STSE理念下的主問題引領課堂教學模式的實踐與思考
——以高中物理必修3“能源與可持續發展”教學為例

李燕清

(紹興魯迅中學，浙江 紹興 312030)

開展STSE教育，并將其運用到中學物理教學當中，是在新時代教育理念指導下的一種有益嘗試.在STSE教育理念指導下，中學物理教學形式上豐富多彩；目標上關注學生的成長和發展；實踐上符合學生的實際和興趣，既能培養科學精神又能開拓認知精神，可謂一舉多得.[2]筆者嘗試探究“主問題設計”教學模式在高中物理課堂教學中開展STSE教育的實踐運用，以培養學生的問題意識和自主建構知識的能力，激發學生思維與興趣，提高學生探究思考能力，養成科學態度，促進物理學科核心素養的形成.本文以“能源與可持續發展”教學為例，應用主問題引領課堂教學模式開展STSE教育.

1 主問題引領課堂教學模式

STSE即指科學、技術、社會和環境，基于STSE理念的教學強調教師在學科教學中，不僅要重視科學知識的教學，同時也要關注科學知識與技術、社會和環境等方面的聯系以及跨學科的教學.因此學生學習的過程不再是單純獲取知識的過程，更是將所學知識學以致用、培養核心素養的過程.[3]

主問題引領課堂教學模式是在現有的研究范式和已有模式特點上升華出來的，是一種更加成熟、高效的問題教學模式.張曉濤等學者認為“主問題引領式”教學模式是在以學生發展為本的新課程理念的指導下，充分發揮教師的主導作用，創設平等、和諧、民主的課堂氛圍，把學習置于問題之中，讓學生自主地感受問題、發現問題、探究問題，為學生充分提供自由表達、質疑、探究、討論問題的機會，促使學生通過個人、小組、集體等多種解難釋疑的嘗試活動，實現知識的意義建構，促進學生認知、技能、情感全面發展的一種有效教學模式.[4]

筆者認為主問題引領課堂教學模式是以發展學生核心素養為指導，依托建構主義和問題教學理論，通過問題—活動—提升—運用的課堂結構，促進學生主動建構知識，提高核心素養的一種更加成熟的問題教學模式.在主問題引領課堂教學模式中，學生經歷感受、發現、探究問題的過程，充分表達、質疑、交流、釋疑；教師不斷解釋、回答學生的疑問，針對核心教學內容，用情景、故事、懸念等方法，激發學生更深更廣地思考，培養學生的問題意識，深入發展學生的核心素養.[5]在主問題引領課堂教學模式中，基本的課堂實施結構如圖1所示.

圖1 主問題引領課堂教學模式高中物理課堂實施結構

以主問題引領教學，要從教學實際出發，一方面要充分利用教材，挖掘教材知識背后的知識，另一方面要從學生現有的知識與技能出發，挖掘學生的緘默知識，確定引領整個教學活動的主問題，以主問題串聯教學主線，搭建學生學習、活動的平臺，促進學生在探究中學習，達成教學目標.

2 STSE理念下主問題引領課堂教學模式的實踐案例

本節教學主要采用主問題引領課堂教學模式，通過對教材的充分理解，“能源與可持續發展”這節課，教材分析由人教版原教材的必修2發現守恒量，安排到新人教版必修3第12章電路中的能量最后1節，講完再提出能量守恒定律，體現整個物理體系的完整性.從學情角度“能源與可持續發展”可以理解為是能量這一單元教學的一個總結，以及物理本質探索，從而上升到STSE的教育層面.各種能量之間可相互轉換，但是自然界能量總量守恒.而能量的轉化與轉移具有方向性，引發了為什么要節約能源、如何開發新能源、節約能源的思考，從而促進了STSE教育，為學生全面發展奠定了基礎.據此設計出2個主問題，問題1：既然能量是守恒的，那我們為什么要節約能源.問題2：既然能量會耗散，那如何開發新能源，節約能源.在這兩個問題的引領下，作為教學主線，構建探究課堂進入深度學習；構建物理體系與思維,進入到創新性發現和對問題的創新性解決，促成知識向能力的轉化.

本節課主問題引領式高中物理課堂教學設計如圖2所示.

圖2 “能源與可持續發展”主問題引領式高中物理課堂教學設計圖示

2.1 設置生活化情境，引入真實問題

主問題引領課堂教學模式是一種新型的教學方式，其教學設計要遵循問題情境性原則，強調教師給學生提供與現實生活相類似的或真實的情境，引發學生的興趣，讓學生在這種環境中去探索問題、發現問題、解決問題，以此來促進學生的創新精神和創造能力發展.[6]

在教學開始時，教師引導學生進入學習的行為方式，就是課堂引入.成功的課堂引入能集中學生的注意力，引起學生的學習興趣，達到承上啟下、開宗明義，把學生帶入物理情境，調動學生積極性，為完成教學任務創造條件的目的.這就要求我們教師要從生活走向物理，也可以利用STSE素材將生活中趣味、新奇的社會熱點事件引入新課，讓學生產生強烈的探究心理和學習興趣.[7]

教學片斷1：

視頻展示：李老師的一天視頻日志，介紹一些早上常見的場景如蒸艾餃、磨咖啡(圖3)、燒熱水、熱牛奶(如圖4)、坐電梯、開車、開電腦……

圖3

圖4

提出問題：留意視頻中出現的場景，這些場景中涉及哪些能量轉化呢？

生：蒸艾餃是化學能轉化為內能，燒熱水是電能轉化為內能，熱牛奶是內能傳遞，開車是化學能轉化為機械能，內能……

設計意圖：隨著網絡視頻日志的流行，親自拍攝所需場景的視頻，進行剪輯.選擇貼近學生日常生活的教學場景——老師的一天，先吸引學生的眼球，引發學生的好感，從而推進教學的生活化元素.接著復習舊知，便于學生理解生活情境中的物理知識.創設教學情境越貼近學生的生活，問題激活思維的程度就越高，學生自覺接納知識的程度也越高.只有將學習內容與生活聯系起來，學生才能夠切實體會到學習的應用價值，他們學習的積極性才能夠真正被激發，學生如此獲得學科知識、學科思想和方法才有可能被用于解決現實生活中的問題.[8]

2.2 多樣化地分解核心問題，引領學生深度學習

主問題引領課堂教學模式下教學設計促使學生深度學習是要求教師的灌輸式教學真正轉變為學生的深度體驗學習，期間教師要設置豐富的教學活動，確保學生有充分的體驗，深入到知識結構深層的學習，構建物理體系與思維,進入到創新性發現和對問題的創新性解決，促成知識向能力的轉化.

通過物理實驗，創設層層遞進的物理情境，讓學生在體驗的過程中經歷科學探究過程，再利用STSE素材“汽車行駛時1s內能量分配情況”，進而達到深度學習，即使學生在深度學習中建構知識，內化知識，應用知識和培養思維能力.

教學片斷2：

實驗展示1(如圖5)：白熾燈在濕毛巾的包裹下，產生了霧氣.在做實驗之前先請兩位學生幫忙近距離觀察現象，同時提醒學生注意觀察毛巾周圍的變化.

圖5

實驗展示2(如圖6)：自制小實驗——小型煤氣灶，鐵架臺懸掛一個盛有少量水的易拉罐，隨著水沸騰一段時間后，易拉罐快速地旋轉起來.

圖6

師：這過程的能量轉化由化學能轉化為內能，內能再轉化為機械能使易拉罐轉起來，最終機械能又轉化為了內能耗散在空氣中.

師：其實這就是汽車內燃機的原理，下面是一輛汽車在水平高速公路上以80 km/h的速度勻速行駛，其1 s內能量分配情況如圖7所示.

圖7 汽車行駛時1 s內能量分配情況

思考與討論：閱讀書本STSE部分“汽車與能源”并回答汽車能量轉化的情況.小組討論后請組長逐個分析能量分配情況.

提出問題：這么多的能量，最終都是以內能的形式耗散在空中，那能不能將這些內能重新收集起來利用呢？

實驗展示3(如圖8)：空氣壓縮機使燃脂棉點燃.

圖8

設計意圖：通過前2個實驗以及最后的汽車能量分配情況分析，主要是讓學生能夠深刻地認識到能量在轉化的過程中，絕大多數都會以內能的形式耗散在環境中.通過應用STSE素材導出問題，進入深度學習.教師能夠充分激發出學生的學習興趣與學習欲望，同時讓學生認識到物理知識的實用性，從而留心生活中的物理問題.第3個實驗主要是讓學生能夠明白耗散在環境中的內能也可以重新被利用，但是需要付出代價，對其做功.從而說明能量的轉化具有方向性，同時能量的利用也受到方向性的制約.這一連串的實驗，意在讓學生真正明白能量轉化具有方向性，設計上層層遞進，具有一定的推進意義，同時引發學生對能源危機的思考.需要達到的目標是學生能自行總結為什么要節約能源.

2.3 升華問題探究，理解科學與社會的融合

主問題引領課堂教學模式下教學設計要求教師重視學生的主體性，充分尊重學生，在教學過程中要推動學生與學生之間的有效交流、學生與教師之間的深度對話，提高教學有效性.通過對STSE素材的現狀分析，進行一連串的問題引導，引發學生的思考，引領整個教學活動的主問題，提高學生的參與度.學生融入所創設的情景中進行學習，是成功開展STSE物理的重要標準，也是檢測STSE教育成功的重要依據.[2]

教學片斷3：

圖片展示：閱讀書本94～95頁大篇幅插圖“太陽能的轉化”(圖9)，小組討論后回答我們學習生活中需要的能源來自于哪里？

圖9 太陽能的轉化

圖片展示：2016～2021年中國能源煤消費總量統計情況(圖10).

圖10 2016～2021年中國能源消費總量統計情況

圖片展示：2010～2020年全球及各國二氧化碳的排放量變化(圖11).

圖11 2010～2020年各國二氧化碳排放量變化(單位：億噸)

師：由于煤的儲量有限，大量使用煤炭燃燒，大大增加了二氧化碳的排放量.如圖11所示.這也帶來了一定環境污染，請同學們閱讀課本97頁回答有哪些環境污染？

生：溫室效應、燃燒過程中產生二氧化硫、氮的化合物等會造成酸雨或者光化學煙霧等.

師：針對二氧化碳的排放這類污染，國家還提出了可持續發展的“碳中和”目標(如圖12).即將排放的二氧化碳通過節能減排、植樹造林等形式實現凈零排放.

圖12 “碳中和”示意圖

設計意圖：從3張圖片的展示引出能源的分類應用和能源與社會發展，簡潔明了.同時通過對圖片的觀察，總結出相應的知識內容，更具有發現問題、解決問題的探索精神，使學生認識到科學技術的突破對人類社會進步的意義，引導學生從不同角度看待能源開發利用帶來的影響，思考科學、技術、社會、環境四者之間的關系，加深學生的深層次認識，培養學生透過現象看本質和辯證性思考問題的思維能力，為解答主問題“為什么要節約能源，如何節約能源”奠定了基礎.

2.4 理論聯系實際，提升學生科技創新能力

主問題引領課堂教學模式下教學設計有助于提高高中物理課堂教學的成效，有利于促進學生物理學科核心素養的培養，能在一定程度上提高學生的問題意識和自主構建知識的能力.總之，在涉及社會、環境問題內容的教學中，一定要適時、合理地開展STSE教學，讓學生了解物理對科學、文化、經濟和社會的發展起著至關重要的推動作用，提高學生的科學素養，增強創新意識和實踐能力，滲透社會意識、環境意識、發展意識的教育等.[9]在學習了本節課的同時能夠引發深層次的思考，發揮創新精神，提升學生科技創新的能力.

教學片斷4：

思考與討論：除了節能減排，我們更應該做的是發展新能源.例如太陽能發電、水力發電、風能發電、核能發電等等.同學們想一想，我國哪些政策在大力發展新能源？甚至大家可以奇思妙想，我們可以怎么開發利用新能源呢？

生1：國家大力發展新能源汽車……

生2：新能源助力鄉村發展，光伏發電，風力發電……

生3：大力發展新能源的儲能設備，浙江安吉有最大規模的蓄能電站——長龍山抽水蓄能電站.

師：這里我給大家帶來一個有趣的設想，也可算是拋磚引玉，希望對大家有促進作用.

實驗展示4：這是智能路面充電系統(圖13)，現今國家大力發展新能源汽車，但是如何解決用電焦慮問題呢？設想如果能夠時時刻刻，隨時隨地充電，就沒有后顧之憂.如停車的時候可以不用隨處找充電樁.甚至還可以實現邊開邊充，實現里程解放.

圖13

設計意圖：使學生了解新能源對推動社會進步、保護環境、解決能源危機的意義，同時也拋磚引玉，促進學生去思考，培養學生的創新意識.

3 思考與啟示

(1) 縱覽本節課的主問題引領課堂教學模式，這正是物理教學邏輯的重要價值體現.實現了不脫離物理課堂，有實驗探究與總結，思維上的層層遞進，幫助學生將直觀的物理現象與抽象的物理本質更好地聯系起來，使學生不僅知其然，而且知其所以然.使學生對能量有更全面而具體的認識，保證了知識體系的整體性，突出了課堂的主線，不再是單一地關注學生的知識學習，而是從多個方面培養學生的物理學科素養，激發他們學習物理的興趣，促進學生的生成性學習，進而啟發學生科學思維.在整堂課的設計中也有一定的取舍，減少了一些介紹性質的講授，將更多時間歸還給學生，整個過程的設計都承載著教學目標的實現，突出培養自主構建知識的能力，提升學生的科學思維與探究能力.

(2) 滲透了STSE教育情境使得學生的核心素養真正落地.整個教學過程強調科學(S)、技術(T)、社會(S)、環境(E)的有機結合，既體現從物理走向社會、面向全體學生發展核心素養的新課程理念，又追求學生各方面能力的全面發展.在學生講到大力發展新能源時，可以適當介紹風力發電、太陽能發電、水力發電等基本的工作原理，例如如何用微元的思想處理這類流體問題，培養學生構建物理模型，解決問題的能力.2022年6月浙江省高考卷12題，就考查了關于風力發電的問題.

原題.風力發電已成為我國實現“雙碳”目標的重要途徑之一.如圖14所示，風力發電機是一種將風能轉化為電能的裝置.某風力發電機在風速為9 m/s時，輸出電功率為405 kW，風速在5～10 m/s范圍內，轉化效率可視為不變.該風機葉片旋轉一周掃過的面積為A，空氣密度為ρ，風場風速為v，并保持風正面吹向葉片.下列說法正確的是

圖14

(A) 該風力發電機的輸出電功率與風速成正比.

(C) 若每天平均有1.0×108kW的風能資源，則每天發電量為2.4×109kW·h.

(D) 若風場每年有5000 h風速在6～10 m/s的風能資源，則該發電機年發電量至少為6.0×105kW.

(3) 課堂教學需要根據學生關注的問題不斷進行教材重構.教材的例子不一定會引起學生的興趣，教師需要結合社會生活引用恰當的圖片，尋找和教學的連接點，對課堂進行重構，優化問題設計，激活學生的思維.同時將學習內容與生活或者現今科技聯系起來，使學生能夠切實感受到學習的應用價值，從而能激發學習的興趣，提高課堂的效率.