整體設(shè)計，任務(wù)驅(qū)動

李園 湯金波 黎珈彤

摘 要：跨學科實踐教學設(shè)計要以“培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)”為目標，做到用敏銳的眼光選題、用全局的眼光設(shè)計、用具體的任務(wù)驅(qū)動。具體地，關(guān)聯(lián)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(yǎng)，制定學習目標；聚焦任務(wù)驅(qū)動，開展具體實踐。

關(guān)鍵詞：初中物理；跨學科實踐；整體設(shè)計；任務(wù)驅(qū)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(guī)劃2022年度專項課題“雙減背景下提高核心素養(yǎng)的數(shù)字資源開發(fā)與應(yīng)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(wù)教育物理課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）的重要課程內(nèi)容，具有跨學科性和實踐性的特點。跨學科實踐教學設(shè)計與常規(guī)課堂教學設(shè)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(fā)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(fā)展綜合素養(yǎng)。

我們以為，跨學科實踐教學設(shè)計要以“培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)”為目標，做到用敏銳的眼光選題、用全局的眼光設(shè)計、用具體的任務(wù)驅(qū)動。這就要求教師不僅有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)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(guān)聯(lián)，深挖聯(lián)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(fā)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(huán)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(shè)計流程。

（一） 整體設(shè)計

1. 主題。關(guān)聯(lián)課程標準，在對物理及其他學科綜合分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合社會熱點，從不同學科視角，挖掘?qū)W科相通的課標要求，選定主題。

2. 目標。立足核心素養(yǎng)，在對學情進行整體分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合學科知識，將內(nèi)容承載的核心素養(yǎng)具體化，制定學習目標。

（二） 具體實施

聚焦任務(wù)驅(qū)動，在對學生能力水平系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合學業(yè)質(zhì)量測評要求，開展實踐活動。實施的關(guān)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(lǐng)域，深挖生活中的素材，尋找關(guān)聯(lián)知識點。

2. 探究實驗（或創(chuàng)新實驗）。引導(dǎo)學生提出高于課本、在真實環(huán)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(guān)探究實驗，得出初步結(jié)論。

3. 調(diào)查研究。引導(dǎo)學生通過調(diào)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(chǎn)品優(yōu)化、社會發(fā)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(yǎng)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(shè)計開展實驗，有效提升學生的動手能力、思維能力、創(chuàng)新能力、表達能力以及遷移能力，落實核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

二、 實踐過程

（一） 關(guān)聯(lián)課程標準，選定主題

開發(fā)新能源、提高能源利用效率是實現(xiàn)“低碳生活”的重要途徑，我國一直致力于推進新能源技術(shù)“革命”。相對于化石能源會帶來環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等難以解決的問題，太陽能取之不盡、用之不竭，開發(fā)利用過程清潔、環(huán)保、噪音小、污染少，是人類理想的能源。當前，太陽能開發(fā)利用的技術(shù)突飛猛進。與光伏發(fā)電相比，太陽能熱發(fā)電技術(shù)以物理方式進行光電轉(zhuǎn)換，更為節(jié)能環(huán)保，對環(huán)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(jīng)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(fā)展的關(guān)系比較陌生。

多個學科義務(wù)教育課程標準（2022年版）從不同的角度，對能源的開發(fā)與利用做了相應(yīng)的指導(dǎo)（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(tài)地認識能源與人類的關(guān)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(qū)能源使用的問題。

（二） 立足核心素養(yǎng)，制定目標

在分析課標、確定主題后，以物理學科核心素養(yǎng)為主要依據(jù)，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(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。

2. 通過調(diào)查咨詢，了解我國和世界上的已有實例，歸納總結(jié)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(jié)合化學、地理、生物學等學科知識，合理猜想影響因素。

4. 設(shè)計探究實驗（創(chuàng)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?zāi)康摹⒉襟E、數(shù)據(jù)、分析、結(jié)論等，解釋現(xiàn)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(jié)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(shù)據(jù)、歸納總結(jié)等能力，主要對應(yīng)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(yīng)科學思維和科學探究；第4條目標旨在通過創(chuàng)新實驗提升學生的高階思維能力，主要對應(yīng)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(yīng)科學思維。而科學態(tài)度與責任的培養(yǎng)貫穿整個過程。

（三） 聚焦任務(wù)驅(qū)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(shè)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(fā)電的？請同學們閱讀資料“塔式太陽能電站發(fā)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(zhuǎn)化是怎樣的？（3） 主要組成部分是什么？

生 這些鏡子按一定規(guī)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(zhuǎn)化為內(nèi)能并存儲起來，給工質(zhì)（熱能和機械能轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì)）加熱，工質(zhì)吸收熱量產(chǎn)生蒸汽，蒸汽推動汽輪機運轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機，電就產(chǎn)生了。能量轉(zhuǎn)化過程是光能→內(nèi)能→機械能→電能。

生 主要組成部分為聚光系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)等。

2. 組裝太陽能發(fā)電模型，探尋關(guān)鍵技術(shù)

（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(fā)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(fā)電和能量轉(zhuǎn)化工作原理。通過簡化模型將復(fù)雜的實際問題轉(zhuǎn)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(zhì)加熱。到了晚上，在光能極弱的情況下，無法持續(xù)發(fā)電。因此，一個關(guān)鍵技術(shù)為蓄熱系統(tǒng)中的集熱塔，將由光能轉(zhuǎn)化而來的內(nèi)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(yīng)根據(jù)太陽光的角度調(diào)整，應(yīng)該有自動跟蹤功能。因此，關(guān)鍵技術(shù)為聚光系統(tǒng)中的定日鏡，通過計算機控制系統(tǒng)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(diào)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(guān)鍵技術(shù)

（1） 定日鏡

師 定日鏡的選擇直接影響集熱溫度。請你結(jié)合相關(guān)學科知識以及生活經(jīng)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(shè)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(shù)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(nèi)溫度計示數(shù)的變化來反映集熱效果。經(jīng)過實驗探究以及查閱資料，學生得到初步結(jié)論：反射鏡形狀、材料相同時，反射鏡的面積越大、數(shù)量越多，溫度計示數(shù)越高，集熱效果越好；反射鏡面積、數(shù)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(shù)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(jié)合其他學科知識以及生活經(jīng)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(jié)構(gòu)、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(nèi)裝有熔鹽物質(zhì)，它的主要成分是硝酸鉀和亞硝酸鈉。這些鹽類物質(zhì)形態(tài)非常穩(wěn)定，在290°到565°之間都保持可流動的熔融狀態(tài)。

生 為了將高溫熔鹽物質(zhì)和低溫熔鹽物質(zhì)區(qū)別開，在集熱塔的兩側(cè)分別配備了一個低溫罐和一個高溫罐。低溫熔鹽物質(zhì)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(shè)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(chǎn)業(yè)的優(yōu)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(guī)模最大、吸熱塔最高、儲熱罐最大、可24小時連續(xù)發(fā)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(shù)掌握百兆瓦級光熱電站技術(shù)的國家之一。這座光熱發(fā)電站的占地面積為7.8平方公里，其主體結(jié)構(gòu)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(fā)電站，設(shè)計功率為950兆瓦。

生 塔式太陽能電站產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢是利用光能轉(zhuǎn)化為電能，太陽能資源豐富，清潔環(huán)保，污染較少，熱電轉(zhuǎn)化效率較高。

師 同學們進一步從設(shè)計功率、占地面積、地理位置、供電量、滿足用戶數(shù)量、集熱塔容量、定日鏡數(shù)量等方面深入認識了塔式太陽能電站。現(xiàn)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(zhuǎn)化主要是光能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能再轉(zhuǎn)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(fā)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?qū)挻蟆?/p>

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(lǐng)學生進一步了解其工作原理和關(guān)鍵技術(shù)；通過簡化模型，將復(fù)雜的實際問題轉(zhuǎn)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(guān)知識，從兩個關(guān)鍵技術(shù)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(jié)行業(yè)優(yōu)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(qū)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(guān)聯(lián)的角度理解科學、技術(shù)、社會與環(huán)境的關(guān)系，從而樹立保護環(huán)境、節(jié)約資源、促進可持續(xù)發(fā)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(fā)電技術(shù)在我國發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析［J］.電氣技術(shù)，2016（10）：8-10.

［2］ 中華人民共和國教育部.義務(wù)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(wù)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(wù)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(wù)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.