整體設計，任務驅動

李園 湯金波 黎珈彤

摘 要：跨學科實踐教學設計要以“培養學生的核心素養”為目標，做到用敏銳的眼光選題、用全局的眼光設計、用具體的任務驅動。具體地，關聯各學科課程標準，選定“塔式太陽能電站”物理跨學科實踐主題；立足物理學科核心素養，制定學習目標；聚焦任務驅動，開展具體實踐。

關鍵詞：初中物理；跨學科實踐；整體設計；任務驅動；塔式太陽能電站

“跨學科實踐”案例系列之四。本文系廣西教育科學“十四五”規劃2022年度專項課題“雙減背景下提高核心素養的數字資源開發與應用——以初中物理學科為例”（編號：2022ZJY021）的階段性研究成果。】

一、 教學思路

“跨學科實踐”是《義務教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）的重要課程內容，具有跨學科性和實踐性的特點。跨學科實踐教學設計與常規課堂教學設計不同，不再局限于課本知識的教授，而要打破學科間的壁壘，著力挖掘可能的教學資源，讓學生直面日常生活、社會發展、工程實踐中的實際課題展開探究，拓展學習的廣度和思維的深度，發展綜合素養。

我們以為，跨學科實踐教學設計要以“培養學生的核心素養”為目標，做到用敏銳的眼光選題、用全局的眼光設計、用具體的任務驅動。這就要求教師不僅有扎實的專業基礎和豐富的學科知識，而且有跨學科教學的意識，去尋找物理知識與其他學科知識的關聯，深挖聯系生活的實例，提出符合初中生探究能力的問題。面對日新月異的科技發展，更要求教師有再

學習的能力，拓展教學

資源，提升學生的社會參與能力，助推學生在多元化的環境中高效探索科學知識，促進學生知識的高路（有意識地）遷移。圖1所示即為我們提煉的跨學科實踐教學設計流程。

（一） 整體設計

1. 主題。關聯課程標準，在對物理及其他學科綜合分析的基礎上，結合社會熱點，從不同學科視角，挖掘學科相通的課標要求，選定主題。

2. 目標。立足核心素養，在對學情進行整體分析的基礎上，結合學科知識，將內容承載的核心素養具體化，制定學習目標。

（二） 具體實施

聚焦任務驅動，在對學生能力水平系統分析的基礎上，結合學業質量測評要求，開展實踐活動。實施的關鍵要素有三個：

1. 課本知識。跨學科主題的選擇要源自課本知識點，以該知識點為中心輻射各個領域，深挖生活中的素材，尋找關聯知識點。

2. 探究實驗（或創新實驗）。引導學生提出高于課本、在真實環境中實用性較強的可探究問題，合理猜想影響因素，并且選擇合適的器材進行相關探究實驗，得出初步結論。

3. 調查研究。引導學生通過調查研究，從各學科的角度多觀察、勤思考、愛動手，提出解決日常生活安全、產品優化、社會發展等

問題的建議，體會“從生活走向物理，從物理走向生活”。

（三） 培養能力

開展跨學科實踐活動，促進學生提出探究問題、合理猜想以及設計開展實驗，有效提升學生的動手能力、思維能力、創新能力、表達能力以及遷移能力，落實核心素養的培養。

二、 實踐過程

（一） 關聯課程標準，選定主題

開發新能源、提高能源利用效率是實現“低碳生活”的重要途徑，我國一直致力于推進新能源技術“革命”。相對于化石能源會帶來環境污染、溫室效應等難以解決的問題，太陽能取之不盡、用之不竭，開發利用過程清潔、環保、噪音小、污染少，是人類理想的能源。當前，太陽能開發利用的技術突飛猛進。與光伏發電相比，太陽能熱發電技術以物理方式進行光電轉換，更為節能環保，對環境的影響小［1］，更好地解決了能量存儲等問題。

大部分學生已經認識到煤、石油、天然氣等當前人類利用的主要能源是不可再生能源，而且煤和石油的儲量有限（天然氣的儲量豐富，但不易開采）。他們對能源危機有一定的感性認識，但對從宏觀的角度考慮能源與人類生存和社會發展的關系比較陌生。

多個學科義務教育課程標準（2022年版）從不同的角度，對能源的開發與利用做了相應的指導（詳見表1）。以此為主題的跨學科實踐能幫助學生更加全面、動態地認識能源與人類的關系。

基于以上考慮，我們選定了“塔式太陽能電站”這一跨學科實踐主題，期望學生嘗試利用太陽能解決某些地區能源使用的問題。

（二） 立足核心素養，制定目標

在分析課標、確定主題后，以物理學科核心素養為主要依據，制定本次物理跨學科實踐的學習目標：

1. 通過查閱資料，了解塔式太陽能電站的工作原理及熱發電的關鍵技術。

2. 通過調查咨詢，了解我國和世界上的已有實例，歸納總結建立塔式太陽能電站的條件。

3. 在組裝塔式太陽能電站的情境中提出可探究的問題，結合化學、地理、生物學等學科知識，合理猜想影響因素。

4. 設計探究實驗（創新實驗）方案，選擇合適的器材進行實驗，通過撰寫實驗報告準確表達實驗目的、步驟、數據、分析、結論等，解釋現象；通過交流評估反思實驗不足并提出改進措施。

5. 模擬工程師工作思路，選一處地址建立塔式太陽能電站，結合地理特征，論證其可行性。

其中，前兩條目標旨在提高學生收集信息、分析數據、歸納總結等能力，主要對應物理觀念和科學思維；第3條目標旨在使學生在實踐中拓寬思維視角，主要對應科學思維和科學探究；第4條目標旨在通過創新實驗提升學生的高階思維能力，主要對應科學思維和科學探究；第5條目標旨在讓學生完成知識的勾連和遷移，主要對應科學思維。而科學態度與責任的培養貫穿整個過程。

（三） 聚焦任務驅動，開展實踐

1. 閱讀材料，初步了解塔式太陽能電站

師 （出示下頁圖2）同學們，知道這是什么嗎？這是塔式太陽能電站，位于青海省德令哈市的戈壁灘上，架設了2萬塊太陽能反射鏡。塔式太陽能電站是怎樣利用太陽能來發電的？請同學們閱讀資料“塔式太陽能電站發電原理及組成”，回答下列問題：（1） 塔式太陽能電站中的光學原理是什么？（2） 能量轉化是怎樣的？（3） 主要組成部分是什么？

生 這些鏡子按一定規律排列起來，主要是將太陽光反射到同一位置，光學原理是光的反射。

生 把光能轉化為內能并存儲起來，給工質（熱能和機械能轉化的媒介物質）加熱，工質吸收熱量產生蒸汽，蒸汽推動汽輪機運轉，帶動發電機，電就產生了。能量轉化過程是光能→內能→機械能→電能。

生 主要組成部分為聚光系統、蓄熱系統、發電系統等。

2. 組裝太陽能發電模型，探尋關鍵技術

（教師組織學生小組開展探究活動：先如圖3所示，組裝汽輪機，用酒精燈給水加熱，認識汽輪機發電的過程；再如圖4所示，搭建塔式太陽能電站模型，用太陽能替代酒精燈給水加熱，進一步了解發電和能量轉化工作原理。通過簡化模型將復雜的實際問題轉化為便于初中學生理解和探究的核心問題。）

師 燒瓶中的熱量容易散失，能不能有便于存儲熱量（能量）的裝置呢？

生 想要源源不斷地提供電能，就要不停地給工質加熱。到了晚上，在光能極弱的情況下，無法持續發電。因此，一個關鍵技術為蓄熱系統中的集熱塔，將由光能轉化而來的內能存儲起來。

師 隨著時間的推移，太陽的位置不斷變化，太陽光的方向會一直改變，反射鏡如何能將陽光準確地反射到集熱塔呢？

生 反射鏡應根據太陽光的角度調整，應該有自動跟蹤功能。因此，關鍵技術為聚光系統中的定日鏡，通過計算機控制系統實時測量太陽高度角和方位角來計算追蹤，讓反射鏡隨時調整角度，最大限度地把熱量集中到集熱塔，就像向日葵一樣。

3. 實驗探究，深入認識關鍵技術

（1） 定日鏡

師 定日鏡的選擇直接影響集熱溫度。請你結合相關學科知識以及生活經驗，想一想反射鏡的哪些因素可能影響集熱溫度，并選擇其中一種因素設計實驗探究方案。

生 反射鏡的形狀，如平面、凹面或凸面。

生 反射鏡的面積、數量。

生 反射鏡的材料，如玻璃鏡面、陶瓷鏡面、金屬鏡面等。

（討論后，學生分成三組開展實驗探究。為了更好地觀察集熱效果，學生將燒瓶替換為溫度計，得到如圖5所示的實驗裝置。通過相同時間內溫度計示數的變化來反映集熱效果。經過實驗探究以及查閱資料，學生得到初步結論：反射鏡形狀、材料相同時，反射鏡的面積越大、數量越多，溫度計示數越高，集熱效果越好；反射鏡面積、數量、材料相同時，凹面鏡比平面鏡和凸面鏡的集熱效果好；反射鏡面積、數量、形狀相同時，金屬鏡面比玻璃鏡面和陶瓷鏡面的集熱效果好。）

師 除了反射鏡，請你結合其他學科知識以及生活經驗，猜測還有哪些因素可能影響集熱溫度？

生 太陽光的光照強度、時長和角度。

生 地理位置、海拔高度。

生 土壤結構、風力強度。

生 空氣濕度、降雨量。

師 同學們想到了這么多可能的影響因素，非常棒！

（2） 集熱塔

師 集熱塔是如何把熱量存儲起來的呢？

生 集熱塔內裝有熔鹽物質，它的主要成分是硝酸鉀和亞硝酸鈉。這些鹽類物質形態非常穩定，在290°到565°之間都保持可流動的熔融狀態。

生 為了將高溫熔鹽物質和低溫熔鹽物質區別開，在集熱塔的兩側分別配備了一個低溫罐和一個高溫罐。低溫熔鹽物質吸收熱量，溫度上升。當溫度接近565℃時，壓縮泵會將它們抽到高溫罐里加以儲存。

4. 設計方案，達成知識的高路遷移

師 請同學們閱讀資料“塔式太陽能電站實例”，舉出我國和世界上建立塔式太陽能電站的實例，說出塔式太陽能電站產業的優勢。

生 2018年，中國首個百兆瓦級熔鹽塔式光熱電站在甘肅敦煌建成。這是全球聚光規模最大、吸熱塔最高、儲熱罐最大、可24小時連續發電的100兆瓦級熔鹽塔式光熱電站。它可以滿足超過8萬戶家庭的用電需求，標志著中國成為世界上少數掌握百兆瓦級光熱電站技術的國家之一。這座光熱發電站的占地面積為7.8平方公里，其主體結構由一座260米高的集熱塔和12000枚鏡子組成。

生 2020年10月，迪拜建成了世界上最大的熔鹽塔式光熱發電站，設計功率為950兆瓦。

生 塔式太陽能電站產業的優勢是利用光能轉化為電能，太陽能資源豐富，清潔環保，污染較少，熱電轉化效率較高。

師 同學們進一步從設計功率、占地面積、地理位置、供電量、滿足用戶數量、集熱塔容量、定日鏡數量等方面深入認識了塔式太陽能電站。現在，請大家嘗試歸納建一座塔式太陽能電站的條件，并說明理由。

生 由于能量轉化主要是光能轉化為內能再轉化為電能，因此建站所在地方的太陽光照總量要較大。

生 氣溫較低，減小蒸發帶走的熱量。

生 云量較少，能透過更多的太陽光。

生 距離用電中心不要太遠，減少電能運輸成本。

生 要放置大約一萬多塊鏡面，建站場地要足夠寬大。

生 不適合在耕地、草原等利用價值較大的土地上建造，而可以選擇沙漠、高原等地方。

（教師組織學生分組，模擬工程師工作思路，按條件在我國和世界上選一處地址建立塔式太陽能電站，論證方案的可行性，并在地圖上標注出來。）

本次實踐活動中，教師通過搭建塔式太陽能電站模型，帶領學生進一步了解其工作原理和關鍵技術；通過簡化模型，將復雜的實際問題轉化為便于學生理解和探究的核心問題；通過綜合各學科相關知識，從兩個關鍵技術的視角合理猜測可能影響集熱溫度的因素，運用控制變量法進行實驗探究；通過實例分析，總結行業優勢以及建站條件。此外，學生在塔式太陽能電站模型的搭建以及其他地區建站方案的制定過程中，基于合理猜測、推理論證、交流評估，從學科關聯的角度理解科學、技術、社會與環境的關系，從而樹立保護環境、節約資源、促進可持續發展的責任感和理想。

參考文獻：

［1］ 劉世隆，鄧薇.塔式太陽能熱發電技術在我國發展現狀與前景分析［J］.電氣技術，2016（10）：8-10.

［2］ 中華人民共和國教育部.義務教育物理課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022：22.

［3］ 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022：31.

［4］ 中華人民共和國教育部.義務教育地理課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022：16.

［5］ 中華人民共和國教育部.義務教育生物學課程標準（2022年版）［S］.北京：北京師范大學出版社，2022：15.