基于真實(shí)問(wèn)題情境的STSE綜合實(shí)踐活動(dòng)設(shè)計(jì)

李法瑞

摘要：基于真實(shí)情境引導(dǎo)學(xué)生提出有價(jià)值的探究問(wèn)題是發(fā)展核心素養(yǎng)的一項(xiàng)重要實(shí)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(guān)系”這一問(wèn)題情境設(shè)計(jì)STSE綜合實(shí)踐活動(dòng)，希望學(xué)生能夠通過(guò)以分析化學(xué)方法與原理切入，兼顧人體健康、工程技術(shù)領(lǐng)域探究的跨學(xué)科學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生勇于創(chuàng)新的實(shí)踐品質(zhì)和善于運(yùn)用科學(xué)探究方法進(jìn)行問(wèn)題解決的思維品格。

關(guān)鍵詞：真實(shí)問(wèn)題情境;STSE;綜合實(shí)踐活動(dòng);空氣質(zhì)量;人體健康

文章編號(hào)：l008-0546（2020）06-0064-04 中圖分類號(hào)：G632.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.017

綜合實(shí)踐活動(dòng)是區(qū)別于學(xué)科課程的一門非學(xué)術(shù)性課程，主要是通過(guò)學(xué)生的親身實(shí)踐，學(xué)習(xí)科學(xué)研究的方法、增強(qiáng)科學(xué)探究的能力、加深對(duì)社會(huì)的了解、加強(qiáng)課堂知識(shí)和社會(huì)生活的聯(lián)系。它不僅有利于學(xué)生提升化學(xué)研究能力、拓展化學(xué)視野、增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感，更為今后他們進(jìn)一步開展其他活動(dòng)積累經(jīng)驗(yàn)?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》突出了STSE（科學(xué).技術(shù).社會(huì).環(huán)境）綜合實(shí)踐活動(dòng)的重要地位，分別設(shè)置了“STSE綜合實(shí)驗(yàn)”和“STSE綜合實(shí)踐”主題，強(qiáng)調(diào)“要倡導(dǎo)真實(shí)問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)，開展以化學(xué)實(shí)驗(yàn)為主的多種探究活動(dòng)，轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)其創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力”和“要圍繞資源、能源與環(huán)境等與可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)的問(wèn)題開展綜合實(shí)踐。

一、活動(dòng)實(shí)施背景

現(xiàn)今，地鐵已成為全國(guó)各大城市的重要通勤方式之一。隨著國(guó)家現(xiàn)代化進(jìn)程的深入推進(jìn)，越來(lái)越多的人們將會(huì)選擇地鐵出行。由于地鐵車廂身處較為封閉的地下環(huán)境中，當(dāng)人流擁擠或出行高峰時(shí)，一些身體條件較差的人常常會(huì)感到不適。據(jù)報(bào)道，2015年4月20日早8點(diǎn)30分，深圳地鐵5號(hào)線黃貝嶺站一名乘客因不明原因在站臺(tái)上暈倒，引起站臺(tái)部分乘客恐慌擁擠，導(dǎo)致9名輕微受傷乘客被送往醫(yī)院。近年來(lái)，類似有乘客在地鐵站內(nèi)暈倒事件時(shí)有發(fā)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(shí)，巧遇一位老年人在密集的人流中突然暈厥的事件，同學(xué)們紛紛伸出援助之手，第一時(shí)間撥打120并聯(lián)系站內(nèi)工作人員。事發(fā)之后，同學(xué)們及時(shí)向我反映了這一突發(fā)事件。隨后，我?guī)ьI(lǐng)同學(xué)們討論這位老年人突然暈厥的可能原因。有位同學(xué)大膽提出一個(gè)值得探究的科學(xué)假設(shè)：老年人身體不適可能與地鐵這廂內(nèi)CO₂濃度過(guò)高有關(guān)！

隨后，課題組成員通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，認(rèn)同這位同學(xué)所提科學(xué)假設(shè)的科學(xué)性和可行性。因?yàn)?，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(shí)，室內(nèi)CO，對(duì)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(shí)每刻都在制造卻經(jīng)常被忽略的氣體。數(shù)據(jù)顯示，人體暴露在3%濃度（體積分?jǐn)?shù)）的CO₂中幾個(gè)小時(shí)后，人類的呼吸系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生不適，會(huì)造成頭暈或呼吸不暢;暴露在7%濃度的CO₂中幾分鐘，就會(huì)造成意識(shí)喪失;而暴露在15%濃度的CO₂中會(huì)立刻威脅到生命。CO₂對(duì)人體造成危害的方式主要是通過(guò)排擠空氣中的氧氣，降低氧氣濃度;同時(shí)提高血液中CO₂的濃度，造成呼吸系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)方面的損傷。

由于老年人突然暈厥的事件發(fā)生時(shí)，正值客流高峰，車廂內(nèi)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(chǔ)條件相較于青年人差，所以引發(fā)了此次事件。大家商議之后，隨即成立課題組就這一問(wèn)題展開實(shí)驗(yàn)探究，開展“探秘地鐵車廂中CO₂濃度與人體健康的關(guān)系”實(shí)踐活動(dòng)。

二、教學(xué)價(jià)值分析

1.立足真實(shí)情境，提出探究問(wèn)題，強(qiáng)化共同參與社會(huì)問(wèn)題的責(zé)任

本活動(dòng)選取“地鐵車廂CO₂濃度”這一貼近生活的社會(huì)熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題，通過(guò)引領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)社會(huì)真實(shí)情境，進(jìn)一步探究空氣質(zhì)量與人體健康等問(wèn)題，通過(guò)“呵護(hù)生存環(huán)境”等“新課標(biāo)”中所倡導(dǎo)的主題學(xué)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)，了解相關(guān)污染物及其危害，為消除危害提供研究支撐，在強(qiáng)化公眾共同參與環(huán)境治理的責(zé)任的同時(shí)，也為新課標(biāo)“環(huán)境問(wèn)題及其處理”模塊相關(guān)內(nèi)容提供有益補(bǔ)充。

2.基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)，開展綜合實(shí)踐，運(yùn)用科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(guān)系”課題研究小組，希望能通過(guò)項(xiàng)目學(xué)習(xí)（Project-based Learning，PBL）的方式開展以化學(xué)學(xué)科為切人口的跨學(xué)科教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐，希望能夠科學(xué)分析出早高峰時(shí)段地鐵車廂內(nèi)CO₂濃度變化特征與規(guī)律，并嘗試建立CO₂濃度變化特征與人體舒適指數(shù)之間的緊密關(guān)聯(lián)，提出改善地鐵車廂空氣質(zhì)量的合理化建議，為乘客安全出行保駕護(hù)航。

3.指向核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)跨界學(xué)習(xí)，引領(lǐng)不同領(lǐng)域探索的創(chuàng)新成長(zhǎng)

為了深度學(xué)習(xí)并參與“探秘地鐵車廂CO₂濃度變化”這一與STSE緊密關(guān)聯(lián)的綜合實(shí)踐活動(dòng)，課題組商議決定實(shí)施三個(gè)主題的探究活動(dòng)（圖1）：（1）運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)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(shù)”關(guān)系初探;（3）地鐵車廂“智能CO₂濃度平衡系統(tǒng)”裝置創(chuàng)設(shè)。在教師的引導(dǎo)下，以期實(shí)現(xiàn)在相對(duì)應(yīng)的探究活動(dòng)中有所側(cè)重地培養(yǎng)與發(fā)展學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)目標(biāo)。

三、實(shí)踐活動(dòng)設(shè)計(jì)

1.實(shí)踐活動(dòng)1：基于“化學(xué)分析領(lǐng)域”的設(shè)計(jì)

（1）確定活動(dòng)主題：運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)繪制地鐵干線CO₂濃度變化地圖

怎么樣科學(xué)準(zhǔn)確地測(cè)量地鐵車廂CO₂濃度呢？顯然，這需要帶領(lǐng)學(xué)生一起學(xué)習(xí)并運(yùn)用現(xiàn)代分析化學(xué)的原理及其相關(guān)技術(shù)。因此，為了探究地鐵高峰時(shí)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(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)探究，希望以上海市地鐵2號(hào)線冬季早高峰（7-9點(diǎn)）為例，針對(duì)現(xiàn)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(shè)及規(guī)劃提供有益參考。

（2）構(gòu)思研究思路

經(jīng)過(guò)商議，課題組決定對(duì)地鐵車廂內(nèi)部空氣中CO₂濃度的測(cè)量，根據(jù)不同站點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并繪制出地鐵運(yùn)行過(guò)程中車廂內(nèi)部CO₂濃度變化曲線地圖，以期為后續(xù)地鐵空氣質(zhì)量?jī)?yōu)化研究及人們健康出行提供科學(xué)依據(jù)。

（3）實(shí)踐活動(dòng)實(shí)施

①課題組成員選擇威尼爾Vernier實(shí)驗(yàn)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(gè)不同工作日的早高峰時(shí)段（7-9點(diǎn)），依次完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集;

②每次采集時(shí)，成員在上海地鐵二號(hào)線的始發(fā)站淞虹路站車廂內(nèi)部（每列地鐵的中間一節(jié)車廂的4門之中心點(diǎn)）開展測(cè)試，待發(fā)車時(shí)開啟傳感器采集器、CO₂傳感器、濕度傳感器，實(shí)時(shí)記錄每個(gè)站點(diǎn)的CO₂峰值及濕度;

③記錄數(shù)據(jù)后，求出平均值，導(dǎo)人電腦繪制出圖像并分析數(shù)據(jù)的特征值;

④小組討論分析得出相關(guān)結(jié)論。

（4）實(shí)驗(yàn)活動(dòng)成果

實(shí)驗(yàn)涵蓋從淞虹路至廣蘭路站，共計(jì)19個(gè)地鐵站點(diǎn)的數(shù)據(jù)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(chǎng)站2439ppm。而淞虹路站（始發(fā)站）為1319ppm，為CO₂濃度峰值最低的站點(diǎn)。

（5）實(shí)踐活動(dòng)總結(jié)

實(shí)驗(yàn)全程要經(jīng)歷19個(gè)站點(diǎn)，僅單程就需要1個(gè)小時(shí)。而且恰逢客流高峰時(shí)段，人流密度非常大，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集環(huán)境欠佳。課題組成員為了確保實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，克服了種種困難，完成了實(shí)驗(yàn)全程。實(shí)踐表明，該活動(dòng)的設(shè)計(jì)有益于學(xué)生進(jìn)行宏觀辨識(shí)與微觀探析，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)方法、證據(jù)意識(shí)和創(chuàng)新精神。

2.實(shí)踐活動(dòng)2：基于“人體健康領(lǐng)域”的設(shè)計(jì)

（1）確定活動(dòng)主題：地鐵CO₂濃度變化與“人體感指數(shù)”關(guān)系初探

“化學(xué)分析領(lǐng)域”的活動(dòng)中，課題組運(yùn)用化學(xué)實(shí)驗(yàn)，繪制出一份早高峰各站點(diǎn)車廂內(nèi)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(shí)際相關(guān)性如何呢？為此，課題組開啟了有關(guān)“人體健康領(lǐng)域”的實(shí)踐活動(dòng)設(shè)計(jì)。

該實(shí)踐活動(dòng)設(shè)計(jì)需要考慮跨學(xué)科學(xué)習(xí)，不僅涉及到2017版化學(xué)新課標(biāo)中“化學(xué)與生活”模塊“呵護(hù)生存環(huán)境”的相關(guān)表述，還涉及到《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》“健康生活”模塊中的教學(xué)建議：“創(chuàng)設(shè)情境，開發(fā)思維，讓學(xué)生將健康知識(shí)與解決社會(huì)有關(guān)健康問(wèn)題結(jié)合起來(lái)，培養(yǎng)社會(huì)責(zé)任感”。

（2）構(gòu)思研究思路

為了解決這一問(wèn)題，課題組嘗試提出“人體感指數(shù)”概念，通過(guò)運(yùn)用社會(huì)調(diào)查問(wèn)卷的方法，重點(diǎn)關(guān)注地鐵車廂CO₂濃度變化與乘客在對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的“人體感指數(shù)”的關(guān)聯(lián)程度，探究地鐵車廂內(nèi)CO₂濃度變化特征對(duì)人體主觀感受程度的影響。

（3）實(shí)踐活動(dòng)實(shí)施

①設(shè)計(jì)客流高峰時(shí)段，乘客地鐵出行主觀感受問(wèn)卷，包括：年齡、性別、現(xiàn)場(chǎng)人體感指數(shù)級(jí)別、現(xiàn)場(chǎng)體感不舒適的原因、地鐵空氣質(zhì)量認(rèn)知度等多個(gè)指標(biāo)及維度;

②在運(yùn)用傳感器監(jiān)測(cè)車廂內(nèi)部CO₂濃度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同時(shí)，課題組其他成員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)發(fā)放問(wèn)卷的形式，對(duì)“人體感指數(shù)”等指標(biāo)開展調(diào)查;

③結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)訪談，補(bǔ)充乘客主觀舒適度調(diào)查數(shù)據(jù)。

（4）實(shí)驗(yàn)活動(dòng)成果

課題組通過(guò)人體感指數(shù)數(shù)據(jù)（圖4）與CO₂濃度數(shù)據(jù)分析得出，人體感指數(shù)（實(shí)時(shí)感受舒適度）與CO₂濃度變化趨勢(shì)呈負(fù)相關(guān)，當(dāng)CO₂濃度有升高趨勢(shì)時(shí)，人體感指數(shù)趨于下降;反而反之。同時(shí)，提出出行建議：由2號(hào)線早高峰CO₂濃度變化地圖和人體感指數(shù)變化圖共同得出，在早高峰時(shí)段，南京西路到世紀(jì)公園的CO₂濃度相對(duì)較高，建議錯(cuò)峰出行。

（5）實(shí)踐活動(dòng)總結(jié)

課題組首次提出“乘客在地鐵車廂內(nèi)部的人體感指數(shù)”這一概念，用于研究上海市重點(diǎn)地鐵線路，嘗試建立研究具有創(chuàng)新性。課題組成員經(jīng)常召開臨時(shí)會(huì)議，充分表達(dá)交流、反復(fù)查閱求證，最終起草出較為滿意的調(diào)查問(wèn)卷，開展了創(chuàng)造性的研究工作。不僅有效增強(qiáng)了學(xué)生基于真實(shí)問(wèn)題情境開展STSE綜合實(shí)踐活動(dòng)的內(nèi)驅(qū)力和創(chuàng)造力，也賦予了學(xué)生為改善地鐵運(yùn)營(yíng)環(huán)境，提供研究依據(jù)的使命感。

3.實(shí)踐活動(dòng)3：基于“工程技術(shù)領(lǐng)域”的設(shè)計(jì)

（1）確定活動(dòng)主題：地鐵車廂“智能CO₂濃度平衡系統(tǒng)”裝置創(chuàng)設(shè)

那么，有沒(méi)有優(yōu)化地鐵車廂空氣質(zhì)量的方案，以提升高峰時(shí)段人體感指數(shù)呢？為此，課題組嘗試從工程技術(shù)領(lǐng)域突破，最終確定出該活動(dòng)的主題任務(wù)，即：完成一份《關(guān)于地鐵車廂“智能CO₂濃度平衡系統(tǒng)”裝置創(chuàng)設(shè)》的創(chuàng)意方案。

（2）構(gòu)思研究思路

創(chuàng)意方案的完成，需要借助高中《通用技術(shù)》領(lǐng)域的相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備和實(shí)踐能力運(yùn)用。通用技術(shù)學(xué)科核心素養(yǎng)主要包括：技術(shù)意識(shí)、工程思維、創(chuàng)新設(shè)計(jì)、圖樣表達(dá)、物化能力五個(gè)方面。顯然，在該活動(dòng)設(shè)計(jì)中，鑒于學(xué)生現(xiàn)有的知識(shí)結(jié)構(gòu)和實(shí)踐能力基礎(chǔ)，對(duì)于“物化能力”暫不做過(guò)多要求。而僅需要學(xué)生在活動(dòng)中，運(yùn)用技術(shù)意識(shí)和工程思維，提出一份創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行圖樣表達(dá)即可。

（3）實(shí)踐活動(dòng)實(shí)施

①研究地鐵車廂的現(xiàn)有內(nèi)部構(gòu)造;

②查找可能地鐵車廂中引起高峰時(shí)段CO₂濃度偏高的薄弱之處;

③通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)文獻(xiàn)資源，提出“智能CO₂濃度平衡系統(tǒng)”研發(fā)設(shè)想;

④通過(guò)圖樣表達(dá)，進(jìn)行交流展示。

（4）實(shí)驗(yàn)活動(dòng)成果

課題組提出了如圖5及圖6所示的科技創(chuàng)意方案。

核心部件為CO₂固定載體模塊，它是一種密閉系統(tǒng)CO₂控制器仿真模型，以Labview軟件為平臺(tái)與硬件連接，作為實(shí)際控制器，通過(guò)對(duì)密閉系統(tǒng)中CO₂濃度的監(jiān)測(cè)以調(diào)節(jié)CO₂固定載體模塊的使用時(shí)間，進(jìn)而影響密閉系統(tǒng)CO₂和O₂濃度，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)控密閉系統(tǒng)中CO₂和O₂平衡的目的。

（5）實(shí)踐活動(dòng)總結(jié)

在該活動(dòng)實(shí)施過(guò)程中，雖然課題組成員沒(méi)有將其提出的設(shè)計(jì)方案最終物化成實(shí)物模型，但是這不影響他們?cè)赟TSE綜合實(shí)踐活動(dòng)中對(duì)“有理念、會(huì)設(shè)計(jì)、能動(dòng)手、善創(chuàng)造”的通用技術(shù)課程目標(biāo)的理解和體驗(yàn)。通過(guò)該活動(dòng)，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(shù)提出并應(yīng)用”，再到“智能CO₂濃度平衡系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)”的跨學(xué)科學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

四、實(shí)踐活動(dòng)反思

1.基于生活化的問(wèn)題情境，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新探索熱情

“探秘地鐵車廂中CO₂濃度與人體健康的關(guān)系”的活動(dòng)設(shè)計(jì)，立足真實(shí)情境、基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)、指向核心素養(yǎng)，通過(guò)緊密銜接、相互關(guān)聯(lián)的三個(gè)主題活動(dòng)，有效地激發(fā)起學(xué)生的探究熱情，賦予他們勇于創(chuàng)新、勤于實(shí)踐、敢于質(zhì)疑的寶貴品質(zhì)。

2.基于問(wèn)題化的系列設(shè)計(jì)，有利于鍛煉學(xué)生的問(wèn)題解決能力

在這個(gè)主題突出、問(wèn)題鮮明、時(shí)代感強(qiáng)的STSE綜合實(shí)踐活動(dòng)中，課題組成員基于真實(shí)的問(wèn)題情境，逐一解決了“地鐵車廂中CO₂濃度”“人體感指數(shù)關(guān)聯(lián)性建構(gòu)”和“CO₂智能平衡系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)”三個(gè)重要問(wèn)題，提升了問(wèn)題解決能力。

3.基于實(shí)踐不足之處探討，有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的持續(xù)發(fā)展

然而，課題組成員也清楚地認(rèn)識(shí)到實(shí)踐活動(dòng)中尚存一定的不足之處。比如，采用便攜式手持技術(shù)分析設(shè)備，所得數(shù)據(jù)的精密度是否經(jīng)得起驗(yàn)證？人體感指數(shù)的概念界定及指標(biāo)構(gòu)建是否科學(xué)完善？CO₂智能平衡系統(tǒng)是否可以真正落地開花、造福于民？我們認(rèn)為，教師要在把握好科學(xué)方法的前提下，指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)的開展實(shí)踐探索，指導(dǎo)他們領(lǐng)悟創(chuàng)新實(shí)踐的魅力，同時(shí)也要適當(dāng)兼顧教育留白，而恰恰能夠讓他們能意識(shí)到研究的不足才是有益于他們核心素養(yǎng)持續(xù)發(fā)展的可貴之處。