基于真實問題情境的STSE綜合實踐活動設計

李法瑞

摘要：基于真實情境引導學生提出有價值的探究問題是發展核心素養的一項重要實踐策略。本課題緊緊圍繞“探秘地鐵車廂中CO₂濃度與人體健康的關系”這一問題情境設計STSE綜合實踐活動，希望學生能夠通過以分析化學方法與原理切入，兼顧人體健康、工程技術領域探究的跨學科學習，培養學生勇于創新的實踐品質和善于運用科學探究方法進行問題解決的思維品格。

關鍵詞：真實問題情境;STSE;綜合實踐活動;空氣質量;人體健康

文章編號：l008-0546（2020）06-0064-04 中圖分類號：G632.41 文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.017

綜合實踐活動是區別于學科課程的一門非學術性課程，主要是通過學生的親身實踐，學習科學研究的方法、增強科學探究的能力、加深對社會的了解、加強課堂知識和社會生活的聯系。它不僅有利于學生提升化學研究能力、拓展化學視野、增強社會責任感，更為今后他們進一步開展其他活動積累經驗。《普通高中化學課程標準（2017版）》突出了STSE（科學.技術.社會.環境）綜合實踐活動的重要地位，分別設置了“STSE綜合實驗”和“STSE綜合實踐”主題，強調“要倡導真實問題情境的創設，開展以化學實驗為主的多種探究活動，轉變學生學習方式，培養其創新精神和實踐能力”和“要圍繞資源、能源與環境等與可持續發展密切相關的問題開展綜合實踐。

一、活動實施背景

現今，地鐵已成為全國各大城市的重要通勤方式之一。隨著國家現代化進程的深入推進，越來越多的人們將會選擇地鐵出行。由于地鐵車廂身處較為封閉的地下環境中，當人流擁擠或出行高峰時，一些身體條件較差的人常常會感到不適。據報道，2015年4月20日早8點30分，深圳地鐵5號線黃貝嶺站一名乘客因不明原因在站臺上暈倒，引起站臺部分乘客恐慌擁擠，導致9名輕微受傷乘客被送往醫院。近年來，類似有乘客在地鐵站內暈倒事件時有發生。2018年10月的一天，本課題組成員在早高峰乘坐地鐵出行時，巧遇一位老年人在密集的人流中突然暈厥的事件，同學們紛紛伸出援助之手，第一時間撥打120并聯系站內工作人員。事發之后，同學們及時向我反映了這一突發事件。隨后，我帶領同學們討論這位老年人突然暈厥的可能原因。有位同學大膽提出一個值得探究的科學假設：老年人身體不適可能與地鐵這廂內CO₂濃度過高有關！

隨后，課題組成員通過文獻調研，認同這位同學所提科學假設的科學性和可行性。因為，研究表明大氣CO₂是重要的溫室氣體，全球暖化的元兇之一。與此同時，室內CO，對人體健康影響及行車安全顧慮更是不容忽視的主因之一，生活中CO₂是人類每時每刻都在制造卻經常被忽略的氣體。數據顯示，人體暴露在3%濃度（體積分數）的CO₂中幾個小時后，人類的呼吸系統就會產生不適，會造成頭暈或呼吸不暢;暴露在7%濃度的CO₂中幾分鐘，就會造成意識喪失;而暴露在15%濃度的CO₂中會立刻威脅到生命。CO₂對人體造成危害的方式主要是通過排擠空氣中的氧氣，降低氧氣濃度;同時提高血液中CO₂的濃度，造成呼吸系統、神經系統方面的損傷。

由于老年人突然暈厥的事件發生時，正值客流高峰，車廂內部人群非常擁擠，空氣憋悶，缺少新鮮且充足的氧氣，加之老年人身體基礎條件相較于青年人差，所以引發了此次事件。大家商議之后，隨即成立課題組就這一問題展開實驗探究，開展“探秘地鐵車廂中CO₂濃度與人體健康的關系”實踐活動。

二、教學價值分析

1.立足真實情境，提出探究問題，強化共同參與社會問題的責任

本活動選取“地鐵車廂CO₂濃度”這一貼近生活的社會熱點與難點問題，通過引領學生走進社會真實情境，進一步探究空氣質量與人體健康等問題，通過“呵護生存環境”等“新課標”中所倡導的主題學習實踐活動，了解相關污染物及其危害，為消除危害提供研究支撐，在強化公眾共同參與環境治理的責任的同時，也為新課標“環境問題及其處理”模塊相關內容提供有益補充。

2.基于項目學習，開展綜合實踐，運用科學實驗破解生活的難題

由師生共同組建的“探秘地鐵車廂CO₂濃度變化與人體健康關系”課題研究小組，希望能通過項目學習（Project-based Learning，PBL）的方式開展以化學學科為切人口的跨學科教學創新實踐，希望能夠科學分析出早高峰時段地鐵車廂內CO₂濃度變化特征與規律，并嘗試建立CO₂濃度變化特征與人體舒適指數之間的緊密關聯，提出改善地鐵車廂空氣質量的合理化建議，為乘客安全出行保駕護航。

3.指向核心素養，實現跨界學習，引領不同領域探索的創新成長

為了深度學習并參與“探秘地鐵車廂CO₂濃度變化”這一與STSE緊密關聯的綜合實踐活動，課題組商議決定實施三個主題的探究活動（圖1）：（1）運用數字化實驗技術繪制地鐵干線CO₂濃度變化地圖;（2）地鐵CO₂濃度變化與“人體感指數”關系初探;（3）地鐵車廂“智能CO₂濃度平衡系統”裝置創設。在教師的引導下，以期實現在相對應的探究活動中有所側重地培養與發展學生學科核心素養目標。

三、實踐活動設計

1.實踐活動1：基于“化學分析領域”的設計

（1）確定活動主題：運用數字化實驗技術繪制地鐵干線CO₂濃度變化地圖

怎么樣科學準確地測量地鐵車廂CO₂濃度呢？顯然，這需要帶領學生一起學習并運用現代分析化學的原理及其相關技術。因此，為了探究地鐵高峰時段人們感到難受不適的原因，課題組采用便攜式CO₂傳感器等數字化實驗技術開展實驗探究，希望以上海市地鐵2號線冬季早高峰（7-9點）為例，針對現代軌道交通地鐵干線CO₂濃度的變化繪制出地鐵CO₂變化曲線地圖，希望能為城市地鐵建設及規劃提供有益參考。

（2）構思研究思路

經過商議，課題組決定對地鐵車廂內部空氣中CO₂濃度的測量，根據不同站點的實驗數據進行分析并繪制出地鐵運行過程中車廂內部CO₂濃度變化曲線地圖，以期為后續地鐵空氣質量優化研究及人們健康出行提供科學依據。

（3）實踐活動實施

①課題組成員選擇威尼爾Vernier實驗探索者LabQuest2傳感器采集器、CO₂傳感器、濕度傳感器（圖2），于2019年1月21日、22日、23日三個不同工作日的早高峰時段（7-9點），依次完成實驗數據采集;

②每次采集時，成員在上海地鐵二號線的始發站淞虹路站車廂內部（每列地鐵的中間一節車廂的4門之中心點）開展測試，待發車時開啟傳感器采集器、CO₂傳感器、濕度傳感器，實時記錄每個站點的CO₂峰值及濕度;

③記錄數據后，求出平均值，導人電腦繪制出圖像并分析數據的特征值;

④小組討論分析得出相關結論。

（4）實驗活動成果

實驗涵蓋從淞虹路至廣蘭路站，共計19個地鐵站點的數據采集情況（圖3）。其中，南京東路站CO₂濃度峰值最高為2729ppm，其次依次為陸家嘴站2636ppm、人民廣場站2439ppm。而淞虹路站（始發站）為1319ppm，為CO₂濃度峰值最低的站點。

（5）實踐活動總結

實驗全程要經歷19個站點，僅單程就需要1個小時。而且恰逢客流高峰時段，人流密度非常大，實驗數據采集環境欠佳。課題組成員為了確保實驗能夠順利進行，克服了種種困難，完成了實驗全程。實踐表明，該活動的設計有益于學生進行宏觀辨識與微觀探析，有利于培養學生的科學方法、證據意識和創新精神。

2.實踐活動2：基于“人體健康領域”的設計

（1）確定活動主題：地鐵CO₂濃度變化與“人體感指數”關系初探

“化學分析領域”的活動中，課題組運用化學實驗，繪制出一份早高峰各站點車廂內CO₂濃度變化曲線地圖。那么，究竟CO₂濃度變化與人體感受的實際相關性如何呢？為此，課題組開啟了有關“人體健康領域”的實踐活動設計。

該實踐活動設計需要考慮跨學科學習，不僅涉及到2017版化學新課標中“化學與生活”模塊“呵護生存環境”的相關表述，還涉及到《普通高中生物課程標準（2017版）》“健康生活”模塊中的教學建議：“創設情境，開發思維，讓學生將健康知識與解決社會有關健康問題結合起來，培養社會責任感”。

（2）構思研究思路

為了解決這一問題，課題組嘗試提出“人體感指數”概念，通過運用社會調查問卷的方法，重點關注地鐵車廂CO₂濃度變化與乘客在對應站點的“人體感指數”的關聯程度，探究地鐵車廂內CO₂濃度變化特征對人體主觀感受程度的影響。

（3）實踐活動實施

①設計客流高峰時段，乘客地鐵出行主觀感受問卷，包括：年齡、性別、現場人體感指數級別、現場體感不舒適的原因、地鐵空氣質量認知度等多個指標及維度;

②在運用傳感器監測車廂內部CO₂濃度實時數據的同時，課題組其他成員通過現場發放問卷的形式，對“人體感指數”等指標開展調查;

③結合現場訪談，補充乘客主觀舒適度調查數據。

（4）實驗活動成果

課題組通過人體感指數數據（圖4）與CO₂濃度數據分析得出，人體感指數（實時感受舒適度）與CO₂濃度變化趨勢呈負相關，當CO₂濃度有升高趨勢時，人體感指數趨于下降;反而反之。同時，提出出行建議：由2號線早高峰CO₂濃度變化地圖和人體感指數變化圖共同得出，在早高峰時段，南京西路到世紀公園的CO₂濃度相對較高，建議錯峰出行。

（5）實踐活動總結

課題組首次提出“乘客在地鐵車廂內部的人體感指數”這一概念，用于研究上海市重點地鐵線路，嘗試建立研究具有創新性。課題組成員經常召開臨時會議，充分表達交流、反復查閱求證，最終起草出較為滿意的調查問卷，開展了創造性的研究工作。不僅有效增強了學生基于真實問題情境開展STSE綜合實踐活動的內驅力和創造力，也賦予了學生為改善地鐵運營環境，提供研究依據的使命感。

3.實踐活動3：基于“工程技術領域”的設計

（1）確定活動主題：地鐵車廂“智能CO₂濃度平衡系統”裝置創設

那么，有沒有優化地鐵車廂空氣質量的方案，以提升高峰時段人體感指數呢？為此，課題組嘗試從工程技術領域突破，最終確定出該活動的主題任務，即：完成一份《關于地鐵車廂“智能CO₂濃度平衡系統”裝置創設》的創意方案。

（2）構思研究思路

創意方案的完成，需要借助高中《通用技術》領域的相關知識儲備和實踐能力運用。通用技術學科核心素養主要包括：技術意識、工程思維、創新設計、圖樣表達、物化能力五個方面。顯然，在該活動設計中，鑒于學生現有的知識結構和實踐能力基礎，對于“物化能力”暫不做過多要求。而僅需要學生在活動中，運用技術意識和工程思維，提出一份創新設計方案并進行圖樣表達即可。

（3）實踐活動實施

①研究地鐵車廂的現有內部構造;

②查找可能地鐵車廂中引起高峰時段CO₂濃度偏高的薄弱之處;

③通過互聯網及相關文獻資源，提出“智能CO₂濃度平衡系統”研發設想;

④通過圖樣表達，進行交流展示。

（4）實驗活動成果

課題組提出了如圖5及圖6所示的科技創意方案。

核心部件為CO₂固定載體模塊，它是一種密閉系統CO₂控制器仿真模型，以Labview軟件為平臺與硬件連接，作為實際控制器，通過對密閉系統中CO₂濃度的監測以調節CO₂固定載體模塊的使用時間，進而影響密閉系統CO₂和O₂濃度，從而達到自動調控密閉系統中CO₂和O₂平衡的目的。

（5）實踐活動總結

在該活動實施過程中，雖然課題組成員沒有將其提出的設計方案最終物化成實物模型，但是這不影響他們在STSE綜合實踐活動中對“有理念、會設計、能動手、善創造”的通用技術課程目標的理解和體驗。通過該活動，課題組成員最終完成了從“地鐵車廂CO₂濃度變化地圖繪制”，到“人體感指數提出并應用”，再到“智能CO₂濃度平衡系統創設”的跨學科學習體驗。

四、實踐活動反思

1.基于生活化的問題情境，有利于激發學生的創新探索熱情

“探秘地鐵車廂中CO₂濃度與人體健康的關系”的活動設計，立足真實情境、基于項目學習、指向核心素養，通過緊密銜接、相互關聯的三個主題活動，有效地激發起學生的探究熱情，賦予他們勇于創新、勤于實踐、敢于質疑的寶貴品質。

2.基于問題化的系列設計，有利于鍛煉學生的問題解決能力

在這個主題突出、問題鮮明、時代感強的STSE綜合實踐活動中，課題組成員基于真實的問題情境，逐一解決了“地鐵車廂中CO₂濃度”“人體感指數關聯性建構”和“CO₂智能平衡系統創設”三個重要問題，提升了問題解決能力。

3.基于實踐不足之處探討，有利于學生核心素養的持續發展

然而，課題組成員也清楚地認識到實踐活動中尚存一定的不足之處。比如，采用便攜式手持技術分析設備，所得數據的精密度是否經得起驗證？人體感指數的概念界定及指標構建是否科學完善？CO₂智能平衡系統是否可以真正落地開花、造福于民？我們認為，教師要在把握好科學方法的前提下，指導學生科學的開展實踐探索，指導他們領悟創新實踐的魅力，同時也要適當兼顧教育留白，而恰恰能夠讓他們能意識到研究的不足才是有益于他們核心素養持續發展的可貴之處。