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。溫室效應不斷加劇會產生一系列不可預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)目標的關鍵問題是找到可替代化石燃料的新能源，例如太陽能、風能等可再生能源，同時保證能源供應和安全。

在現(xiàn)行課程標準中，物理學科在“靜電場及其應用”“靜電場中的能量”“電路及其應用”“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。化學學科在“電化學基礎”章節(jié)中涉及原電池、化學電源、電解池的內容，“保護生存環(huán)境”章節(jié)中涉及改善大氣質量內容。生物學科在“人與環(huán)境”及“生態(tài)工程”章節(jié)涉及碳足跡、生態(tài)足跡等與能源相關的概念，提出正確處理環(huán)境保護與經濟發(fā)展的關系，踐行經濟社會與生態(tài)相互協(xié)調的可持續(xù)發(fā)展理念。地理學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。從以上學科內容中抽取重要的核心概念（能量、化學電源、環(huán)境）和重要規(guī)律加以組織，結合當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議題學習主題在這樣的背景下應運而生。社會性科學議題學習不僅強調科學與技術的有機結合，同時還要融入道德情感與價值判斷，以加深學生對科學本質的理解。

議題設計

本著遵循學生的認知規(guī)律、圍繞重要概念、指向學生素養(yǎng)發(fā)展的教學模型，進行跨學科議題的頂層設計。通過“太陽能路燈”議題的實施，試圖達成如下教學目標：讓學生了解光電轉化原理、蓄電池的電化學原理，對路燈明暗進行定量描述和測量，能自行分析和設計三極管放大電路；學生要搭建起太陽能路燈模型，模擬白天充電和夜晚點亮；學生要在了解路燈建設成本和管理方式的情況下，結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、地理多個學科，要解決問題必須要打破學科之間的壁壘，不同學科教師聚在一起，借助星形圖教學工具確定議題的星形結構，組織教學目標與內容（圖1）。

第一步：主題設計 以“太陽能路燈系統(tǒng)”為內容載體，設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動性問題，這些問題涵蓋了科學領域、技術領域和社會領域，指向學生科學思維的發(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：任務設計 通過3 個任務承載議題的科學要素。任務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；任務2 討論儲電問題，2 個子任務分別為確定蓄電池種類和確定蓄電池容量；任務3 是控制問題，分為開關控制和充放電控制。隨著這些承載著科學要素的任務推進，學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)了驅動性問題的統(tǒng)領作用，更重要的是讓學生有了一種解決科學和社會性問題交織在一起的初步解決思路，相當于為整個議題解決搭了臺階。整個議題的任務設計結構如表1 所示。

議題實施

任務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？為校園設計路燈系統(tǒng)，你準備怎么確定校園道路的照明要求呢？

活動1 學生自主檢索道路照明設計標準。要看懂標準就得學習光度學知識，這個環(huán)節(jié)的科學內容涉及能量、單位時間的能量、單位時間單位面積的能量等概念，在物理學科教學中對這些概念有較高的要求。光度學知識可由學生先自學，再由教師以翻轉課堂的形式指導學生學習。

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 學生自主學習各種光源的發(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)。關注與了解身邊事物是學生學習的一個重要途徑，家庭及公共場所的燈具材質、款式、應用場景等不盡相同，從科學視角認識自然，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)學生的學習動機。

活動3 討論和論辯：路燈變遷史、燈具性能的評價。學生選擇一條自己熟悉的街道，用所學的知識與社會發(fā)展要求對該街道的路燈設計進行評價，并結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?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?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果。

活動5 學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。如果學校位于東經116°、北緯40°附近，請運用地理學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)保與可再生為特質的新能源越來越受到重視。在相關資料檢索的基礎上，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2. 選擇儲電設備

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)常用的儲電設備主要是各種各樣的蓄電池。

活動8 頭腦風暴。作為工程師，請思考，太陽能路燈系統(tǒng)的蓄電池應該滿足什么要求？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、內阻、容量及充電效率。電動勢與內阻的測量

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。對于與電網連接運行的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，電網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備。是不是對于路燈來說，并不需要離網儲能？

任務3. 設計控制系統(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，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，實現(xiàn)傍晚路燈點亮，凌晨路燈熄滅。路燈的開和關有哪些控制方式？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。設計一套路燈自動開關控制系統(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（學生電源穩(wěn)壓6 V）給標稱值為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。控制器是一個管理蓄電池的設備，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，當電壓達到預設值時，會放慢或結束充電。）

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4. 議題論辯與演講

情境8 隨著前面3 個具體任務的完成，學生已經把太陽能路燈的結構組成及其包含的科學、技術因素分解學習完畢，對議題的科學性和社會性已經有了較為豐富的認識。此時可以讓學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宣講。

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

成果與評價

本社會性科學議題活動的成果形態(tài)、評價內容與標準如表3 所示。

成效與反思

構建和完善校本課程

此社會性科學議題學習案例在2022 年秋季學期進行了教學實踐，授課教師2 人，學生12 人。實施之前進行了周密規(guī)劃，把每周的教學、學習內容撰寫了文本，進行了詳細分工。學生要展開針對太陽能等新能源話題的深入討論，應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)。學生學習了放大電路、控制電路的原理，學習了利用互聯(lián)網在線函數(shù)圖像繪制（圖7）、在線電路設計與分析（圖8），在實驗設計、電路焊接、故障排查等方面的實踐能力得到發(fā)展，科學思維、科學探究素養(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、經濟、政治、環(huán)境等維度。引導學生基于太陽能路燈系統(tǒng)的科學問題，延伸到太陽能光伏系統(tǒng)的其他應用場景；從新能源使用的歷史、現(xiàn)實與未來展望，認識到能源利用、經濟發(fā)展與環(huán)境保護的關系；了解“碳達峰”“碳中和”戰(zhàn)略的實施背景，踐行低碳生活理念。學生在相關領域內容的資料檢索、信息加工、轉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)，限于學生的知識儲備，對其他小組的提問和質疑的回應，在使用多方證據(jù)闡釋、論證的能力有待發(fā)展。

達成和落實教學目標

在此社會性科學議題學習案例實踐過程中，授課教師通過任務和活動分解目標。學生通過議題學習，在學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。例如未進行議題學習之前，學生不清楚放大電路的原理；進行議題學習之后，學生不僅能夠講清原理，甚至能設計出更復雜的放大電路，實現(xiàn)了知識上的遷移。學生的學習理解、應用實踐和遷移創(chuàng)新可以通過題目檢測實現(xiàn)。

在論證過程中，學生越來越多地使用事實和科學證據(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?？茖W思維不僅是科學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、能量轉化、化學反應知識，促進了知識的整合和遷移應用。在社會性科學議題學習的過程中，學生的推理論證、質疑創(chuàng)新的科學思維水平得到提升。

從目標達成情況看，社會性科學議題學習是促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展的優(yōu)質途徑，有助于學生理解科學本質和發(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，課程融入跨學科元素較多，加上學生學習基礎、學習能力的限制，導致部分活動課時略顯緊張，在今后進行課程迭代實施中，要精簡學習內容，保留圍繞驅動性問題的學習內容，適當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層面從太陽能的學習發(fā)展為太陽能、風能、生物質能的開發(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)展模式轉型。針對課時緊張問題，可以讓不同興趣的學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雜議題的目標。

結束語

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

教師自身在課程中的定位也很重要。教師在社會性科學議題學習課程實施中不能定位于某一學科的指導者，只負責自己學科內部相關內容的教學。學生未來遇到的問題是綜合與復雜的，并不一定局限于某一學科，面向未來的教學應該是多學科、跨學科，甚至是超越學科的，所以教師也應該不斷提升自我，掌握科學技術的應用，了解科技發(fā)展的動態(tài)，加強跨學科知識的學習，在教學中不斷融入我們的教育智慧，激發(fā)學生的學習動機，為發(fā)展學生的核心素養(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第二附屬中學“社會性科學議題學習項目”研究成果（項目號：1222000817）；北京物理學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（批準號：WLXH222114）。