整體設(shè)計(jì)，任務(wù)驅(qū)動(dòng)

李園 湯金波 黎珈彤

摘 要：跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)要以“培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)”為目標(biāo)，做到用敏銳的眼光選題、用全局的眼光設(shè)計(jì)、用具體的任務(wù)驅(qū)動(dòng)。具體地，關(guān)聯(lián)各學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)，選定“塔式太陽(yáng)能電站”物理跨學(xué)科實(shí)踐主題；立足物理學(xué)科核心素養(yǎng)，制定學(xué)習(xí)目標(biāo)；聚焦任務(wù)驅(qū)動(dòng)，開展具體實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：初中物理；跨學(xué)科實(shí)踐；整體設(shè)計(jì)；任務(wù)驅(qū)動(dòng)；塔式太陽(yáng)能電站

“跨學(xué)科實(shí)踐”案例系列之四。本文系廣西教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度專項(xiàng)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(xué)科為例”（編號(hào)：2022ZJY021）的階段性研究成果?！?/p>

一、 教學(xué)思路

“跨學(xué)科實(shí)踐”是《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）的重要課程內(nèi)容，具有跨學(xué)科性和實(shí)踐性的特點(diǎn)?？鐚W(xué)科實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)與常規(guī)課堂教學(xué)設(shè)計(jì)不同，不再局限于課本知識(shí)的教授，而要打破學(xué)科間的壁壘，著力挖掘可能的教學(xué)資源，讓學(xué)生直面日常生活、社會(huì)發(fā)展、工程實(shí)踐中的實(shí)際課題展開探究，拓展學(xué)習(xí)的廣度和思維的深度，發(fā)展綜合素養(yǎng)。

我們以為，跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)要以“培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)”為目標(biāo)，做到用敏銳的眼光選題、用全局的眼光設(shè)計(jì)、用具體的任務(wù)驅(qū)動(dòng)。這就要求教師不僅有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)和豐富的學(xué)科知識(shí)，而且有跨學(xué)科教學(xué)的意識(shí)，去尋找物理知識(shí)與其他學(xué)科知識(shí)的關(guān)聯(lián)，深挖聯(lián)系生活的實(shí)例，提出符合初中生探究能力的問題。面對(duì)日新月異的科技發(fā)展，更要求教師有再

學(xué)習(xí)的能力，拓展教學(xué)

資源，提升學(xué)生的社會(huì)參與能力，助推學(xué)生在多元化的環(huán)境中高效探索科學(xué)知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)的高路（有意識(shí)地）遷移。圖1所示即為我們提煉的跨學(xué)科實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)流程。

（一） 整體設(shè)計(jì)

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

2. 目標(biāo)。立足核心素養(yǎng)，在對(duì)學(xué)情進(jìn)行整體分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)科知識(shí)，將內(nèi)容承載的核心素養(yǎng)具體化，制定學(xué)習(xí)目標(biāo)。

（二） 具體實(shí)施

聚焦任務(wù)驅(qū)動(dòng)，在對(duì)學(xué)生能力水平系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)業(yè)質(zhì)量測(cè)評(píng)要求，開展實(shí)踐活動(dòng)。實(shí)施的關(guān)鍵要素有三個(gè)：

1. 課本知識(shí)?？鐚W(xué)科主題的選擇要源自課本知識(shí)點(diǎn)，以該知識(shí)點(diǎn)為中心輻射各個(gè)領(lǐng)域，深挖生活中的素材，尋找關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)。

2. 探究實(shí)驗(yàn)（或創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)）。引導(dǎo)學(xué)生提出高于課本、在真實(shí)環(huán)境中實(shí)用性較強(qiáng)的可探究問題，合理猜想影響因素，并且選擇合適的器材進(jìn)行相關(guān)探究實(shí)驗(yàn)，得出初步結(jié)論。

3. 調(diào)查研究。引導(dǎo)學(xué)生通過調(diào)查研究，從各學(xué)科的角度多觀察、勤思考、愛動(dòng)手，提出解決日常生活安全、產(chǎn)品優(yōu)化、社會(huì)發(fā)展等

問題的建議，體會(huì)“從生活走向物理，從物理走向生活”。

（三） 培養(yǎng)能力

開展跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生提出探究問題、合理猜想以及設(shè)計(jì)開展實(shí)驗(yàn)，有效提升學(xué)生的動(dòng)手能力、思維能力、創(chuàng)新能力、表達(dá)能力以及遷移能力，落實(shí)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

二、 實(shí)踐過程

（一） 關(guān)聯(lián)課程標(biāo)準(zhǔn)，選定主題

開發(fā)新能源、提高能源利用效率是實(shí)現(xiàn)“低碳生活”的重要途徑，我國(guó)一直致力于推進(jìn)新能源技術(shù)“革命”。相對(duì)于化石能源會(huì)帶來環(huán)境污染、溫室效應(yīng)等難以解決的問題，太陽(yáng)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(dāng)前，太陽(yáng)能開發(fā)利用的技術(shù)突飛猛進(jìn)。與光伏發(fā)電相比，太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)以物理方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，更為節(jié)能環(huán)保，對(duì)環(huán)境的影響小［1］，更好地解決了能量存儲(chǔ)等問題。

大部分學(xué)生已經(jīng)認(rèn)識(shí)到煤、石油、天然氣等當(dāng)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(chǔ)量有限（天然氣的儲(chǔ)量豐富，但不易開采）。他們對(duì)能源危機(jī)有一定的感性認(rèn)識(shí)，但對(duì)從宏觀的角度考慮能源與人類生存和社會(huì)發(fā)展的關(guān)系比較陌生。

多個(gè)學(xué)科義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）從不同的角度，對(duì)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(xué)科實(shí)踐能幫助學(xué)生更加全面、動(dòng)態(tài)地認(rèn)識(shí)能源與人類的關(guān)系。

基于以上考慮，我們選定了“塔式太陽(yáng)能電站”這一跨學(xué)科實(shí)踐主題，期望學(xué)生嘗試?yán)锰?yáng)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(biāo)

在分析課標(biāo)、確定主題后，以物理學(xué)科核心素養(yǎng)為主要依據(jù)，制定本次物理跨學(xué)科實(shí)踐的學(xué)習(xí)目標(biāo)：

1. 通過查閱資料，了解塔式太陽(yáng)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(guó)和世界上的已有實(shí)例，歸納總結(jié)建立塔式太陽(yáng)能電站的條件。

3. 在組裝塔式太陽(yáng)能電站的情境中提出可探究的問題，結(jié)合化學(xué)、地理、生物學(xué)等學(xué)科知識(shí)，合理猜想影響因素。

4. 設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)（創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)）方案，選擇合適的器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告準(zhǔn)確表達(dá)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、步驟、數(shù)據(jù)、分析、結(jié)論等，解釋現(xiàn)象；通過交流評(píng)估反思實(shí)驗(yàn)不足并提出改進(jìn)措施。

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

其中，前兩條目標(biāo)旨在提高學(xué)生收集信息、分析數(shù)據(jù)、歸納總結(jié)等能力，主要對(duì)應(yīng)物理觀念和科學(xué)思維；第3條目標(biāo)旨在使學(xué)生在實(shí)踐中拓寬思維視角，主要對(duì)應(yīng)科學(xué)思維和科學(xué)探究；第4條目標(biāo)旨在通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提升學(xué)生的高階思維能力，主要對(duì)應(yīng)科學(xué)思維和科學(xué)探究；第5條目標(biāo)旨在讓學(xué)生完成知識(shí)的勾連和遷移，主要對(duì)應(yīng)科學(xué)思維。而科學(xué)態(tài)度與責(zé)任的培養(yǎng)貫穿整個(gè)過程。

（三） 聚焦任務(wù)驅(qū)動(dòng)，開展實(shí)踐

1. 閱讀材料，初步了解塔式太陽(yáng)能電站

師 （出示下頁(yè)圖2）同學(xué)們，知道這是什么嗎？這是塔式太陽(yáng)能電站，位于青海省德令哈市的戈壁灘上，架設(shè)了2萬(wàn)塊太陽(yáng)能反射鏡。塔式太陽(yáng)能電站是怎樣利用太陽(yáng)能來發(fā)電的？請(qǐng)同學(xué)們閱讀資料“塔式太陽(yáng)能電站發(fā)電原理及組成”，回答下列問題：（1） 塔式太陽(yáng)能電站中的光學(xué)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(yáng)光反射到同一位置，光學(xué)原理是光的反射。

生 把光能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能并存儲(chǔ)起來，給工質(zhì)（熱能和機(jī)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(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，電就產(chǎn)生了。能量轉(zhuǎn)化過程是光能→內(nèi)能→機(jī)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(yáng)能發(fā)電模型，探尋關(guān)鍵技術(shù)

（教師組織學(xué)生小組開展探究活動(dòng)：先如圖3所示，組裝汽輪機(jī)，用酒精燈給水加熱，認(rèn)識(shí)汽輪機(jī)發(fā)電的過程；再如圖4所示，搭建塔式太陽(yáng)能電站模型，用太陽(yáng)能替代酒精燈給水加熱，進(jìn)一步了解發(fā)電和能量轉(zhuǎn)化工作原理。通過簡(jiǎn)化模型將復(fù)雜的實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為便于初中學(xué)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(chǔ)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(gè)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(chǔ)起來。

師 隨著時(shí)間的推移，太陽(yáng)的位置不斷變化，太陽(yáng)光的方向會(huì)一直改變，反射鏡如何能將陽(yáng)光準(zhǔn)確地反射到集熱塔呢？

生 反射鏡應(yīng)根據(jù)太陽(yáng)光的角度調(diào)整，應(yīng)該有自動(dòng)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(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)測(cè)量太陽(yáng)高度角和方位角來計(jì)算追蹤，讓反射鏡隨時(shí)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(shí)驗(yàn)探究，深入認(rèn)識(shí)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(qǐng)你結(jié)合相關(guān)學(xué)科知識(shí)以及生活經(jīng)驗(yàn)，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(jì)實(shí)驗(yàn)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(xué)生分成三組開展實(shí)驗(yàn)探究。為了更好地觀察集熱效果，學(xué)生將燒瓶替換為溫度計(jì)，得到如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置。通過相同時(shí)間內(nèi)溫度計(jì)示數(shù)的變化來反映集熱效果。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)探究以及查閱資料，學(xué)生得到初步結(jié)論：反射鏡形狀、材料相同時(shí)，反射鏡的面積越大、數(shù)量越多，溫度計(jì)示數(shù)越高，集熱效果越好；反射鏡面積、數(shù)量、材料相同時(shí)，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(shí)，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(qǐng)你結(jié)合其他學(xué)科知識(shí)以及生活經(jīng)驗(yàn)，猜測(cè)還有哪些因素可能影響集熱溫度？

生 太陽(yáng)光的光照強(qiáng)度、時(shí)長(zhǎng)和角度。

生 地理位置、海拔高度。

生 土壤結(jié)構(gòu)、風(fēng)力強(qiáng)度。

生 空氣濕度、降雨量。

師 同學(xué)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(chǔ)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(dòng)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(gè)低溫罐和一個(gè)高溫罐。低溫熔鹽物質(zhì)吸收熱量，溫度上升。當(dāng)溫度接近565℃時(shí)，壓縮泵會(huì)將它們抽到高溫罐里加以儲(chǔ)存。

4. 設(shè)計(jì)方案，達(dá)成知識(shí)的高路遷移

師 請(qǐng)同學(xué)們閱讀資料“塔式太陽(yáng)能電站實(shí)例”，舉出我國(guó)和世界上建立塔式太陽(yáng)能電站的實(shí)例，說出塔式太陽(yáng)能電站產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)。

生 2018年，中國(guó)首個(gè)百兆瓦級(jí)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(chǔ)熱罐最大、可24小時(shí)連續(xù)發(fā)電的100兆瓦級(jí)熔鹽塔式光熱電站。它可以滿足超過8萬(wàn)戶家庭的用電需求，標(biāo)志著中國(guó)成為世界上少數(shù)掌握百兆瓦級(jí)光熱電站技術(shù)的國(guó)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(jì)功率為950兆瓦。

生 塔式太陽(yáng)能電站產(chǎn)業(yè)的優(yōu)勢(shì)是利用光能轉(zhuǎn)化為電能，太陽(yáng)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(xué)們進(jìn)一步從設(shè)計(jì)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(rèn)識(shí)了塔式太陽(yáng)能電站。現(xiàn)在，請(qǐng)大家嘗試歸納建一座塔式太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)光。

生 距離用電中心不要太遠(yuǎn)，減少電能運(yùn)輸成本。

生 要放置大約一萬(wàn)多塊鏡面，建站場(chǎng)地要足夠?qū)挻蟆?/p>

生 不適合在耕地、草原等利用價(jià)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(xué)生分組，模擬工程師工作思路，按條件在我國(guó)和世界上選一處地址建立塔式太陽(yáng)能電站，論證方案的可行性，并在地圖上標(biāo)注出來。）

本次實(shí)踐活動(dòng)中，教師通過搭建塔式太陽(yáng)能電站模型，帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)一步了解其工作原理和關(guān)鍵技術(shù)；通過簡(jiǎn)化模型，將復(fù)雜的實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為便于學(xué)生理解和探究的核心問題；通過綜合各學(xué)科相關(guān)知識(shí)，從兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的視角合理猜測(cè)可能影響集熱溫度的因素，運(yùn)用控制變量法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究；通過實(shí)例分析，總結(jié)行業(yè)優(yōu)勢(shì)以及建站條件。此外，學(xué)生在塔式太陽(yáng)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(cè)、推理論證、交流評(píng)估，從學(xué)科關(guān)聯(lián)的角度理解科學(xué)、技術(shù)、社會(huì)與環(huán)境的關(guān)系，從而樹立保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的責(zé)任感和理想。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 劉世隆，鄧薇.塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)在我國(guó)發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析［J］.電氣技術(shù)，2016（10）：8-10.

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［3］ 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：31.

［4］ 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育地理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：16.

［5］ 中華人民共和國(guó)教育部.義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［S］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：15.