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[专题]高中社会性科学议题的跨学科实践活动设计与实施——北京城区大范围使用太阳能路灯的可行性分析

文_韩立新 王春艳 罗建勇 张 慧 杨帆凡/北京师范大学第二附属中学

2023-03/总第324期

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议题背景

人类活动释放了大量温室气体,使得大气中温室气体的浓度显著升高。温室效应不断加剧会产生一系列不可预测的全球性气候问题。中国政府承诺:二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。实现目标的关键问题是找到可替代化石燃料的新能源,例如太阳能、风能等可再生能源,同时保证能源供应和安全。

在现行课程标准中,物理学科在“静电场及其应用”“静电场中的能量”“电路及其应用”“电能和能量守恒定律”章节中,多处涉及电能利用问题、能量问题和能源问题。化学学科在“电化学基础”章节中涉及原电池、化学电源、电解池的内容,“保护生存环境”章节中涉及改善大气质量内容。生物学科在“人与环境”及“生态工程”章节涉及碳足迹、生态足迹等与能源相关的概念,提出正确处理环境保护与经济发展的关系,践行经济社会与生态相互协调的可持续发展理念。地理学科在选择性必修部分多处提及能源安全、全球气候变化与国家安全,将能源开发利用、环境保护问题提升至更高层面。从以上学科内容中抽取重要的核心概念(能量、化学电源、环境)和重要规律加以组织,结合当前的能源危机与气候治理社会背景,以“太阳能路灯”为载体的社会性科学议题学习主题在这样的背景下应运而生。社会性科学议题学习不仅强调科学与技术的有机结合,同时还要融入道德情感与价值判断,以加深学生对科学本质的理解。


议题设计

本着遵循学生的认知规律、围绕重要概念、指向学生素养发展的教学模型,进行跨学科议题的顶层设计。通过“太阳能路灯”议题的实施,试图达成如下教学目标:让学生了解光电转化原理、蓄电池的电化学原理,对路灯明暗进行定量描述和测量,能自行分析和设计三极管放大电路;学生要搭建起太阳能路灯模型,模拟白天充电和夜晚点亮;学生要在了解路灯建设成本和管理方式的情况下,结合自然资源的利用与保护,对北京城区大范围使用太阳能路灯的可行性作出分析。

本议题涉及物理、化学、地理多个学科,要解决问题必须要打破学科之间的壁垒,不同学科教师聚在一起,借助星形图教学工具确定议题的星形结构,组织教学目标与内容(图1)。

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图1 “太阳能路灯系统”议题星形图

第一步:主题设计 以“太阳能路灯系统”为内容载体,设计校园中的太阳能路灯系统,完成模型搭建。贯穿始终的驱动性问题是“分析北京城区大范围使用太阳能路灯的可行性”。将议题分解为贯穿整个活动的系列驱动性问题,这些问题涵盖了科学领域、技术领域和社会领域,指向学生科学思维的发展。

●  根据拟定的照度要求,路灯需要使用多大功率的光源才能满足要求?

●  如果已知路灯所在位置的经纬度,估算光伏组件安装的方位角和倾斜角。

●  太阳能控制器在整个路灯系统中起什么作用?

●  清洁能源的种类及其应用情况如何?

●  从新能源使用的历史、现实、政策等多维度展望未来,预测北京城区大范围使用太阳能路灯的可能性。

第二步:任务设计 通过3个任务承载议题的科学要素。任务1主要讨论供电问题,拆解成确定照明需求、确定光源和组件功率3个子任务;任务2讨论储电问题,2个子任务分别为确定蓄电池种类和确定蓄电池容量;任务3是控制问题,分为开关控制和充放电控制。随着这些承载着科学要素的任务推进,学生活动中穿插以小组为单位的研讨,比如路灯供电方式的变迁,蓄电池带来的便利及其对环境的破坏,路灯及其他场景采用太阳能光伏系统供电的可行性等。这一方面体现了驱动性问题的统领作用,更重要的是让学生有了一种解决科学和社会性问题交织在一起的初步解决思路,相当于为整个议题解决搭了台阶。整个议题的任务设计结构如表1所示。

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议题实施

任务1. 计算供电参数

情境1 不同场所夜晚的亮度是不同的,繁华的商业区往往灯光明亮,而住宅区的灯光则相对幽静。不同道路的照明要求有什么依据呢?为校园设计路灯系统,你准备怎么确定校园道路的照明要求呢?

活动1 学生自主检索道路照明设计标准。要看懂标准就得学习光度学知识,这个环节的科学内容涉及能量、单位时间的能量、单位时间单位面积的能量等概念,在物理学科教学中对这些概念有较高的要求。光度学知识可由学生先自学,再由教师以翻转课堂的形式指导学生学习。

情境2 市场上可选择的路灯种类繁多。按照发光原理,用于路灯照明的常用光源有金属卤化物灯、高压钠灯、LED灯等。不同的光源性能各有不同,应该如何选择呢?作为工程师,需要对比不同光源的性能,针对实际使用需求选择光源。

活动2 学生自主学习各种光源的发光原理及其优缺点,选择路灯使用的光源种类,并说明选择依据。关注与了解身边事物是学生学习的一个重要途径,家庭及公共场所的灯具材质、款式、应用场景等不尽相同,从科学视角认识自然,认识我们生活的世界是一种认识方式,具有相对普适性,但同时也存在局限性,要以此激发学生的学习动机。

活动3 讨论和论辩:路灯变迁史、灯具性能的评价。学生选择一条自己熟悉的街道,用所学的知识与社会发展要求对该街道的路灯设计进行评价,并结合使用感受提出改进意见。

情境3 太阳能路灯使用的电能是光伏组件产生的,因此需要选择合适的光伏组件,以满足路灯的用电需求。由于光伏组件产生电能受天气环境、自身发电效率等的影响,而路灯的用电量也受到当地气象条件的影响,因此要确定太阳能光伏组件的功率要综合考虑需求和供给。


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