全面提升学生科学素养的社会性科学议题的教学设计

吴金鑫 李娟

摘要： 社会性科学议题是以科学为载体的某些结构不良、复杂且有争议性的社会性问题。将这类问题作为课堂教学情境，具有综合项目式教学、案例教学、情境教学的部分特征，能激发学生的好奇心和探索欲，培养他们的批判性思维和工程思维。以“新能源汽车是否会取代燃油汽车”议题为例，设计单元教学案例。介绍全面提高学生科学素养的社会性科学议题教学框架，设计教学流程，拓宽社会性科学议题的教学应用，为一线教师及课程设计者提供参考。

关键词： 科学素养; 社会性科学议题; 新能源汽车; 锂离子电池

文章编号： 10056629（2020）10003506

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

在一个人的成长过程中，非认知的能力至关重要，比如，情绪控制能力、社会责任表现、思想的包容性、协作能力、交往能力等社会和情感能力，这些能力也是科学素养的重要层面。在传统的课堂中，学生的这些能力往往不能得到很好的培养，而社会性议题教学就是在科学素养指导下构建的科学课堂，旨在培养学生科学决策的能力和解决生活中复杂问题的能力。

1 社会性科学议题教学

社会性科学议题（SocioScientific Issues， SSI）指的是以科学为载体的某些复杂的、结构不良的、有争议性的社会性问题（比如全球变暖和基因工程等）。这类问题通常难以处理和预测，不同群体由于社会立场不同具有不同的观点，由于结构不良、信息不全难以直接提出解决问题的办法[1]。以这类问题作为课堂教学情境，既有项目式教学、案例教学、情境教学的部分特征，更能激发学生的好奇心，促使学生开展科学探究，培养学生的批判性思维。

复杂议题的教學也给教师和学生带来很大的挑战，目前有关社会性科学议题的教学流程基本可归纳为议题学习、议题实践和议题实施[2]三大步骤。Sadler等人在教学实践的基础上总结出如图1所示的教学框架[3]： 首先让学生了解社会性议题;然后让学生参与科学建模，在这个过程中，学生思考议题中包含的科学知识，并从社会性的角度系统性地思考议题;最后对该议题形成科学的理解、明确自己的立场或提出解决方案。

指导学生参与科学建模是SSI教学框架的核心，与图尔敏论证方法[4]相比，模型作为科学现象及科学过程的呈现和解释，更适用于探究社会性科学议题。故将建模作为贯穿学生参与社会性科学议题学习始终的主线，在学习过程中不断开发、评估和修正模型，让学生对知识的理解逐步实现一般化和系统化。学生学习的过程主要包括： 探索模型组成，了解每个组成在过程中的联系和关系，明确各个组成之间的相互作用机制，再将该模型与真实世界相联系，最后总结归纳出一般规律。

在指导学生对社会性科学议题的建模时，首先，要让学生了解社会性科学议题，激发学生的探究兴趣。然后，在学生的建模过程中，针对特定的社会性科学议题，引导学生思考议题的各个层面，一般来说，可以从科学、政治、经济、宗教和伦理等层面思考，如图2所示。教师要引导学生探究不同层面各自如何作用于议题以及不同层面之间如何相互影响。对于学生来说，理解模型不同层面之间的相互作用机制是比较困难的，故在设计这一环节的教学过程中，建议教师提供该议题下的辩题或方案，帮助学生厘清争议。最后，学生解释自己的模型，阐释对该议题的看法，提出解决问题的方案。

2 单元教学设计——“新能源汽车是否会取代燃油汽车”

近年来，国内汽车购买率逐年增加，新能源汽车的发展受到政府的大力扶持，新能源汽车是生活中的热点话题。讨论议题“新能源汽车是否会取代燃油汽车”，引导学生思考新能源汽车的发展前景，将课本知识与生活实践相联系，与工程实践相结合，培养学生的工程思维和解决实际问题的能力。

社会性科学议题教学由于其复杂性，在一节课中难以完成，采用单元或者章节的形式开展更利于对学生能力的培养，学校可将社会性科学议题设计为拓展课程或者校本课程。新能源汽车涉及到原电池、电解池以及燃料电池的内容，可以在高二学完这部分内容后进行，拟使用课时8～10小时。

根据Sadler等[5]提出的教学框架，结合林采薇等[6]提出的探索、概念引入、厘清争议、概念应用四阶段教学模型，设计教学过程。第一阶段： 议题引入，明确议题的意义（环节1～3）;第二阶段： 探索要从哪些层面来思考议题，以及这些层面如何影响议题（环节4～7）;第三阶段： 探究不同层面之间如何相互作用（环节8～9）;第四阶段： 利用不同层面间的作用解决问题（环节10～11）。从学生的建模实践来看，第一阶段是学生认识议题的过程，第二、三阶段是学生建构模型的过程，第四阶段为学生对模型进行解释。教学案例设计流程如图3所示。

2.1 议题引入

环节1： 网络在线发布问题

在教学之前，教师通过网络在线平台（如CCR、微助教）发布议题：“新能源汽车是近几年的一个热点问题，许多购车人士都在观望，如果是你，你会选择购买新能源汽车吗？请回答并给出你的理由。”学生可在移动设备上进行回答、提问及讨论。在此阶段，学生给出自己的观点，教师依据学生的观点对学生进行分组，方便后续讨论，同时也能通过在线平台实时反馈、了解学生前概念，并在此基础上进行教学设计。

环节2： 查询新能源汽车发展史

在线讨论环节中，学生对议题的讨论大多数都出于生活经验的直观感受，实际上对于新能源汽车并不十分了解，此环节可引导学生自主学习新能源汽车的发展史，了解包括纯电动汽车、增程式电动汽车、混合动力汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车以及其他新能源汽车等，对各种能源的动力原理进行简单的了解，引导学生讨论比较各种新能源汽车的优劣点，进一步了解议题。

环节3： 讨论二次电池的发电原理

以二次电池为例，回顾二次电池的发电原理、电极材料的选择、充放电的电极反应式。以二次电池的发展史为时间轴，探究铅酸蓄电池、镍氢蓄电池、锂离子电池的发电原理、电极材料、充放电时的电极反应式（如图4所示）。

在电子产品、储能产品以及新能源汽车领域，锂离子电池的应用日趋广泛。引导学生从锂的结构探究锂离子电池成为二次电池宠儿的原因。锂属于碱金属，处于元素周期表的第二周期第一主族，这就决定了锂具有极易失电子的能力，具有很高的电化学势。金属锂是碱金属中密度最低的金属，决定了锂金属电池的比容量（specific capacity）十分可观，也就是说单位质量的锂金属能够给出或接受的电子数很高。

20世纪70年代初，科学家们因为锂的这些特殊性质，将金属锂作为电池的阳极，开始了锂电池的发展之路。引导学生自主查阅资料，在课堂上汇报交流锂电池到锂离子电池的发展史，让学生体验科学发展的路径。

2.2 议题的讨论层面

新能源电动汽车的发展和推广，是一个复杂的、具有一定争议性的真实的问题。在这里以锂离子电动汽车为例，讨论新能源汽车是否会取代燃油汽车，有很多层面有待讨论。通过学生在环节1中的讨论交流情况，了解学生对议题的思考角度及深度，学生在思考这个议题时，刚开始可能只从某一个或者某几个角度来看待问题，这种思维的片面性不能让他们做出合理的决策。

如果直接让学生在课堂上总结自己的观点，并对观点进行讨论，讨论效果并不能保证，而且大部分学生会有一种无处下手、理不清思路之感，导致学生参与度不高。此时就需要教师根据社会性议题的思考角度，对学生在线讨论的结果进行分类，让学生从科学角度、伦理角度、经济角度以及政策支持角度等逐一思考，逐渐了解议题的全貌。

环节4： 科学层面的议题讨论

学生在认识议题的过程中已经从科学层面提出了一些观点，但部分学生可能还不十分明确科学问题与非科学問题。在这里教师要帮助学生理解议题的科学层面，比如说2019年诺贝尔奖得主之一的吉野彰用有机溶剂取代水，在负极使用碳、正极使用钴酸锂（含有锂离子的金属氧化物）得到4V以上的电动势完成了锂离子电池的原型。在此基础上引导学生在自身经验以及查阅资料的基础上，互相交流讨论议题的其他科学角度。

从电池性能上，学生可能考虑到电池的充电时间、每次充电的续航能力、电池的重量、电池的更换周期等。这些问题在生活中学生或多或少都有一定的了解，可以让学生分组调查市面上销售的锂离子电动汽车的这些性能，调查方式不限，可以是询问锂离子电动汽车的车主，从真实的体验上获得数据，也可以从汽车厂家、汽车说明书中获得。课堂上对各组数据的结果进行评析，评估各组的信息准确度，在实践调查的基础上充分了解锂离子电动汽车电池性能的优缺点。

从环境保护与资源利用上，能源紧缺、碳排放过量、空气污染是目前全世界遇到的三大问题，面对这些问题，全球的汽车行业都面临着能源与环境的巨大挑战。在我国，近年来汽车保有量不断攀升，石油消耗量日益增加，石油资源对外依存度不断提高;我国碳排放及污染物排放均居世界前列。新能源汽车是解决上述问题的有效举措。但与此同时，新能源汽车的发展也会遇到一些问题，以锂离子电动汽车为例，随着新能源电动汽车的快速发展，动力锂离子电池的需求量及报废量逐年上升，锂离子电池的回收处理问题亟需解决。从正负极材料以及电池构造来看，常见的锂离子电池中常含有锂、钴、铜、镍等，对其进行回收利用十分有利于资源的可持续和循环经济的发展。此外，电解液中的有机物如果没有合理处置也会对环境带来一定的危害。

环节5： 社会意识文化及伦理层面的议题讨论

由于思维习惯、价值观念及审美情趣等的影响，消费者对新能源电动汽车的接纳程度不同，新能源汽车市场“遇冷”主要是因为消费者对新能源汽车概念认识不足，大多数消费者处于听说过的状态而对新能源汽车没有做深入的了解。不少消费者对新能源汽车的安全性及操作便捷性存在质疑，而事实上，新能源汽车的安全性及可操作性都很好。以锂离子电池为例，摒弃纯锂后，电池的安全性是很有保障的。除此之外，充电的便捷性也会影响到消费者的选择。新能源汽车的推广是应对环境保护问题的一大举措，对于消费者来说会面临平衡经济利益与物质生活、个人利益与整体利益等的伦理问题。讨论社会性科学议题的社会意识文化及伦理层面的问题，能培养学生的全球意识、社会责任感等。

学生从社会意识文化及伦理角度思考时，可查阅当前的新能源汽车推广情况，访谈身边的家人朋友对新能源汽车的了解程度、对新能源汽车的看法，并与同学互相交流讨论各自的观点。

环节6： 经济层面的议题讨论

在社会层面思考的基础上，引导学生从经济的层面思考新能源汽车推广过程中的影响因素，经济成本是决定消费者是否购买的重要因素。经济成本包括： 购车成本、用电价格和更换电池的费用等。学生通过各种途径调查新能源汽车的经济成本，并在课堂上进行交流讨论。

环节7： 政策支持层面的议题讨论

学生分组调查政策支持力度，并交流讨论得到新能源汽车的推广政策。可以从以下几个角度引导学生调查： 加强示范推广工作;完善新能源汽车行业管理规定;实行财税优惠，比如私人购买新能源汽车补贴、免征汽车购置税、送新能源汽车牌照;鼓励技术创新，技术创新财政奖励，新能源汽车专项试点;在基础设施上，奖励充电设施建设、调整用电价格等。

在上述教学活动中，学生可能逐步构画出新能源电动汽车发展的影响因素示意图，如图5所示。

2.3 不同层面间的相互作用

在上述环节的讨论过程中，学生能够逐渐发现： 科学、伦理、经济、政策、社会意识文化等层面并不是相互独立的，而是协同促进、共同发展的。以政策这一层面为例，政策起到了强大的支持作用，政策鼓励科技创新，促进解决科学问题;政策推广提高消费者对新能源汽车的认识，政策的引导影响伦理和社会意识文化的改变;财政补贴降低新能源汽车的使用成本。在此过程中思考各个层面间的协同作用，为科学决策提供坚实基础，由此学生可能构画出如图6所示的关系图。

对于社会性科学议题来说，很多科学性问题还未得到解决，又与社会性、伦理性等问题紧密相连，这就决定了社会性科学议题的复杂性和争议性，在解决社会性科学议题的过程中，厘清争议非常重要。在教学过程中，教师可设计一些争议性问题，帮助学生深入地探讨议题，环节8和环节9可作为参考。

环节8： 电动汽车与燃油汽车的优劣对比

在新能源汽车的发展过程中，遇到了不少争议，其中核心争议点就是电动汽车与燃油汽车相比孰优孰劣。可以引导学生从经济、安全、实用等角度思考，如表1所示。在这个环节中，学生可以分组讨论，形成小组汇报，锻炼学生团队分工协作的能力。

环节9： 推广方案的讨论

教师拟定促进新能源汽车推广的3个方案，针对方案，学生填写立场与理由。这3个方案可以是： （1）禁售或限售燃油汽车;（2）取消私人购买新能源汽车补贴，加大技术创新财政奖励;（3）应先考虑提高锂离子电池的性能问题，再考虑锂离子电池的回收处理。

2.4 明确自身观点提出方案

环节10： 推广方案的修订与立场的再次选择

针对促进新能源汽车推广的3个方案，学生分组讨论并对方案进行修订与立场的再次选择。撰写3个方案的修正意见并对修正意见表达立场与理由。

环节11： 论文写作——新能源汽车的发展现状及前景

论文写作是社会性科学议题教学的最后一项学生任务，但这并不能作为评估的唯一证据。在教学过程中，应涉及各种正式及非正式的评估，可包含传统的测验与考试，比如说原电池、电解池及燃料电池的原理及应用测试;表现型的项目和任务，比如环节4～7、10;观察和对话;学生在不同时间的自我评估及同伴评估等。

3 SSI教学的设计建议

社会性科学议题以真实复杂的情境为背景，旨在培养学生分析解决真实问题、进行科学决策的能力。为塑造全面培养学生科学素养的科学性社会议题课堂，需要考虑以下设计原则。

3.1 设计元素

在设计SSI教学时，先要围绕一个引人瞩目的问题组织教学，这个问题要与学生生活实践相关，能引起学生的学习兴趣;其次教师要给学生更高层次的实践提供框架;最后设计一个最终的活动。在教学过程中，使用网络媒体将议题与现实世界联系起来，并使用多种技术来促进学习，信息素养的培养贯穿社会性科学议题教学的全过程。

3.2 构建宽容的课堂环境

在SSI教学过程中，要创造协作互动的环境，尊重学生观点，根据学生观点进行交流讨论，观点的正确或全面与否不是课堂的重点，重点是关注学生的推理过程及思维发展。师生要相互尊重，彼此交流，强调学生的参与体验度。由于社会性科学议题的跨学科性，对于教师来说是一个很大的挑战，议题的思考层面划分存在争议，教师要能认识到自身知识的局限性，避免成为课堂上的权威者。

3.3 教师教学过程中的支架作用

教师要充分了解议题的科学及社会维度，在学生遇到挫折与障碍时，给学生提供合适的学习支架。在学生思维混乱或无头绪时，引导学生从科学、伦理、经济、政治等层面思考;当学生不能提出解决方案或表明立场时，教师设计该议题下的辩题或者方案，引导学生思考讨论，从而保证教学活动的有序推进。

参考文献：

[1]Sadler T. D.. Situating Socioscientific Issues in Classrooms as a Means of Achieving Goals of Science Education [J]. Socioscientific Issues in the Classroom， 2011， 39（4）： 1～9.

[2]陸庭銮， 孟献华. 社会性科学议题的教学设计和组织——以“全球气候变暖”议题的教学为例[J]. 化学教学， 2018， （8）： 48～51.

[3]Laura Zangori， Cory T. Forbes， Christina V. Schwarz. Exploring the Effect of Embedded Scaffolding Within Curricular Tasks on ThirdGrade Students ModelBased Explanations about Hydrologic Cycling [J]. Science & Education， 2015， 24（7～8）： 957～981.

[4]李继良， 方艳. 图尔敏论证模型在“社会性科学议题”教学中的应用——以“是否建设一座硫酸厂”为例[J]. 化学教学， 2019， （5）： 65～68.

[5]Sadler T. D.， Foulk J. A. & Friedrichsen P. J.. Evolution of a Model for SocioScientific Issue Teaching and Learning [J]. International Journal of Education in Mathematics， Science and Technology， 2017， 5（2）： 75～87.

[6]林采薇、 靳知勤. 小学生在社会性科学议题教学中的认知与立场改变——以全球暖化议题为例[J]. 科学教育学刊， 2018， 26（4）： 283～303.