整体设计，任务驱动

李园 汤金波 黎珈彤

摘 要：跨学科实践教学设计要以“培养学生的核心素养”为目标，做到用敏锐的眼光选题、用全局的眼光设计、用具体的任务驱动。具体地，关联各学科课程标准，选定“塔式太阳能电站”物理跨学科实践主题；立足物理学科核心素养，制定学习目标；聚焦任务驱动，开展具体实践。

关键词：初中物理；跨学科实践；整体设计；任务驱动；塔式太阳能电站

“跨学科实践”案例系列之四。本文系广西教育科学“十四五”规划2022年度专项课题“双减背景下提高核心素养的数字资源开发与应用——以初中物理学科为例”（编号：2022ZJY021）的阶段性研究成果。】

一、 教学思路

“跨学科实践”是《义务教育物理课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）的重要课程内容，具有跨学科性和实践性的特点。跨学科实践教学设计与常规课堂教学设计不同，不再局限于课本知识的教授，而要打破学科间的壁垒，着力挖掘可能的教学资源，让学生直面日常生活、社会发展、工程实践中的实际课题展开探究，拓展学习的广度和思维的深度，发展综合素养。

我们以为，跨学科实践教学设计要以“培养学生的核心素养”为目标，做到用敏锐的眼光选题、用全局的眼光设计、用具体的任务驱动。这就要求教师不仅有扎实的专业基础和丰富的学科知识，而且有跨学科教学的意识，去寻找物理知识与其他学科知识的关联，深挖联系生活的实例，提出符合初中生探究能力的问题。面对日新月异的科技发展，更要求教师有再

学习的能力，拓展教学

资源，提升学生的社会参与能力，助推学生在多元化的环境中高效探索科学知识，促进学生知识的高路（有意识地）迁移。图1所示即为我们提炼的跨学科实践教学设计流程。

（一） 整体设计

1. 主题。关联课程标准，在对物理及其他学科综合分析的基础上，结合社会热点，从不同学科视角，挖掘学科相通的課标要求，选定主题。

2. 目标。立足核心素养，在对学情进行整体分析的基础上，结合学科知识，将内容承载的核心素养具体化，制定学习目标。

（二） 具体实施

聚焦任务驱动，在对学生能力水平系统分析的基础上，结合学业质量测评要求，开展实践活动。实施的关键要素有三个：

1. 课本知识。跨学科主题的选择要源自课本知识点，以该知识点为中心辐射各个领域，深挖生活中的素材，寻找关联知识点。

2. 探究实验（或创新实验）。引导学生提出高于课本、在真实环境中实用性较强的可探究问题，合理猜想影响因素，并且选择合适的器材进行相关探究实验，得出初步结论。

3. 调查研究。引导学生通过调查研究，从各学科的角度多观察、勤思考、爱动手，提出解决日常生活安全、产品优化、社会发展等

问题的建议，体会“从生活走向物理，从物理走向生活”。

（三） 培养能力

开展跨学科实践活动，促进学生提出探究问题、合理猜想以及设计开展实验，有效提升学生的动手能力、思维能力、创新能力、表达能力以及迁移能力，落实核心素养的培养。

二、 实践过程

（一） 关联课程标准，选定主题

开发新能源、提高能源利用效率是实现“低碳生活”的重要途径，我国一直致力于推进新能源技术“革命”。相对于化石能源会带来环境污染、温室效应等难以解决的问题，太阳能取之不尽、用之不竭，开发利用过程清洁、环保、噪音小、污染少，是人类理想的能源。当前，太阳能开发利用的技术突飞猛进。与光伏发电相比，太阳能热发电技术以物理方式进行光电转换，更为节能环保，对环境的影响小［1］，更好地解决了能量存储等问题。

大部分学生已经认识到煤、石油、天然气等当前人类利用的主要能源是不可再生能源，而且煤和石油的储量有限（天然气的储量丰富，但不易开采）。他们对能源危机有一定的感性认识，但对从宏观的角度考虑能源与人类生存和社会发展的关系比较陌生。

多个学科义务教育课程标准（2022年版）从不同的角度，对能源的开发与利用做了相应的指导（详见表1）。以此为主题的跨学科实践能帮助学生更加全面、动态地认识能源与人类的关系。

基于以上考虑，我们选定了“塔式太阳能电站”这一跨学科实践主题，期望学生尝试利用太阳能解决某些地区能源使用的问题。

（二） 立足核心素养，制定目标

在分析课标、确定主题后，以物理学科核心素养为主要依据，制定本次物理跨学科实践的学习目标：

1. 通过查阅资料，了解塔式太阳能电站的工作原理及热发电的关键技术。

2. 通过调查咨询，了解我国和世界上的已有实例，归纳总结建立塔式太阳能电站的条件。

3. 在组装塔式太阳能电站的情境中提出可探究的问题，结合化学、地理、生物学等学科知识，合理猜想影响因素。

4. 设计探究实验（创新实验）方案，选择合适的器材进行实验，通过撰写实验报告准确表达实验目的、步骤、数据、分析、结论等，解释现象；通过交流评估反思实验不足并提出改进措施。

5. 模拟工程师工作思路，选一处地址建立塔式太阳能电站，结合地理特征，论证其可行性。

其中，前两条目标旨在提高学生收集信息、分析数据、归纳总结等能力，主要对应物理观念和科学思维；第3条目标旨在使学生在实践中拓宽思维视角，主要对应科学思维和科学探究；第4条目标旨在通过创新实验提升学生的高阶思维能力，主要对应科学思维和科学探究；第5条目标旨在让学生完成知识的勾连和迁移，主要对应科学思维。而科学态度与责任的培养贯穿整个过程。

（三） 聚焦任务驱动，开展实践

1. 阅读材料，初步了解塔式太阳能电站

师 （出示下页图2）同学们，知道这是什么吗？这是塔式太阳能电站，位于青海省德令哈市的戈壁滩上，架设了2万块太阳能反射镜。塔式太阳能电站是怎样利用太阳能来发电的？请同学们阅读资料“塔式太阳能电站发电原理及组成”，回答下列问题：（1） 塔式太阳能电站中的光学原理是什么？（2） 能量转化是怎样的？（3） 主要组成部分是什么？

生 这些镜子按一定规律排列起来，主要是将太阳光反射到同一位置，光学原理是光的反射。

生 把光能转化为内能并存储起来，给工质（热能和机械能转化的媒介物质）加热，工质吸收热量产生蒸汽，蒸汽推动汽轮机运转，带动发电机，电就产生了。能量转化过程是光能→内能→机械能→电能。

生 主要组成部分为聚光系统、蓄热系统、发电系统等。

2. 组装太阳能发电模型，探寻关键技术

（教师组织学生小组开展探究活动：先如图3所示，组装汽轮机，用酒精灯给水加热，认识汽轮机发电的过程；再如图4所示，搭建塔式太阳能电站模型，用太阳能替代酒精灯给水加热，进一步了解发电和能量转化工作原理。通过简化模型将复杂的实际问题转化为便于初中学生理解和探究的核心问题。）

师 烧瓶中的热量容易散失，能不能有便于存储热量（能量）的装置呢？

生 想要源源不断地提供电能，就要不停地给工质加热。到了晚上，在光能极弱的情况下，无法持续发电。因此，一个关键技术为蓄热系统中的集热塔，将由光能转化而来的内能存储起来。

师 随着时间的推移，太阳的位置不断变化，太阳光的方向会一直改变，反射镜如何能将阳光准确地反射到集热塔呢？

生 反射镜应根据太阳光的角度调整，应该有自动跟踪功能。因此，关键技术为聚光系统中的定日镜，通过计算机控制系统实时测量太阳高度角和方位角来计算追踪，让反射镜随时调整角度，最大限度地把热量集中到集热塔，就像向日葵一样。

3. 实验探究，深入认识关键技术

（1） 定日镜

师 定日镜的选择直接影响集热温度。请你结合相关学科知识以及生活经验，想一想反射镜的哪些因素可能影响集热温度，并选择其中一种因素设计实验探究方案。

生 反射镜的形状，如平面、凹面或凸面。

生 反射镜的面积、数量。

生 反射镜的材料，如玻璃镜面、陶瓷镜面、金属镜面等。

（讨论后，学生分成三组开展实验探究。为了更好地觀察集热效果，学生将烧瓶替换为温度计，得到如图5所示的实验装置。通过相同时间内温度计示数的变化来反映集热效果。经过实验探究以及查阅资料，学生得到初步结论：反射镜形状、材料相同时，反射镜的面积越大、数量越多，温度计示数越高，集热效果越好；反射镜面积、数量、材料相同时，凹面镜比平面镜和凸面镜的集热效果好；反射镜面积、数量、形状相同时，金属镜面比玻璃镜面和陶瓷镜面的集热效果好。）

师 除了反射镜，请你结合其他学科知识以及生活经验，猜测还有哪些因素可能影响集热温度？

生 太阳光的光照强度、时长和角度。

生 地理位置、海拔高度。

生 土壤结构、风力强度。

生 空气湿度、降雨量。

师 同学们想到了这么多可能的影响因素，非常棒！

（2） 集热塔

师 集热塔是如何把热量存储起来的呢？

生 集热塔内装有熔盐物质，它的主要成分是硝酸钾和亚硝酸钠。这些盐类物质形态非常稳定，在290°到565°之间都保持可流动的熔融状态。

生 为了将高温熔盐物质和低温熔盐物质区别开，在集热塔的两侧分别配备了一个低温罐和一个高温罐。低温熔盐物质吸收热量，温度上升。当温度接近565℃时，压缩泵会将它们抽到高温罐里加以储存。

4. 设计方案，达成知识的高路迁移

师 请同学们阅读资料“塔式太阳能电站实例”，举出我国和世界上建立塔式太阳能电站的实例，说出塔式太阳能电站产业的优势。

生 2018年，中国首个百兆瓦级熔盐塔式光热电站在甘肃敦煌建成。这是全球聚光规模最大、吸热塔最高、储热罐最大、可24小时连续发电的100兆瓦级熔盐塔式光热电站。它可以满足超过8万户家庭的用电需求，标志着中国成为世界上少数掌握百兆瓦级光热电站技术的国家之一。这座光热发电站的占地面积为7.8平方公里，其主体结构由一座260米高的集热塔和12000枚镜子组成。

生 2020年10月，迪拜建成了世界上最大的熔盐塔式光热发电站，设计功率为950兆瓦。

生 塔式太阳能电站产业的优势是利用光能转化为电能，太阳能资源丰富，清洁环保，污染较少，热电转化效率较高。

师 同学们进一步从设计功率、占地面积、地理位置、供电量、满足用户数量、集热塔容量、定日镜数量等方面深入认识了塔式太阳能电站。现在，请大家尝试归纳建一座塔式太阳能电站的条件，并说明理由。

生 由于能量转化主要是光能转化为内能再转化为电能，因此建站所在地方的太阳光照总量要较大。

生 气温较低，减小蒸发带走的热量。

生 云量较少，能透过更多的太阳光。

生 距离用电中心不要太远，减少电能运输成本。

生 要放置大约一万多块镜面，建站场地要足够宽大。

生 不适合在耕地、草原等利用价值较大的土地上建造，而可以选择沙漠、高原等地方。

（教师组织学生分组，模拟工程师工作思路，按条件在我国和世界上选一处地址建立塔式太阳能电站，论证方案的可行性，并在地图上标注出来。）

本次实践活动中，教师通过搭建塔式太阳能电站模型，带领学生进一步了解其工作原理和关键技术；通过简化模型，将复杂的实际问题转化为便于学生理解和探究的核心问题；通过综合各学科相关知识，从两个关键技术的视角合理猜测可能影响集热温度的因素，运用控制变量法进行实验探究；通过实例分析，总结行业优势以及建站条件。此外，学生在塔式太阳能电站模型的搭建以及其他地区建站方案的制定过程中，基于合理猜测、推理论证、交流评估，从学科关联的角度理解科学、技术、社会与环境的关系，从而树立保护环境、节约资源、促进可持续发展的责任感和理想。

参考文献：

［1］ 刘世隆，邓薇.塔式太阳能热发电技术在我国发展现状与前景分析［J］.电气技术，2016（10）：8-10.

［2］ 中华人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：22.

［3］ 中华人民共和国教育部.义务教育化学课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：31.

［4］ 中华人民共和国教育部.义务教育地理课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：16.

［5］ 中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准（2022年版）［S］.北京：北京师范大学出版社，2022：15.