高中社会性科学议题的跨学科实践活动设计与实施

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）。

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。

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。

活动4 计算光伏组件功率。假若校园路灯的功率为20 W，工作电压为直流5 V，每晚工作6 小时，蓄电池的充放电效率为0.85（即蓄电池在储存和释放电能的过程中，会损失15% 的能量），当地的平均峰值日照时间为4.21 h，对1 盏LED 路灯，为满足其用电需求，需要选择多大功率的光伏组件？表2 列出了计算步骤与结果。

活动5 学生计算确定光伏组件的功率后，为了让光伏组件最大限度地接受太阳光，还需要选择合适的安装角度。安装角度用2 个参数表征：方位角和倾斜角（图2）。

活动6 交流研讨。如果学校位于东经116°、北纬40°附近，请运用地理学知识估算光伏组件安装的方位角和倾斜角，并阐明理由。

活动7 交流研讨。随着常规能源的不可再生性及环境问题的日益突出，以环保与可再生为特质的新能源越来越受到重视。在相关资料检索的基础上，研讨北京地区能源利用现状及新能源利用前景，可从北京市太阳能资源储量、资源地区分布、资源特征、开发现状等角度加以阐述。

任务2. 选择储电设备

情境4 对于独立运行的发电系统，白天需要将电能转化为其他形式的能量储存起来，晚上再将储存的能量释放出来，保证稳定持续的供电。太阳能路灯系统常用的储电设备主要是各种各样的蓄电池。

活动8 头脑风暴。作为工程师，请思考，太阳能路灯系统的蓄电池应该满足什么要求？交流探讨常见的蓄电池种类有哪些？储电原理、优缺点分别是什么？哪类蓄电池满足太阳能路灯系统对蓄电池的要求？蓄电池的使用和回收处理对人类生存环境有什么影响？

情境5 在选择好蓄电池的种类以后，接下来需要确定蓄电池的规格。蓄电池的规格主要包括电压和电池容量。电压是指开路电压，可以用电压表初步测试。电池容量是衡量电池性能的重要性能指标之一，它表示在一定条件下（温度、终止电压等）电池放出的电荷量，通常以“安时”（A·h）或“毫安时”（mA·h）为单位（图3）。

活动9 动手实践。测量锂离子电池（磷酸铁锂电池、三元锂电池）的主要参数电动势、内阻、容量及充电效率。电动势与内阻的测量

有2 种方法：①使用测试仪直接测量；②使用电流表、电压表，依据闭合电路欧姆定律测量。

容量测量使用充放电测试仪直接测量。活动10 研究论辩。对于与电网连接运行的太阳能发电系统，电网是最好的消纳和储能系统，不需要配备其他形式的储能设备。是不是对于路灯来说，并不需要离网储能？

任务3. 设计控制系统

情境6 太阳能路灯系统白天通过太阳能板给蓄电池充电，将电能储存起来，晚上蓄电池就是路灯照明的能量来源。控制路灯开和关，就是控制路灯何时点亮，何时熄灭。

活动11 交流探讨。聚焦如何控制路灯的开和关，实现傍晚路灯点亮，凌晨路灯熄灭。路灯的开和关有哪些控制方式？如果你是工程师，你会选择哪种控制方式？请说明选择的理由。依据光的强度作为太阳能路灯开启的依据更符合节能减排的理念和做法。

活动12 动手实践。设计一套路灯自动开关控制系统。实验用具包括多孔板1 块、光敏电阻1 只、LED 发光二极管1 只、8050 三极管1 只、20 k 电阻1 只。参考电路图（图4）所示，将这些元件在多孔板上排布好后焊接牢固。

情境7 如果将光伏组件直接连接蓄电池，在光照很强的时候，太阳能电池板的电压、电流会很大，电池处于过充状态，如果不及时切断，就会损坏蓄电池。阳光很弱或者夜间，组件电压小于蓄电池电压，蓄电池电流又会向电池板倒灌。为了保护蓄电池，需要配控制器，防止过度充电和蓄电池对负载的过度放电。活动13 动手实践。用恒压源（学生电源稳压6 V）给标称值为6 V 的铅蓄电池充电，记录不同时刻的电流值，研究充电电流随时间变化的关系。

活动14 思考与探究。太阳能控制器能实现哪些功能？（提示：在光伏系统中，蓄电池的寿命长短是影响整个系统维护成本的重要因素，而过度充电和过度放电都将大大缩短蓄电池的使用寿命，所以需要对蓄电池的充放电进行控制。控制器是一个管理蓄电池的设备，其最重要的功能是防止蓄电池过度充电。控制器监测电池电压，当电压达到预设值时，会放慢或结束充电。）

活动15 动手实践。搭建并测试太阳能路灯系统，组件包括光伏组件、蓄电池、控制器、路灯，如图5、图6 所示。

任务4. 议题论辩与演讲

情境8 随着前面3 个具体任务的完成，学生已经把太阳能路灯的结构组成及其包含的科学、技术因素分解学习完毕，对议题的科学性和社会性已经有了较为丰富的认识。此时可以让学生有一个全面的系统思考并撰写报告，最后通过答辩演讲的形式向全体同学宣讲。

活动16 答辩演讲。参考星形结构图，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。

成果与评价

本社会性科学议题活动的成果形态、评价内容与标准如表3 所示。

成效与反思

构建和完善校本课程

此社会性科学议题学习案例在2022 年秋季学期进行了教学实践，授课教师2 人，学生12 人。实施之前进行了周密规划，把每周的教学、学习内容撰写了文本，进行了详细分工。学生要展开针对太阳能等新能源话题的深入讨论，应先体验新能源利用的真实场景，自己亲自动手搭建太阳能路灯系统。学生学习了放大电路、控制电路的原理，学习了利用互联网在线函数图像绘制（图7）、在线电路设计与分析（图8），在实验设计、电路焊接、故障排查等方面的实践能力得到发展，科学思维、科学探究素养水平得到提升。

太阳能路灯系统的可行性分析，涉及科学、经济、政治、环境等维度。引导学生基于太阳能路灯系统的科学问题，延伸到太阳能光伏系统的其他应用场景；从新能源使用的历史、现实与未来展望，认识到能源利用、经济发展与环境保护的关系；了解“碳达峰”“碳中和”战略的实施背景，践行低碳生活理念。学生在相关领域内容的资料检索、信息加工、转化和成文演讲的能力也有明显进步，论证的证据意识显著增强。但在提问、辩论环节，限于学生的知识储备，对其他小组的提问和质疑的回应，在使用多方证据阐释、论证的能力有待发展。

达成和落实教学目标

在此社会性科学议题学习案例实践过程中，授课教师通过任务和活动分解目标。学生通过议题学习，在学科知识层面上达到较高的程度，同时素养水平等级也有明显提升。例如未进行议题学习之前，学生不清楚放大电路的原理；进行议题学习之后，学生不仅能够讲清原理，甚至能设计出更复杂的放大电路，实现了知识上的迁移。学生的学习理解、应用实践和迁移创新可以通过题目检测实现。