韓立新 王春艷 羅建勇 張慧 楊帆凡

議題背景

人類活動釋放了大量溫室氣體，使得大氣中溫室氣體的濃度顯著升高。溫室效應(yīng)不斷加劇會產(chǎn)生一系列不可預(yù)測的全球性氣候問題。中國政府承諾：二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和。實現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵問題是找到可替代化石燃料的新能源，例如太陽能、風(fēng)能等可再生能源，同時保證能源供應(yīng)和安全。

在現(xiàn)行課程標(biāo)準(zhǔn)中，物理學(xué)科在“靜電場及其應(yīng)用”“靜電場中的能量”“電路及其應(yīng)用”“電能和能量守恒定律”章節(jié)中，多處涉及電能利用問題、能量問題和能源問題?；瘜W(xué)學(xué)科在“電化學(xué)基礎(chǔ)”章節(jié)中涉及原電池、化學(xué)電源、電解池的內(nèi)容，“保護生存環(huán)境”章節(jié)中涉及改善大氣質(zhì)量內(nèi)容。生物學(xué)科在“人與環(huán)境”及“生態(tài)工程”章節(jié)涉及碳足跡、生態(tài)足跡等與能源相關(guān)的概念，提出正確處理環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)系，踐行經(jīng)濟社會與生態(tài)相互協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展理念。地理學(xué)科在選擇性必修部分多處提及能源安全、全球氣候變化與國家安全，將能源開發(fā)利用、環(huán)境保護問題提升至更高層面。從以上學(xué)科內(nèi)容中抽取重要的核心概念（能量、化學(xué)電源、環(huán)境）和重要規(guī)律加以組織，結(jié)合當(dāng)前的能源危機與氣候治理社會背景，以“太陽能路燈”為載體的社會性科學(xué)議題學(xué)習(xí)主題在這樣的背景下應(yīng)運而生。社會性科學(xué)議題學(xué)習(xí)不僅強調(diào)科學(xué)與技術(shù)的有機結(jié)合，同時還要融入道德情感與價值判斷，以加深學(xué)生對科學(xué)本質(zhì)的理解。

議題設(shè)計

本著遵循學(xué)生的認知規(guī)律、圍繞重要概念、指向?qū)W生素養(yǎng)發(fā)展的教學(xué)模型，進行跨學(xué)科議題的頂層設(shè)計。通過“太陽能路燈”議題的實施，試圖達成如下教學(xué)目標(biāo)：讓學(xué)生了解光電轉(zhuǎn)化原理、蓄電池的電化學(xué)原理，對路燈明暗進行定量描述和測量，能自行分析和設(shè)計三極管放大電路；學(xué)生要搭建起太陽能路燈模型，模擬白天充電和夜晚點亮；學(xué)生要在了解路燈建設(shè)成本和管理方式的情況下，結(jié)合自然資源的利用與保護，對北京城區(qū)大范圍使用太陽能路燈的可行性作出分析。

本議題涉及物理、化學(xué)、地理多個學(xué)科，要解決問題必須要打破學(xué)科之間的壁壘，不同學(xué)科教師聚在一起，借助星形圖教學(xué)工具確定議題的星形結(jié)構(gòu)，組織教學(xué)目標(biāo)與內(nèi)容（圖1）。

第一步：主題設(shè)計 以“太陽能路燈系統(tǒng)”為內(nèi)容載體，設(shè)計校園中的太陽能路燈系統(tǒng)，完成模型搭建。貫穿始終的驅(qū)動性問題是“分析北京城區(qū)大范圍使用太陽能路燈的可行性”。將議題分解為貫穿整個活動的系列驅(qū)動性問題，這些問題涵蓋了科學(xué)領(lǐng)域、技術(shù)領(lǐng)域和社會領(lǐng)域，指向?qū)W生科學(xué)思維的發(fā)展。

根據(jù)擬定的照度要求，路燈需要使用多大功率的光源才能滿足要求？

如果已知路燈所在位置的經(jīng)緯度，估算光伏組件安裝的方位角和傾斜角。

太陽能控制器在整個路燈系統(tǒng)中起什么作用？

清潔能源的種類及其應(yīng)用情況如何？

從新能源使用的歷史、現(xiàn)實、政策等多維度展望未來，預(yù)測北京城區(qū)大范圍使用太陽能路燈的可能性。

第二步：任務(wù)設(shè)計 通過3 個任務(wù)承載議題的科學(xué)要素。任務(wù)1 主要討論供電問題，拆解成確定照明需求、確定光源和組件功率3 個子任務(wù)；任務(wù)2 討論儲電問題，2 個子任務(wù)分別為確定蓄電池種類和確定蓄電池容量；任務(wù)3 是控制問題，分為開關(guān)控制和充放電控制。隨著這些承載著科學(xué)要素的任務(wù)推進，學(xué)生活動中穿插以小組為單位的研討，比如路燈供電方式的變遷，蓄電池帶來的便利及其對環(huán)境的破壞，路燈及其他場景采用太陽能光伏系統(tǒng)供電的可行性等。這一方面體現(xiàn)了驅(qū)動性問題的統(tǒng)領(lǐng)作用，更重要的是讓學(xué)生有了一種解決科學(xué)和社會性問題交織在一起的初步解決思路，相當(dāng)于為整個議題解決搭了臺階。整個議題的任務(wù)設(shè)計結(jié)構(gòu)如表1 所示。

議題實施

任務(wù)1. 計算供電參數(shù)

情境1 不同場所夜晚的亮度是不同的，繁華的商業(yè)區(qū)往往燈光明亮，而住宅區(qū)的燈光則相對幽靜。不同道路的照明要求有什么依據(jù)呢？為校園設(shè)計路燈系統(tǒng)，你準(zhǔn)備怎么確定校園道路的照明要求呢？

活動1 學(xué)生自主檢索道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。要看懂標(biāo)準(zhǔn)就得學(xué)習(xí)光度學(xué)知識，這個環(huán)節(jié)的科學(xué)內(nèi)容涉及能量、單位時間的能量、單位時間單位面積的能量等概念，在物理學(xué)科教學(xué)中對這些概念有較高的要求。光度學(xué)知識可由學(xué)生先自學(xué)，再由教師以翻轉(zhuǎn)課堂的形式指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)。

情境2 市場上可選擇的路燈種類繁多。按照發(fā)光原理，用于路燈照明的常用光源有金屬鹵化物燈、高壓鈉燈、LED 燈等。不同的光源性能各有不同，應(yīng)該如何選擇呢？作為工程師，需要對比不同光源的性能，針對實際使用需求選擇光源。

活動2 學(xué)生自主學(xué)習(xí)各種光源的發(fā)光原理及其優(yōu)缺點，選擇路燈使用的光源種類，并說明選擇依據(jù)。關(guān)注與了解身邊事物是學(xué)生學(xué)習(xí)的一個重要途徑，家庭及公共場所的燈具材質(zhì)、款式、應(yīng)用場景等不盡相同，從科學(xué)視角認識自然，認識我們生活的世界是一種認識方式，具有相對普適性，但同時也存在局限性，要以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機。

活動3 討論和論辯：路燈變遷史、燈具性能的評價。學(xué)生選擇一條自己熟悉的街道，用所學(xué)的知識與社會發(fā)展要求對該街道的路燈設(shè)計進行評價，并結(jié)合使用感受提出改進意見。

情境3 太陽能路燈使用的電能是光伏組件產(chǎn)生的，因此需要選擇合適的光伏組件，以滿足路燈的用電需求。由于光伏組件產(chǎn)生電能受天氣環(huán)境、自身發(fā)電效率等的影響，而路燈的用電量也受到當(dāng)?shù)貧庀髼l件的影響，因此要確定太陽能光伏組件的功率要綜合考慮需求和供給。

活動4 計算光伏組件功率。假若校園路燈的功率為20 W，工作電壓為直流5 V，每晚工作6 小時，蓄電池的充放電效率為0.85（即蓄電池在儲存和釋放電能的過程中，會損失15% 的能量），當(dāng)?shù)氐钠骄逯等照諘r間為4.21 h，對1 盞LED 路燈，為滿足其用電需求，需要選擇多大功率的光伏組件？表2 列出了計算步驟與結(jié)果。

活動5 學(xué)生計算確定光伏組件的功率后，為了讓光伏組件最大限度地接受太陽光，還需要選擇合適的安裝角度。安裝角度用2 個參數(shù)表征：方位角和傾斜角（圖2）。

活動6 交流研討。如果學(xué)校位于東經(jīng)116°、北緯40°附近，請運用地理學(xué)知識估算光伏組件安裝的方位角和傾斜角，并闡明理由。

活動7 交流研討。隨著常規(guī)能源的不可再生性及環(huán)境問題的日益突出，以環(huán)保與可再生為特質(zhì)的新能源越來越受到重視。在相關(guān)資料檢索的基礎(chǔ)上，研討北京地區(qū)能源利用現(xiàn)狀及新能源利用前景，可從北京市太陽能資源儲量、資源地區(qū)分布、資源特征、開發(fā)現(xiàn)狀等角度加以闡述。

任務(wù)2. 選擇儲電設(shè)備

情境4 對于獨立運行的發(fā)電系統(tǒng)，白天需要將電能轉(zhuǎn)化為其他形式的能量儲存起來，晚上再將儲存的能量釋放出來，保證穩(wěn)定持續(xù)的供電。太陽能路燈系統(tǒng)常用的儲電設(shè)備主要是各種各樣的蓄電池。

活動8 頭腦風(fēng)暴。作為工程師，請思考，太陽能路燈系統(tǒng)的蓄電池應(yīng)該滿足什么要求？交流探討常見的蓄電池種類有哪些？儲電原理、優(yōu)缺點分別是什么？哪類蓄電池滿足太陽能路燈系統(tǒng)對蓄電池的要求？蓄電池的使用和回收處理對人類生存環(huán)境有什么影響？

情境5 在選擇好蓄電池的種類以后，接下來需要確定蓄電池的規(guī)格。蓄電池的規(guī)格主要包括電壓和電池容量。電壓是指開路電壓，可以用電壓表初步測試。電池容量是衡量電池性能的重要性能指標(biāo)之一，它表示在一定條件下（溫度、終止電壓等）電池放出的電荷量，通常以“安時”（A·h）或“毫安時”（mA·h）為單位（圖3）。

活動9 動手實踐。測量鋰離子電池（磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池）的主要參數(shù)電動勢、內(nèi)阻、容量及充電效率。電動勢與內(nèi)阻的測量

有2 種方法：①使用測試儀直接測量；②使用電流表、電壓表，依據(jù)閉合電路歐姆定律測量。

容量測量使用充放電測試儀直接測量?；顒?0 研究論辯。對于與電網(wǎng)連接運行的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，電網(wǎng)是最好的消納和儲能系統(tǒng)，不需要配備其他形式的儲能設(shè)備。是不是對于路燈來說，并不需要離網(wǎng)儲能？

任務(wù)3. 設(shè)計控制系統(tǒng)

情境6 太陽能路燈系統(tǒng)白天通過太陽能板給蓄電池充電，將電能儲存起來，晚上蓄電池就是路燈照明的能量來源?？刂坡窡糸_和關(guān)，就是控制路燈何時點亮，何時熄滅。

活動11 交流探討。聚焦如何控制路燈的開和關(guān)，實現(xiàn)傍晚路燈點亮，凌晨路燈熄滅。路燈的開和關(guān)有哪些控制方式？如果你是工程師，你會選擇哪種控制方式？請說明選擇的理由。依據(jù)光的強度作為太陽能路燈開啟的依據(jù)更符合節(jié)能減排的理念和做法。

活動12 動手實踐。設(shè)計一套路燈自動開關(guān)控制系統(tǒng)。實驗用具包括多孔板1 塊、光敏電阻1 只、LED 發(fā)光二極管1 只、8050 三極管1 只、20 k 電阻1 只。參考電路圖（圖4）所示，將這些元件在多孔板上排布好后焊接牢固。

情境7 如果將光伏組件直接連接蓄電池，在光照很強的時候，太陽能電池板的電壓、電流會很大，電池處于過充狀態(tài)，如果不及時切斷，就會損壞蓄電池。陽光很弱或者夜間，組件電壓小于蓄電池電壓，蓄電池電流又會向電池板倒灌。為了保護蓄電池，需要配控制器，防止過度充電和蓄電池對負載的過度放電?；顒?3 動手實踐。用恒壓源（學(xué)生電源穩(wěn)壓6 V）給標(biāo)稱值為6 V 的鉛蓄電池充電，記錄不同時刻的電流值，研究充電電流隨時間變化的關(guān)系。

活動14 思考與探究。太陽能控制器能實現(xiàn)哪些功能？（提示：在光伏系統(tǒng)中，蓄電池的壽命長短是影響整個系統(tǒng)維護成本的重要因素，而過度充電和過度放電都將大大縮短蓄電池的使用壽命，所以需要對蓄電池的充放電進行控制?？刂破魇且粋€管理蓄電池的設(shè)備，其最重要的功能是防止蓄電池過度充電?？刂破鞅O(jiān)測電池電壓，當(dāng)電壓達到預(yù)設(shè)值時，會放慢或結(jié)束充電。）

活動15 動手實踐。搭建并測試太陽能路燈系統(tǒng)，組件包括光伏組件、蓄電池、控制器、路燈，如圖5、圖6 所示。

任務(wù)4. 議題論辯與演講

情境8 隨著前面3 個具體任務(wù)的完成，學(xué)生已經(jīng)把太陽能路燈的結(jié)構(gòu)組成及其包含的科學(xué)、技術(shù)因素分解學(xué)習(xí)完畢，對議題的科學(xué)性和社會性已經(jīng)有了較為豐富的認識。此時可以讓學(xué)生有一個全面的系統(tǒng)思考并撰寫報告，最后通過答辯演講的形式向全體同學(xué)宣講。

活動16 答辯演講。參考星形結(jié)構(gòu)圖，從新能源使用的歷史、現(xiàn)實、政策等多維度展望未來，預(yù)測北京城區(qū)大范圍使用太陽能路燈的可能性。

成果與評價

本社會性科學(xué)議題活動的成果形態(tài)、評價內(nèi)容與標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示。

成效與反思

構(gòu)建和完善校本課程

此社會性科學(xué)議題學(xué)習(xí)案例在2022 年秋季學(xué)期進行了教學(xué)實踐，授課教師2 人，學(xué)生12 人。實施之前進行了周密規(guī)劃，把每周的教學(xué)、學(xué)習(xí)內(nèi)容撰寫了文本，進行了詳細分工。學(xué)生要展開針對太陽能等新能源話題的深入討論，應(yīng)先體驗新能源利用的真實場景，自己親自動手搭建太陽能路燈系統(tǒng)。學(xué)生學(xué)習(xí)了放大電路、控制電路的原理，學(xué)習(xí)了利用互聯(lián)網(wǎng)在線函數(shù)圖像繪制（圖7）、在線電路設(shè)計與分析（圖8），在實驗設(shè)計、電路焊接、故障排查等方面的實踐能力得到發(fā)展，科學(xué)思維、科學(xué)探究素養(yǎng)水平得到提升。

太陽能路燈系統(tǒng)的可行性分析，涉及科學(xué)、經(jīng)濟、政治、環(huán)境等維度。引導(dǎo)學(xué)生基于太陽能路燈系統(tǒng)的科學(xué)問題，延伸到太陽能光伏系統(tǒng)的其他應(yīng)用場景；從新能源使用的歷史、現(xiàn)實與未來展望，認識到能源利用、經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護的關(guān)系；了解“碳達峰”“碳中和”戰(zhàn)略的實施背景，踐行低碳生活理念。學(xué)生在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)容的資料檢索、信息加工、轉(zhuǎn)化和成文演講的能力也有明顯進步，論證的證據(jù)意識顯著增強。但在提問、辯論環(huán)節(jié)，限于學(xué)生的知識儲備，對其他小組的提問和質(zhì)疑的回應(yīng)，在使用多方證據(jù)闡釋、論證的能力有待發(fā)展。

達成和落實教學(xué)目標(biāo)

在此社會性科學(xué)議題學(xué)習(xí)案例實踐過程中，授課教師通過任務(wù)和活動分解目標(biāo)。學(xué)生通過議題學(xué)習(xí)，在學(xué)科知識層面上達到較高的程度，同時素養(yǎng)水平等級也有明顯提升。例如未進行議題學(xué)習(xí)之前，學(xué)生不清楚放大電路的原理；進行議題學(xué)習(xí)之后，學(xué)生不僅能夠講清原理，甚至能設(shè)計出更復(fù)雜的放大電路，實現(xiàn)了知識上的遷移。學(xué)生的學(xué)習(xí)理解、應(yīng)用實踐和遷移創(chuàng)新可以通過題目檢測實現(xiàn)。

在論證過程中，學(xué)生越來越多地使用事實和科學(xué)證據(jù)闡述觀點，采用形式推理和非形式推理的論證能力得到提升。科學(xué)思維不僅是科學(xué)研究和探索中的正確思維方法，同時也是解決社會發(fā)展問題的法寶。議題的實施推進，要綜合運用電路、能量轉(zhuǎn)化、化學(xué)反應(yīng)知識，促進了知識的整合和遷移應(yīng)用。在社會性科學(xué)議題學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)生的推理論證、質(zhì)疑創(chuàng)新的科學(xué)思維水平得到提升。

從目標(biāo)達成情況看，社會性科學(xué)議題學(xué)習(xí)是促進學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的優(yōu)質(zhì)途徑，有助于學(xué)生理解科學(xué)本質(zhì)和發(fā)展高階思維，提升綜合解決問題的能力和社會決策能力。

反思與展望

課程需要較多動手實驗增加體驗和感受，受限于此，課程融入跨學(xué)科元素較多，加上學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)能力的限制，導(dǎo)致部分活動課時略顯緊張，在今后進行課程迭代實施中，要精簡學(xué)習(xí)內(nèi)容，保留圍繞驅(qū)動性問題的學(xué)習(xí)內(nèi)容，適當(dāng)精簡非核心問題的知識拓展與延伸。

在后續(xù)課程實施中，初步計劃將議題發(fā)展為“國際氣候協(xié)議，我們堅守還是退出”。這樣的議題既有比較強的爭議性，又能兼顧國情與全球視野，展現(xiàn)跨文化溝通與全球表達?？茖W(xué)層面從太陽能的學(xué)習(xí)發(fā)展為太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能的開發(fā)和利用，崇尚節(jié)約能源、保護環(huán)境，推動人類向可持續(xù)發(fā)展模式轉(zhuǎn)型。針對課時緊張問題，可以讓不同興趣的學(xué)生僅就某一種形式的能量利用形式做深入研究，其他方面了解即可。最后統(tǒng)合各組研究，體現(xiàn)合作研究的框架和達成解決真實性復(fù)雜議題的目標(biāo)。

結(jié)束語

議題選擇和頂層設(shè)計非常關(guān)鍵，也是課程實施之前非常重要的教學(xué)準(zhǔn)備工作。教師要選取科學(xué)性、社會性、開放性、倫理性于一體的議題?？茖W(xué)性方面要考慮學(xué)生的知識儲備和學(xué)科背景，需要適合學(xué)生的實際水平，選擇當(dāng)前學(xué)段下學(xué)生“最近發(fā)展區(qū)”的內(nèi)容。課程內(nèi)容應(yīng)該指向核心概念和規(guī)律的學(xué)習(xí)，助力高考，助力核心素養(yǎng)的發(fā)展。學(xué)習(xí)內(nèi)容既要考慮學(xué)生情況也要考慮教師的駕馭能力，尤其是當(dāng)前教學(xué)分科實施的大背景下，教師實施跨學(xué)科教學(xué)不宜難度過大，同時也應(yīng)該組建融入不同學(xué)科的教學(xué)團隊，團隊成員要像一個教研組一樣定期備課、反饋和調(diào)整教學(xué)。

教師自身在課程中的定位也很重要。教師在社會性科學(xué)議題學(xué)習(xí)課程實施中不能定位于某一學(xué)科的指導(dǎo)者，只負責(zé)自己學(xué)科內(nèi)部相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)。學(xué)生未來遇到的問題是綜合與復(fù)雜的，并不一定局限于某一學(xué)科，面向未來的教學(xué)應(yīng)該是多學(xué)科、跨學(xué)科，甚至是超越學(xué)科的，所以教師也應(yīng)該不斷提升自我，掌握科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，了解科技發(fā)展的動態(tài)，加強跨學(xué)科知識的學(xué)習(xí)，在教學(xué)中不斷融入我們的教育智慧，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機，為發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)，培養(yǎng)全面發(fā)展的人貢獻力量！

參考文獻

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本文是北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué)“社會性科學(xué)議題學(xué)習(xí)項目”研究成果（項目號：1222000817）；北京物理學(xué)會教育科研立項課題“核心素養(yǎng)立意的高中物理實驗開發(fā)與實踐”課題研究成果（批準(zhǔn)號：WLXH222114）。