基于SWOT論證模型的化學社會性科學議題單元教學設計

楊艷君 嚴文法

摘要： 新課程標準強調發展學生的科學態度與社會責任，要求學生能有意識運用所學的知識或尋求相關證據參與社會性議題的討論。圍繞“鈉離子電池電動車的應用前景”這一議題設計單元教學，使用化學SWOT論證模型圍繞鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鈉離子電池這三種電動車動力電源展開論證，在問題沖突的解決中培養社會決策能力，樹立化學相關領域的職業生涯規劃。

關鍵詞： 社會性科學議題； SWOT論證模型； 鈉離子電池

文章編號： 1005-6629（2023）03-0048-07

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 問題提出

化學及化學技術在交通運輸、公共衛生、工農業生產等方面貢獻巨大，在傳統教學中卻往往被視作孤立的事實，與學生的實際生活割裂。因此，《普通高中化學課程標準（2017年版）》（以下簡稱“新課標”）指出要“結合學生已有的經驗和將要經歷的社會生活實際，引導學生關注人類面臨的與化學有關的社會問題”“能對與化學有關的社會熱點問題作出正確的價值判斷”“積極參與有關化學問題的社會決策”［1］。

社會性科學議題（SocioScientific Issues， SSI）指出現在新聞、互聯網等媒體中能引發爭議的社會熱點問題，將與科學相關的概念、程序或技術作為背景，利用跨學科知識作為證據進行循證推理與決策，培養學生的道德品格［2］。化學教學中的SSI要符合以下遴選標準：真實性、實用性、未達成社會共識，允許公開討論以及與化學核心概念相關［3］。

2? 化學社會性科學議題的實施策略

2.1? 化學SWOT論證模型

賦予學生數據收集和論證分析的能力是處理社會性科學議題的先決條件。化學SWOT論證模型在美國斯坦福研究院提出的SWOT分析法的基礎上修改而成，由優勢、劣勢、機會和威脅這四個模塊構成（見圖1），是賦予學生數據收集、加工能力的潛在工具和進行反思論證的關鍵媒介［4］。

2.2? SSI學習模式

隨著SSI被視為培養學生科學素養有效工具并被納入科學教育，不少研究者基于教學實踐提出相應教學模式。本研究參照Ramsey［5］以及Wattanasupinyo等人［6］的研究提出如圖2所示的SSI學習模式。

該模式共分為四個層次。（1）識別層次：根據遴選標準確立有利于發展化學學科核心素養的議題，查找相關資料；（2）覺知層次：運用化學SWOT論證模型從科學觀念和社會實踐角度出發剖析焦點問題；（3）決策層次：站在不同角色角度制訂解決方案，在辯論后重新評估并修正解決方案；（4）反思層次：回顧探究過程，對涉及的學科概念進行編碼和記憶孵化。

3? “鈉離子電池電動車的應用前景”單元教學設計

基于SSI學習模式設計“鈉離子電池電動車的應用前景”的教學任務，共分為三個課時。其中“識別層次”需要在課前由學生自主選擇獨立完成或小組合作完成，其余三個環節各占一課時。從議題啟動到完結共歷時一個月，為確保學生有充裕的時間準備，每節課間隔一周。具體教學流程如圖3所示：

3.1? 問題驅動，議題引入

［背景信息］隨著巴黎氣候變化協定的簽署以及我國碳達峰、碳中和重大決策部署，發起低碳能源變革成為國家乃至全球面對的首要任務，鈉離子電池隨之受到國內外的廣泛關注并取得重大進展。我國鈉離子電池技術世界領先，不僅推出了全球首輛鈉離子電池低速電動車，一些知名企業也正在著力打造搭載鈉離子電池的電動車。

［問題提出］有人聲稱鈉離子電池能推動電動車的技術變革，有人則擔心它會步鎳鎘電池的后塵迅速被市場淘汰，你贊同哪種觀點？如果鈉離子電池電動車進行商業化生產，你會推薦家人購買么？

［資料查詢］學生對化學電源的了解集中在教科書的內容，鮮少清楚其在電動車中的具體運用，對鈉離子電池的概念更加模糊。在批判性問題情境中，教師指導學生在中國知網等網站檢索文獻資料，了解電動車動力電源的發展歷程；推薦學生瀏覽“寧德時代”等官方網站了解我國先進的電動車動力電源的創新理念和前沿技術；引導學生通過報刊、雜志、新聞等媒體知曉相關的政策背景；鼓勵學生到當地的汽車銷售企業進行市場調查，統計現有的電動汽車搭載的動力電源類型，并對消費者進行采訪，進而對議題進行初判。

（1） 發展歷程：

首輛干電池三輪車由美國于1834年制造，可充電鉛酸電池三輪車由法國于1881年制造。電動車比燃油車發展更早，但化石燃料開采量增大和內燃機技術提高導致燃油車迅速占領市場。近年來，基于化石能源危機和環保需求，研發電動汽車取代傳統汽車的呼聲越來越高。雖然鈉離子電池和鋰離子電池幾乎同時投入研究，鋰離子電池技術基本成熟，鈉離子電池的發展卻相對滯后，近年來才受到廣泛關注，全球鈉離子電池產業化布局如圖4所示。

2018年，我國首家鈉離子電池企業中科海鈉推出全球首輛搭載鈉離子電池的低速電動車。2021年，寧德時代發布第一代具有高能量密度等優良性能的鈉離子電池。我國鈉離子電池不論是在材料體系和電池綜合性能等技術研發方面，還是在產業化推進速度、示范應用、專利布局以及標準制定等方面均處于國際前列，已具備了先發優勢［8］。

（2） 政策背景：

國務院《關于加快培育和發展戰略性新興產業的決定》將新能源汽車作為“十三五”時期重點發展的產業之一，《中國制造2025》中也將其列入十大重點發展領域。

2021年《關于加快推動新型儲能發展的指導意見》指出要加快飛輪儲能、鈉離子電池等技術開展規模化試驗示范。同年10月，工信部稱有關部門將支持鈉離子電池加速創新成果轉化，在新能源電站、交通工具等領域加快應用，推動鈉離子電池全面商業化。

設計意圖：

設置驅動型問題鏈促使學生利用教材、課外書籍、報刊雜志等文本資源和信息技術資源獲取信息，深入閱讀分析文獻資料，結合調查走訪等多種形式自主學習。初步了解電動車發展與能源儲備、物理學科發展及政策變化的關系，感受多學科的知識遷移。增進對我國在新能源電池方面取得的世界領先的突破性進展的了解，培養學生精益求精的工匠精神，激發學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

3.2? 議題討論，科學解釋

作為電動車動力源，鈉離子電池的主要商業競爭對手是鉛酸蓄電池和鋰離子電池。這三種二次電池的工作原理是什么？作為電動車的動力源，哪一種電池的綜合性能更佳？

學生進行小組合作，結合查閱的資料及調查走訪的結果，使用“化學SWOT論證模型”對這三種電池的電池容量、原料來源、生產成本、安全性能等因素進行分析。

化學電源的工作原理隨正負極材料和電解液的變化略有差異，教師指導學生分析如下三種典型的二次電池（表1）。

鈉離子電池工作原理和鋰離子電池相似，見圖5。充電時鈉離子從正極晶格脫出使正極電極電勢升高，經電解質遷移并嵌入負極晶格；電子經外電路流向負極使負極電極電勢降低，正負極電壓差升高完成充電。放電時鈉離子從負極脫出并重新嵌入正極晶格，電子從負極流向正極，為所連用電器供能。

三種動力電源SWOT分析示例見圖6、7、8［10～14］。

設計意圖：

借助學科知識和自身經驗對參考資料中與三種化學電源密切相關的信息進行提取、篩選、整合與對比分析，培養學生全面看待問題的科學態度。觀點的碰撞能加深學生對二次電池工作原理的認知，了解結構差異對二次電池比能量、比功率等電池性能的影響，將原子結構、元素周期律等概念和能量轉化相結合，認識到化學學科核心概念間的聯系性。了解影響二次電池性能的多重因素，關聯不同的學科知識，推進概念的轉變，構建完整的知識體系［15］。

3.3? 角色扮演，批判辯論

選擇5組學生分別承擔環保主義者、消費者、生產者、科學家、經濟學家5種身份，在教師幫助下了解自身角色職責，對三種電動汽車的動力源進行批判性分析，組間溝通并梳理身份差異引發的爭議性問題，根據科學文章、政府報告、調查走訪等方式收集到的信息提前制定解決方案。在教師的組織下召開研討會，各組派一名代表以科學海報（如圖9所示）、PPT或其他形式匯報討論結果。

其余學生作為“記者團”進行提問，例如“鉛酸蓄電池電動車污染嚴重，是否應禁止生產”“鋰資源價格急劇上漲，成本壓力是否會轉嫁到消費者身上”“該如何避免鋰離子電動汽車自燃甚至爆炸”“延長鈉離子電池電動車續航里程面臨的瓶頸是什么”等等。小組成員提供證據回應“記者”問題，或持懷疑態度反駁其他組的觀點并展開辯論。不同身份對三種電動汽車的評估方向示例見圖10。

設計意圖：

角色設置能幫助學生確立環境影響、能源儲量、經濟利益、生命安全等沖突，了解到產品的推行會面對來自不同社會維度的動力和阻力，認識到個人、社會、國家乃至超國家層面存在利益的一致性和沖突性，增強對問題的情感參與，對不同身份產生共情。

在為研討會做準備時，學生從不同渠道搜集資料，評判資料的有效性和可信度，從多種角度重新解釋并加工信息，聯系學習經驗和調查內容，強化對核心概念和學科觀念的理解。“答記者問”環節中，“記者”在問題表征的驅動下做充足準備以突出該議題所涵蓋的科學、社會交叉矛盾，提出更具挑戰性的問題，增進對材料的理解深度。答辯者則將學校經驗與真正的社會辯論相聯系，在認知沖突中激起思維的轉化，領悟所扮演角色肩負的社會責任。

3.4? 科學決策，反思評價

辯論后重新審視議題，學生一致認為鈉離子電池目前發展不夠成熟，暫時無法撼動其他電動汽車動力源的市場地位，且三種電動汽車均面臨不同層面亟需解決的問題。小組成員在此基礎上修正之前擬訂的解決方案，派代表匯報。

以下是針對三種電動車的解決方案示例。

（1） 鉛酸蓄電池電動車——優化回收工藝，提高再生效率。

鉛酸蓄電池平均使用年限為3年，報廢量高但再生鉛制造率低，因此對鉛膏進行脫硫處理并優化回收工藝是解決環境問題和成本問題的關鍵。2022年高考化學全國乙卷中提及的鉛回收流程（見圖11）就是一種制造再生鉛的有效方法。

（2） 鋰離子電池電動車——完善制造工藝，提升安全性能。

新能源電動車由于短路導致熱失控并爆燃是消費者最擔心的問題，也是鋰離子電池現下面臨的最棘手的問題。三元鋰電池憑借能量密度高、循環性能好等特點成為動力電池的主流材料，卻在安全方面飽受詬病。

可以選擇B2O3、 Al2O3等金屬氧化物作為包覆材料避免電極和電解液的直接接觸，提高穩定性［16］。傳統鋰電池電解液是六氟磷酸鋰基碳酸酯溶液，在高溫下易揮發并燃燒，可選擇亞硫酸乙烯等有機硫溶劑作為電解質［17］。

隔膜同樣會影響電池的安全性能。聚乙烯（PE隔膜）和聚丙烯（PP隔膜）的熔點相對較低，易發生熱收縮而失效，造成電池嚴重短路。對隔膜進行改性，或者研發Al2O3納米陶瓷粉末等耐熱性和熱穩定性俱佳的復合隔膜，可以降低鋰電池的短路風險［18］。

（3） 鈉離子電池電動車——制定產品標準，擴充市場容量。

鈉離子電池可沿用現有鋰離子電池的生產工序和成熟的產業鏈，因此，材料體系的選擇、合成及工藝的調整優化、產品規模化是亟待解決的問題。由中科院物理研究所牽頭起草的全球首部鈉離子電池團體標準《鈉離子電池通用規范》的發布，提高了鈉離子電池的檢驗規范和質量標準，有助于維系市場秩序，迎來鈉離子電池電動車快速發展期。

［回顧反思］

帶領學生回顧角色扮演過程，提煉與電動車動力電源性能相關的化學學科核心概念，回憶、理解、內化所學內容，促進學習成果從發展概念的有意義理解轉變為生成更高層次思維能力。

梳理“問題識別→資料檢索→制訂方案→批判質疑→修正方案→回顧反思”的科學決策一般過程，通過科學寫作對自己在資料搜集、小組討論、辯論匯報中的認知行為進行自我審問和監督，反思信息效率、工作質量、所遇障礙及解決方法。回想問題解決時運用了哪些策略以及為什么要運用這些策略。了解自己在科學探究中的優勢和局限，在培養元認知能力的同時提高自我效能感，對更復雜或更具思維挑戰的SSI活動產生探究渴望。

4? 化學社會性科學議題教學建議

4.1? 聚焦學科核心概念，遴選社會性科學議題

要凝練學科觀念，選擇和學科知識高度匹配的社會性科學議題。例如，“污水排放和處理情況”可以在氮磷元素代謝與回收中融入氧化還原反應，亦可與化學能、反應熱相結合；“汽車尾氣處理”中催化劑的選擇可以鏈接化學反應速率、元素周期表等核心概念；“對二甲苯（PX）的利弊剖析”則與烴及烴的衍生物、官能團等聯系緊密。在議題的討論與決策中嵌入化學學科核心概念，在培養學生社會決策能力的同時推動概念轉變，增進學科理解。

4.2? 教師充當“腳手架”，營造自主學習氛圍

要明確自身“腳手架”的作用，結合學生能力水平設計適宜的探究活動，提供自主學習的機會。監督學生的學習參與度，教授資料檢索和辯證分析的一般方法，幫助理解并使用化學SWOT論證模型。設置與議題關系密切的身份角色，協助學生理解不同身份對應的職責并確立與之匹配的評估方向。允許學生提出不同層次的解決方案，不應拘泥于答案的唯一性。

4.3? 發揮遷移價值，實現素養進階

在SSI的背景下創設信息化的學習環境，將材料科學、環境科學、能源科學和信息科學相融合，根據產品性能、經濟效益和環境影響等因素做出決策，形成反思關聯多學科領域的意識。

要充當學生思維發展的催化劑，設置能引起認知沖突的問題鏈，讓學生認識到自身能力與實際問題解決的需求的差距，提高在未知情境中挖掘信息和運用信息技術檢索、分析文獻資料的主觀能動性。在小組合作的基礎上進行縝密思考，設計并優化解決方案，培養批判質疑思維、問題解決能力和元認知等素養。

4.4? 進行價值導引，樹立職業抱負

新課標強調“讓學生了解化學前沿發展的面貌與趨勢，激發學生樹立以化學作為專業和職業的興趣和理想”［19］。在化學教學中融入以可持續發展為導向的社會性議題，將科學技術、社會意識與學生生活、未來職業關聯，在問題沖突的解決中增進學生的社會責任感，改善對科學相關性的自我感知，樹立不同領域的職業抱負［20］。辯論時如果學生因價值觀念不同產生矛盾，教師要給予適時的干預引導。

在角色扮演的基礎上，可以補充“碳排放管理員”等新興職業，協助學生了解化學領域涵蓋的工作機遇，激發從事科學工作的熱情，培養職業認同感和歸屬感。

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