科教興國戰略背景下STSE教育理念在物理實驗課教學設計中的應用研究
——以《牛頓第三定律》為例

●李 銘牛 昱吳云飛張海豐

一、研究背景

STSE分別代表著科學、技術、社會、環境，是這些詞語的英文單詞首字母縮寫，這種教育理念最先由西方的教育學者提出，上世紀末期，由于環境日漸惡劣，教育學者提出STSE教育理念來取代之前的STS教育理念，并以此理念作為培養國民科學素養的主要載體。而后，因科教興國戰略方針的確立，我國也開始了教育的新探索，環境問題的嚴峻，也使得STSE教育映入教育學者的眼簾。經過20多年的不斷完善，有了今天的STSE教育理念雛形，但我國的STSE教育仍處于初期階段，因此，可參考的案例也較少。

物理實驗向來是物理理論的基礎，實驗的重要性無需多表，本文基于“牛頓第三定律”知識點的基礎上設計了一則水火箭的小實驗，既與生活密切相關，又蘊含著物理知識點，使學生能夠感受到物理與生活息息相關。在教學過程中貫穿STSE教育理念，不僅能夠使學生對知識點更加印象深刻，更能提高學生學習的興趣和學習效率，為他們在科學道路上的遠行開辟道路。

二、研究內容

本文研究重點是基于STSE教育理念設計水火箭的實驗課并開展教學，為了讓學生們能更符合新課標下的培養標準，將研究內容大致分為：一是查閱相關文獻，對國內有關STSE教育理念及發展趨勢進行剖析，在此基礎上分析基于STSE教育理念設計物理實驗的可行性。二是對本節實驗的相關物理理論以及STSE教育理念進行分析，找出STSE教育理念在本節水火箭實驗中的體現。三是拓展STSE教育理念在高中物理實驗課中的體現與結合的可能性，推測實踐過程中可能遭遇的困難，并找出解決的方法，爭取能夠為后續的實驗教學提供參考。

三、教學設計思路

一是在開始實驗前播放神舟十三號載人飛船發射視頻，向學生講述我國火箭發展史，進行思政教育，進而引出關于火箭的知識，從視頻中體現科技發展為人類帶來的益處，培養學生的科學素養。二是分析火箭發射所蘊含的物理知識點，講解關于牛頓第三定律與反沖運動的物理知識，引出水火箭實驗。三是提前告知學生實驗所需要的器材，要求學生準備。介紹進行水火箭實驗所需要的器材，將學生分組，并帶領各小組進行實驗。此實驗過程簡單，器材易得，制作過程中能夠加深師生之間的感情，學生之間的配合度；還可以讓學生感受到物理與生活的緊密度，提高對物理的學習興趣。四是對實驗過程進行總結，并要求學生書寫實驗報告，教師審閱。

四、教學實施過程

（一）導入知識點

1.教師利用多媒體播放神舟十三號載人航天飛船發射視頻，向學生提問中國最早的火箭是什么時候發射的，講述最早的火箭的研發過程和構造，解釋發射的原理。最早的載人火箭這個想法是元末明初時期中國的陶成道，被稱為萬戶的人，也是航天夢第一人。他最早做出的火箭是將47個自制小火箭綁在椅子上，自己坐在椅子上，雙手拿著風箏，點火發射，利用火箭發射對風箏的推力使自己能飛起來，但可惜實驗中火箭發生了爆炸，萬戶也因此喪命。但他設想的實驗原理卻是可行的。這個實驗原來也就是后來火箭發射的原理——牛頓第三定律和反沖運動。

2.牛頓第三定律：相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。

3.設計意圖：播放學生感興趣的火箭發射視頻來吸引學生的注意力，再結合歷史故事激起學生的學習興趣，將STSE教育理念滲入物理教學中來，學生也更能感受物理與生活的緊密相連，培養學生學習物理的興趣。用故事激勵學生的實驗動力，有利于培養學生的科學素養；用火箭的發展史視頻讓學生感受到祖國的強大和發展的速度，實現思政教育與課堂教育的完美結合。

（二）實驗過程

1.學生完成自主分組。

2.教師在實驗前著重說明實驗的注意事項：瓶不能對人，實驗要在相對空曠的場地進行，實驗組裝完成后，對廢棄的邊角料不能隨意丟棄，注意愛護環境，發射時除發射人員外盡量遠離水火箭，避免濺到一身水，也避免發射方向掌握不好造成傷人事件。然后教師向學生演示水火箭實驗裝置的組裝過程：飲料瓶子中裝少量的水，瓶口一端與打氣裝置相連，將氣體打入到飲料瓶內，自行設計瓶身機翼并粘貼好，最后在寬闊的場地上開始實驗。

3.同學們根據老師操作自行分組實驗，各小組需要自制最少一個水火箭。并對噴射距離進行記錄數據。改變水火箭中水的含量重復試驗。

4.設計意圖：學生們可以自己選擇分組進行實驗，有利于培養學生之間的感情，自己動手組裝實驗器材也能更好地提起學生實驗的興趣，自己完成設計機翼等小裝飾的過程也更有利于開發學生的想象力，在完成實驗的同時，提高了學生的動手能力，更能夠養成良好的科學素養，嚴謹的科學實驗態度。在教室講述與環境保護等相關的知識，也是將STSE教育理念與新授實驗課相結合的教學方式方法，學生在學習新實驗的同時，也能了解到保護環境的重要性，以及不愛惜環境會帶來的危害；實驗設計簡單，操作方便，也更能體現出物理實驗與生活息息相關，學生也會對物理實驗多一分熱愛，這也是STSE教育理念的教學目標之一。

（三）影響實驗的因素

猜想會影響實驗結果的因素，并用控制變量法改變變量探究這些因素是否對水火箭的發射距離有影響。首先學生們提出自己的猜想，然后教師在學生們猜想的因素中選取出較為實際的猜想（火箭頭，火箭機翼，瓶身重量，瓶中水的重量。）

五、總結實驗

對各組制作的水火箭的外形打分，并針對多次實驗后改良的火箭發射距離遠近來一場比賽，確定影響水火箭發射的因素，總結這些因素對水火箭發射距離的影響。

設計意圖：孩子們都有好勝心理，組織比賽不僅可以趣味教學，更可以激發孩子的勝負欲，讓孩子對設計實驗等更有興趣，在興趣中進步，對此次試驗理解也一定更為深刻。完成實驗的同時，還能夠與學生之間建立更好的友誼，促進師生交流。這也能將STSE教育理念更好地融入到物理實驗中來，對STSE教育理念本土化也更有幫助。

六、布置作業，鞏固知識

課下完成實驗報告，寫清實驗步驟以及注意事項。思考除課上總結因素以外是否還有其他因素對水火箭的發射距離造成了影響，并且通過自主試驗驗證猜想，并在次日與教師討論研究所觀察到的因素是否真的對實驗結果有影響。

設計意圖：實驗報告的編寫不僅可以提高學生的語言組織能力，還能夠加深學生對知識的理解，完成從被動學習向主動學習的轉變，提高學生自主學習能力，培養學生的開放性思維，還可以養成認真嚴謹的科學態度，培養良好的科學素養。

七、教學策略與方法

（一）教學策略

1.主要應用示范模仿法，通過教師對實驗的正確示范，學生們有目的地進行模仿，以此掌握實驗技巧的方法。但也要注意，實驗過程中，要讓學生多思考，而不只是單純地模仿，在自己的思考中做出屬于自己的水火箭。

2.自主學習策略：這種策略是教學設計的中心環節，也是培養學生自主學習能力的關鍵方法。本次實驗中，在完成實驗的基礎上，思考其他影響實驗結果的因素，布置了學生自主學習的任務，讓學生能夠獨立探索，對于養成學生的自主性，自律性能起到很大的作用，也符合新課改下培養學生的主要方向，更能體現出學生的主體地位，將STSE教育理念與實驗課更好地結合在一起。

（二）教學方法

演示法：教師通過實物、教具或視頻等方式，是學生能獲取到有效知識的方法，也是近代教學中常用的方法。方式簡單，便于操作，也能使學生更直觀地感受到所講授的知識點，對鍛煉學生的抽象思維能力大有益處。但也要注意，應用這種方法時要注意結合實際，做到符合教學要求以及學生的現實狀況，在演示過程中，教師也要加強對學生的引導，使學生能更好地完成對知識點的掌握。

實驗教學法：教師指導學生通過正確的實驗步驟以及實驗器材觀察實驗現象，在實驗現象中找到蘊含的新知識或者是驗證知識的方法。這種教學法在物理中是常用且有效的方法之一，而本次實驗中主要應用的是分組實驗教學法。這樣的教學方法也更能鍛煉學生的動手能力，培養學生的科學素養，使學生養成認真嚴謹的科學態度，并且對知識掌握的更為熟練，且能夠印象更為深刻。這種方法考驗學生動手能力的同時也要求教師認真負責，因為要在實驗開始前準備好實驗應用的器材，并且能保證每個小組都能夠完成實驗，更要在實驗開始前，講解實驗所有的注意事項，并在實驗中保證學生的安全。

八、小結

此節實驗課，課程氣氛極其活躍，學生們積極發表自己的觀點，從實驗的結果來看，學生們不僅動手能力強，而且環保意識高，符合STSE教育理念的培養觀；對知識的編排符合學生現有的水準，習題的布置有利于加深學生印象，并能夠鍛煉學生開放性思維。但在實驗的設計上來說，實驗存在潛在的危險，不適合一些調皮的學生操作，不過實驗的難度小，趣味性高，對于剛進入高中階段的學生來說能夠更好地讓他們認識物理，認識到物理與生活息息相關。簡單的趣味實驗，也更能激起學生們的學習興趣。但因為STSE教育理念在我國仍處于起步階段，這節實驗課也是簡單的探索，涉及到的科學、技術、社會、環境等方面的知識還不夠全面，在未來仍然需要不斷的探索與實驗，以便于STSE教育理念能在我國初級教育階段更好地得到應用。