在STSE教學理念視角下的高中物理教學

基金項目：本文系南京市科協“軟科學研究”立項課題“融入重大科技熱點的青少年科學教育策略研究”（課題編號：2024-50）的成果之一。

摘" 要：STSE教學理念是指科學（Science）、技術（Technology）、社會（Society）、環境（Environment）這四個要素緊密結合在一起的教學理念，旨在提升學生的核心素養。本文運用STSE教學理念，以運動的合成與分解、宇宙航行等章節教學為例，探討“天宮課堂”在高中物理教學中的運用，激發學生興趣，引發學生思考，培養學生的物理學科核心素養。

關鍵詞：“天宮課堂”；STSE教學理念；高中物理；教學策略

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱課程標準）將關注點從三維目標：知識與技能、過程與方法、情感態度與價值觀，轉向物理學科核心素養：物理觀念、科學思維、科學探究、科學態度與責任。［1］相較于物理學科的三維目標，物理學科核心素養更加強調學生學習內容的整體性、整合性以及在學生身上的整體表現。［2］該版本的課程標準設置是基于STSE教學理念，即將“科學（Science）”“技術（Technology）”“社會（Society）”“環境（Environment）”這四個方面融入教學的理念；［3］其核心在于促進學生全面發展，并完善學生對于科學知識的認知體系。STSE教學理念的內核是落實科學核心素養，具體表現在個人目標、社會目標和文化目標三個維度。在具體實施的過程中，實驗是STSE教育的重要組成部分，是學生獲取學科經驗、培養探究精神的重要途徑。隨著我國航天事業的飛速發展，中國空間站技術逐漸成熟，“天宮課堂”的開發又為我們課堂實驗教學和運用STSE教學理念提供了新路徑。

“天宮課堂”是我國利用中國空間站開展太空科普的授課平臺，由中國航天員擔任“太空教師”，上課形式以中國航天員在中國空間站開展的一些有趣的科學實驗為主，附加簡單的原理介紹。將STSE教學理念與公共熱點事件有機結合，借助學生對航空航天的好奇心，展開物理知識教學，可以進一步提高學生對運用物理知識促進社會發展、技術進步、環境保護的意識。［4］

本文將從STSE教學理念視角對“天宮課堂”第二課的實驗進行解讀，探討“天宮課堂”實驗素材在運動的合成與分解、宇宙航行等章節中的應用，以及運用STSE教學理念對現有教學模式進行改進與補充。

1" “天宮課堂”與人教版高中教材之間的聯系分析

2019版人教版高中物理教材在原教材基礎上做出了一定的調整，其中最為明顯的就是在教材中增加了STSE模塊，供學生閱讀學習。在教材中補充增加STSE模塊，旨在將學生學習聯系學生的日常生活，聯系社會上廣泛使用的一些科學技術等，使得學生收獲的成果不僅僅有物理概念、原理，還能使學生體驗到物理及其技術的價值，培養學生良好的物理學科核心素養。STSE教學理念要求教師在教學的過程中兼顧學科知識的教授與學科知識在生產生活、社會問題中的運用。這就意味著在課堂中教學素材的選擇也至關重要，合適的素材選擇可以讓科學、技術、社會、環境這四個要素相互作用，從而達到理想的教學效果。

由表1可知，“天宮課堂”的實驗項目涵蓋了必修一、必修二和選擇性必修三等

重點章節的知識點。將許多在課堂上難以呈現的實驗現象以視頻的方式引入課堂教學，有助于學生理解抽象的物理概念與知識，提高學生在相關情境中解決物理問題的能力。同時，“天宮課堂”可以拉近物理與學生的距離，促進學生全面發展，完善學生對于科學知識的認知體系。

2" “天宮課堂”實驗素材在高中物理教學中的具體實施策略

STSE教育將成為一種構建科學、技術、社會和環境的和諧體系的有生力量，STSE教育具有現實性、綜合性、開放性、人本性、生活相關性等屬性?！疤鞂m課堂”的實驗素材恰好與之契合。將實驗素材與課堂教學有機結合，提高課堂與生活相關性的同時，鍛煉學生綜合運用所學物理知識解決問題的能力（如圖1所示）。

2.1" 以“天宮課堂”實驗素材為背景的探究計算驗證

2.1.1" “墩墩飛天——太空拋物實驗”與運動的合成與分解

航天員王亞平老師將冰墩墩水平拋出，冰墩墩的運動軌跡還是一條拋物線嗎？

王亞平老師的實驗環境是我國空間站，空間站是微重力環境。對冰墩墩受力分析可以發現，冰墩墩受萬有引力F＝Gm1m2r2。但是由于冰墩墩所在的空間站繞著地球做圓周運動，此時萬有引力需要作為向心力來維持空間站的繞地運動，向心力為F＝mω2r。由于萬有引力并不完全等于向心力，故冰墩墩也是受微小的重力的。這被稱為微重力現象，它在空間站中所受到等效的重力加速度的大小數量級約為10－5g～10－4g。［6］當選取空間站的地板為參考系時，冰墩墩做直線運動；但是當選取地球地面為參考系時，冰墩墩一方面做直線運動，一方面與航天器一起繞著地球做圓周運動。利用太空站微重力環境開展實驗，能夠幫助學生理解運動的合成與分解，彌補在地球開展實驗時實驗現象難以仔細觀察的缺陷。

2.1.2" “墩墩飛天——太空拋物實驗”與衛星周期計算

近地衛星的運動周期是多少？航天員在空間站的生活作息是怎樣的？

對近地衛星周期進行估算，可認為萬有引力提供近地衛星圍繞地球做圓周運動的向心力

F＝GMmR2＝m2πT2R。

其中，M為地球質量，大約為5.965×1024kg；G為引力常量，大約為6.67×10－11N·m2/kg2；R為地球半徑，大約為6371km。

根據上式，代入數據得近地衛星的周期約為84min。也就是說，航天員在空間站每隔84分鐘左右就會經歷一次晝夜交替。生活在空間站的航天員們通過燈光光線的變換來模擬地球上太陽的東升西落，維持生物鐘的穩定。

在教學中引入實際情境，計算衛星的周期問題，能夠幫助學生加深對萬有引力與宇宙航行的理解。情境式教學促進學生的學習動機從應試到探索未知的轉變，開闊學生視野，激發學生學習興趣。

2.2" 基于“天宮課堂”實驗素材的物理學史教學

“墩墩飛天——太空拋物實驗”與牛頓的“高山大炮實驗”

如果在地面上以很大的速度拋出物體，物體是否可以落到很遠的地方？它的運動曲線又是怎樣的？

著名物理學家牛頓也提出過這樣的問題，即被后人稱為“牛頓的高山大炮實驗”的問題（如圖2所示）。牛頓假設在一座高山上架起大炮，當炮彈的速度足夠快時，炮彈就可以圍繞地球不停地運動而不會掉下來，這個問題正是第一宇宙速度的萌芽。已知，物體在空中自由下落，重力加速度約為9.8m/s2。由于地球曲率的影響，地面上的

物體每隔7.9km就向原地平線下降4.9m，則如果炮彈每秒飛行7.9km同時下降4.9m，那炮彈就永遠不會掉下來了。 7.9km/s也被稱為第一宇宙速度，即最小發射速度。

從牛頓的假想到牛頓在《自然哲學的數學原理》中提出萬有引力定律，是用物理的思想和數學的語言描摹出了宇宙的奧秘。我國科學家不愿止步于此。1970年，我國第一顆人造衛星東方紅一號發射成功，邁出了中國人飛天夢的第一步。物理學史是高中物理教學中常常被忽視的部分，但卻是教學內容的重要組成部分。物理學史突出了物理知識的形成與發展，體現了科學思維與科學方法，彰顯了科學精神與科學態度，展現了物理學的應用價值。［7］課程標準中很多內容要求與物理學史相關，如“結合物理學史，了解萬有引力定律的發現過程”等。將物理學史融入教學，可以發展學生的獨立思考能力和批判質疑精神。

2.3" 利用“天宮課堂”實驗素材展開環境教育［8］

2.3.1" 出艙航天服對宇宙射線的防護

在北京主會場空間站模型旁邊展示了兩套艙外航天服“飛天”，其中一件正是航天教師王亞平的同款。為什么航天員出艙時要穿艙外航天服？

太空環境輻射主要由銀河宇宙線、太陽高能粒子、南大西洋異常區輻射帶電粒子組成。［9］航天員處于近地空間，在該范圍內存在著大量的高能質子、電子和重離子。當航天員出艙時，這些輻射會短時間內在航天員體內積累過量，對人體器官組織造成不可逆轉的傷害?？臻g站的設備以及空間站內的航天員都需要進行一定的輻射防護，主要有以下三種防護措施：物理防護、化學防護和生物醫學防護。其中，物理防護有：增加與輻射源的距離、減少輻射受照時間和選擇合適的材料進行輻射阻擋與屏蔽。化學防護和生物醫學防護主要是通過藥物和營養補充，提高生物體對輻射的耐受性。［10］

以STSE教學理念為指導，向學生介紹外太空的惡劣環境和簡單輻射防護手段，引導學生思考社會中與科學相關的環境問題、經濟問題、文化問題、全球的合作關系問題等，提升學生的科學素養，培養學生的社會責任感。

2.3.2" 地磁場對粒子輻射的防護作用

來自太陽和其他星體的宇宙射線，即太空輻射，含有大量高能帶電粒子。由于地磁場的存在，這些帶電粒子受到洛倫茲力的作用，從而改變運動方向。大部分帶電粒子的運動方向會向地球兩極偏轉，從而產生極光現象。結合磁場章節中的知識點，以太空中的帶電粒子為例，教師可以展開對洛倫茲力方向判斷的教學。

2.3.3" 大氣層對光輻射的防護作用

大氣層中平流層的臭氧層可以吸收99%的太陽紫外線。但是自70年代以來，平流層的臭氧含量開始降低，1984年首次在南極上空發現臭氧層空洞。臭氧層的稀薄直接導致地球地面受到的紫外線輻射量增加。過量的紫外線輻射對生活在地球的動植物造成極大的傷害。經測算，大氣中的臭氧每減少1%，地面受到的紫外線輻射就會增加2%。［11］

氟氯烴是導致大氣臭氧含量減少的一個重要因素。當氯氟烴到達平流層時，在光輻射的作用下，催化臭氧分解。由于近代以來人類大量使用氯氟烴，大氣層中臭氧含量逐漸減少，對臭氧層造成了破壞。我國于1989年9月和1991年6月簽署《保護臭氧層維也納公約》和《蒙特利爾破壞臭氧層物質管制

議定書》，加入保護臭氧層的隊伍。

利用“天宮課堂”實驗素材展開環境教育，強化了學生對環境保護重要性的認識，讓學生意識到地球是人類共同生活的家園，地球只有一個，所有國家、人類都應該擔起責任，保衛地球。

2.4" 延伸“天宮課堂”實驗素材開展小組合作開放研究

個性化作業設計：基于STSE教育學生展開的小組探究——如何處理太空垃圾。

隨著航空航天技術的蓬勃發展，人類的飛天夢逐步實現，同時也向太空發射越來越多的航天器。但是隨之而來的是越來越多的太空垃圾，包括報廢的航天器、航天器組件機器脫落物、航天員在太空中生活產生的垃圾等等。［12］根據美國航天局的不完全統計，目前有近萬噸太空垃圾圍繞地球飛行，數量龐大到令人難以想象。如果這些太空垃圾發生相撞，可能會產生更多更細小的垃圾。同時，如有部分太空垃圾墜落到地球，可能會造成人員傷亡。因此太空垃圾的處理成為了研究的熱點問題。教師要求學生進行小組合作，根據目前所學知識討論關于如何處理太空垃圾的問題。

3" 結論

融合“天宮課堂”實驗素材，對高中物理教材中的課程內容進行探究驗證，激發學生的學習興趣，提高學生學習的情境感?；凇疤鞂m課堂”實驗素材展開物理學史教學和環境教育，讓學生進一步了解科學、技術、社會和環境的相互作用關系，樹立正確的科學價值觀和科學探究精神。延伸“天宮課堂”實驗素材開展小組合作開放研究，有助于培養學生在實際情境中解決問題的能力?！疤鞂m課堂”的實驗內容涵蓋大量物理知識且與高中教材有很高的契合度，值得進一步的挖掘。運用STSE教學理念，

讓“天宮課堂”賦能高中物理課堂，提升教學效果。

參考文獻

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［2］ 范佳午.2017版和2003版《普通高中物理課程標準》比較研究［J］.物理教師，2018，39（9）：2-4，8.

［3］ 李維兵.中學物理中的STSE探究［J］.物理教學，2011，33（5）：49-50.

［4］ 孫海宙，黃夢蘭，章鵬飛，徐偉明.基于STSE教育理念的“北京冬奧會”化學科普探索［J］.大學化學，2022，37（9）：319-324.

［5］ 荊鵬，李超凡，侯恕.融通轉化“天宮課堂”素材 促進落實物理學科育人［J］.物理教師，2022，43（5）：11-13.

［6］ 劉玉柱，周卓彥.“天宮”掠影現蒼穹 吾輩此課摘星辰——“天宮課堂”第二課拓展解讀［J］.科學大眾（中學生），2022（6）：4-9.

［7］ 張健，王華，李春密.基于教科書物理學史素材發展學生核心素養的教學策略研究［J］.物理教師，2021，42（11）：7-12.

［8］ 王慧，馮霞.融合STSE教育理念的教學設計——以“宇宙航行”為例［J］.中學物理教學參考，2022，51（11）：40-42.

［9］ 朱國陽，王棲溪，楊文凱.太空輻射環境對航天員的影響與防護［J］.生命與災害，2017（10）：32-35.

［10］ 程彭超，閔銳.近地空間輻射環境與防護方法概述［J］.輻射防護通訊，2017，37（1）：14-21.

［11］ 希音.談談保護臭氧層［J］.中國人才，2000（2）：60.

［12］ 黃曉芝，齊敏伽.危險的太空垃圾［J］.生態經濟，2017，33（8）：6-9.