得出海水淡化的原理就是液态海水到气态水再到液态水的转化。此时，学生可实现从掌握基础知识到建构真实问题模型的进阶。

环节四：强化思维训练，联系技术实践

展示海水淡化实验教具，让学生观察实验现象，如图4所示，讲述实验仪器和实验原理。学生可观察到海水淡化过程实际就是利用海水淡化膜，提高海水的蒸发效率，得到大量的水蒸气。然后对水蒸气进行冷凝得到液态淡水。

教师布置三个问题，让学生设计方案解决。

问题一：本次实验如何证明实现了“淡化效果”？

如图5所示，取适量水槽收集的液体于试管，用盐度计进行测量，测得密度值为1.001，参照液体密度和含盐量对照表可得液体含盐量为1.3（千分比）。取适量烧杯内的原溶液于试管，用盐度计进行测量，測得密度值为1.022，参照液体密度和含盐量对照表可得液体含盐量为28.6（千分比）。比对数据可得，淡化后的液体的含盐量比淡化前少了27.3（千分比），可见实验的确实现了“淡化效果”。

问题二：本次实验收集的水的质量是多少？

方案二：将收集的水倒入量筒测得液体体积，根据刚测得的液体密度和质量公式即可测得液体的质量约为100 g左右。

问题三：本次实验至少利用了多少太阳能？

方案三：海水淡化膜吸收太阳能，转化为热能，以提高膜的温度。忽略热量损失，热能的多少大致可以表征太阳能的多少。但由于热能的计算在下一章才学习，所以问题三可以等学习完下一章的知识再进行探讨。

学生对太阳能有一定的感性认知，但涉及太阳能的定量关系的知识水平要求较高。教师可利用转换法，将复杂难测的太阳能转换为简单易测的热能。根据沪科版九年级物理教材，在“温度与物态变化”后学生才学习热量与比热容。因此本节课可留下伏笔，承上启下，衔接前后的概念学习。

本次实验以探究活动驱动学生参与实验，通过学生亲自测量实验所需要的数据，解释实验现象，探索实验意义，理论联系实际，感受从实验原理上升到科学技术的复杂过程，旨在提升学生的科学素养。

结论

初中物理还有很多可以结合STSE教育理念的主题。而在物理课堂中实施STSE教育需要教师关注社会时事，不断更新教学理念，重视科学技术对社会环境带来的影响，从而研究和探索出更多方式开展STSE教育，促进学生科学学习的同时更关注学生素质的全面发展。

参考文献：

[1] 冯化友. 初中物理STSE教育资源的开发与利用[J]. 中学物理教学参考， 2016，45（16）：6-7.

[2] 谢淑海. 试论加拿大的STSE教育及其启示[J]. 世界教育信息， 2009（2）：67-69.

[3] 中华人民共和国教育部. 义务教育物理课程标准[S]. 北京：北京师范大学出版社， 2012.

[4] 张家琦. 世界水资源争端的热点区域[J]. 地理教学， 2011（4）：4-5.

[5] 黄海艳， 蒋咏. 实施节水战略应该提倡公众参与[J]. 江苏水利， 2002（10）：24-25.

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