全面提升學生科學素養的社會性科學議題的教學設計

吳金鑫 李娟

摘要： 社會性科學議題是以科學為載體的某些結構不良、復雜且有爭議性的社會性問題。將這類問題作為課堂教學情境，具有綜合項目式教學、案例教學、情境教學的部分特征，能激發學生的好奇心和探索欲，培養他們的批判性思維和工程思維。以“新能源汽車是否會取代燃油汽車”議題為例，設計單元教學案例。介紹全面提高學生科學素養的社會性科學議題教學框架，設計教學流程，拓寬社會性科學議題的教學應用，為一線教師及課程設計者提供參考。

關鍵詞： 科學素養; 社會性科學議題; 新能源汽車; 鋰離子電池

文章編號： 10056629（2020）10003506

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

在一個人的成長過程中，非認知的能力至關重要，比如，情緒控制能力、社會責任表現、思想的包容性、協作能力、交往能力等社會和情感能力，這些能力也是科學素養的重要層面。在傳統的課堂中，學生的這些能力往往不能得到很好的培養，而社會性議題教學就是在科學素養指導下構建的科學課堂，旨在培養學生科學決策的能力和解決生活中復雜問題的能力。

1 社會性科學議題教學

社會性科學議題（SocioScientific Issues， SSI）指的是以科學為載體的某些復雜的、結構不良的、有爭議性的社會性問題（比如全球變暖和基因工程等）。這類問題通常難以處理和預測，不同群體由于社會立場不同具有不同的觀點，由于結構不良、信息不全難以直接提出解決問題的辦法[1]。以這類問題作為課堂教學情境，既有項目式教學、案例教學、情境教學的部分特征，更能激發學生的好奇心，促使學生開展科學探究，培養學生的批判性思維。

復雜議題的教學也給教師和學生帶來很大的挑戰，目前有關社會性科學議題的教學流程基本可歸納為議題學習、議題實踐和議題實施[2]三大步驟。Sadler等人在教學實踐的基礎上總結出如圖1所示的教學框架[3]： 首先讓學生了解社會性議題;然后讓學生參與科學建模，在這個過程中，學生思考議題中包含的科學知識，并從社會性的角度系統性地思考議題;最后對該議題形成科學的理解、明確自己的立場或提出解決方案。

指導學生參與科學建模是SSI教學框架的核心，與圖爾敏論證方法[4]相比，模型作為科學現象及科學過程的呈現和解釋，更適用于探究社會性科學議題。故將建模作為貫穿學生參與社會性科學議題學習始終的主線，在學習過程中不斷開發、評估和修正模型，讓學生對知識的理解逐步實現一般化和系統化。學生學習的過程主要包括： 探索模型組成，了解每個組成在過程中的聯系和關系，明確各個組成之間的相互作用機制，再將該模型與真實世界相聯系，最后總結歸納出一般規律。

在指導學生對社會性科學議題的建模時，首先，要讓學生了解社會性科學議題，激發學生的探究興趣。然后，在學生的建模過程中，針對特定的社會性科學議題，引導學生思考議題的各個層面，一般來說，可以從科學、政治、經濟、宗教和倫理等層面思考，如圖2所示。教師要引導學生探究不同層面各自如何作用于議題以及不同層面之間如何相互影響。對于學生來說，理解模型不同層面之間的相互作用機制是比較困難的，故在設計這一環節的教學過程中，建議教師提供該議題下的辯題或方案，幫助學生厘清爭議。最后，學生解釋自己的模型，闡釋對該議題的看法，提出解決問題的方案。

2 單元教學設計——“新能源汽車是否會取代燃油汽車”

近年來，國內汽車購買率逐年增加，新能源汽車的發展受到政府的大力扶持，新能源汽車是生活中的熱點話題。討論議題“新能源汽車是否會取代燃油汽車”，引導學生思考新能源汽車的發展前景，將課本知識與生活實踐相聯系，與工程實踐相結合，培養學生的工程思維和解決實際問題的能力。

社會性科學議題教學由于其復雜性，在一節課中難以完成，采用單元或者章節的形式開展更利于對學生能力的培養，學校可將社會性科學議題設計為拓展課程或者校本課程。新能源汽車涉及到原電池、電解池以及燃料電池的內容，可以在高二學完這部分內容后進行，擬使用課時8～10小時。

根據Sadler等[5]提出的教學框架，結合林采薇等[6]提出的探索、概念引入、厘清爭議、概念應用四階段教學模型，設計教學過程。第一階段： 議題引入，明確議題的意義（環節1～3）;第二階段： 探索要從哪些層面來思考議題，以及這些層面如何影響議題（環節4～7）;第三階段： 探究不同層面之間如何相互作用（環節8～9）;第四階段： 利用不同層面間的作用解決問題（環節10～11）。從學生的建模實踐來看，第一階段是學生認識議題的過程，第二、三階段是學生建構模型的過程，第四階段為學生對模型進行解釋。教學案例設計流程如圖3所示。

2.1 議題引入

環節1： 網絡在線發布問題

在教學之前，教師通過網絡在線平臺（如CCR、微助教）發布議題：“新能源汽車是近幾年的一個熱點問題，許多購車人士都在觀望，如果是你，你會選擇購買新能源汽車嗎？請回答并給出你的理由。”學生可在移動設備上進行回答、提問及討論。在此階段，學生給出自己的觀點，教師依據學生的觀點對學生進行分組，方便后續討論，同時也能通過在線平臺實時反饋、了解學生前概念，并在此基礎上進行教學設計。

環節2： 查詢新能源汽車發展史

在線討論環節中，學生對議題的討論大多數都出于生活經驗的直觀感受，實際上對于新能源汽車并不十分了解，此環節可引導學生自主學習新能源汽車的發展史，了解包括純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車、氫發動機汽車以及其他新能源汽車等，對各種能源的動力原理進行簡單的了解，引導學生討論比較各種新能源汽車的優劣點，進一步了解議題。

環節3： 討論二次電池的發電原理

以二次電池為例，回顧二次電池的發電原理、電極材料的選擇、充放電的電極反應式。以二次電池的發展史為時間軸，探究鉛酸蓄電池、鎳氫蓄電池、鋰離子電池的發電原理、電極材料、充放電時的電極反應式（如圖4所示）。

在電子產品、儲能產品以及新能源汽車領域，鋰離子電池的應用日趨廣泛。引導學生從鋰的結構探究鋰離子電池成為二次電池寵兒的原因。鋰屬于堿金屬，處于元素周期表的第二周期第一主族，這就決定了鋰具有極易失電子的能力，具有很高的電化學勢。金屬鋰是堿金屬中密度最低的金屬，決定了鋰金屬電池的比容量（specific capacity）十分可觀，也就是說單位質量的鋰金屬能夠給出或接受的電子數很高。

20世紀70年代初，科學家們因為鋰的這些特殊性質，將金屬鋰作為電池的陽極，開始了鋰電池的發展之路。引導學生自主查閱資料，在課堂上匯報交流鋰電池到鋰離子電池的發展史，讓學生體驗科學發展的路徑。

2.2 議題的討論層面

新能源電動汽車的發展和推廣，是一個復雜的、具有一定爭議性的真實的問題。在這里以鋰離子電動汽車為例，討論新能源汽車是否會取代燃油汽車，有很多層面有待討論。通過學生在環節1中的討論交流情況，了解學生對議題的思考角度及深度，學生在思考這個議題時，剛開始可能只從某一個或者某幾個角度來看待問題，這種思維的片面性不能讓他們做出合理的決策。

如果直接讓學生在課堂上總結自己的觀點，并對觀點進行討論，討論效果并不能保證，而且大部分學生會有一種無處下手、理不清思路之感，導致學生參與度不高。此時就需要教師根據社會性議題的思考角度，對學生在線討論的結果進行分類，讓學生從科學角度、倫理角度、經濟角度以及政策支持角度等逐一思考，逐漸了解議題的全貌。

環節4： 科學層面的議題討論

學生在認識議題的過程中已經從科學層面提出了一些觀點，但部分學生可能還不十分明確科學問題與非科學問題。在這里教師要幫助學生理解議題的科學層面，比如說2019年諾貝爾獎得主之一的吉野彰用有機溶劑取代水，在負極使用碳、正極使用鈷酸鋰（含有鋰離子的金屬氧化物）得到4V以上的電動勢完成了鋰離子電池的原型。在此基礎上引導學生在自身經驗以及查閱資料的基礎上，互相交流討論議題的其他科學角度。

從電池性能上，學生可能考慮到電池的充電時間、每次充電的續航能力、電池的重量、電池的更換周期等。這些問題在生活中學生或多或少都有一定的了解，可以讓學生分組調查市面上銷售的鋰離子電動汽車的這些性能，調查方式不限，可以是詢問鋰離子電動汽車的車主，從真實的體驗上獲得數據，也可以從汽車廠家、汽車說明書中獲得。課堂上對各組數據的結果進行評析，評估各組的信息準確度，在實踐調查的基礎上充分了解鋰離子電動汽車電池性能的優缺點。

從環境保護與資源利用上，能源緊缺、碳排放過量、空氣污染是目前全世界遇到的三大問題，面對這些問題，全球的汽車行業都面臨著能源與環境的巨大挑戰。在我國，近年來汽車保有量不斷攀升，石油消耗量日益增加，石油資源對外依存度不斷提高;我國碳排放及污染物排放均居世界前列。新能源汽車是解決上述問題的有效舉措。但與此同時，新能源汽車的發展也會遇到一些問題，以鋰離子電動汽車為例，隨著新能源電動汽車的快速發展，動力鋰離子電池的需求量及報廢量逐年上升，鋰離子電池的回收處理問題亟需解決。從正負極材料以及電池構造來看，常見的鋰離子電池中常含有鋰、鈷、銅、鎳等，對其進行回收利用十分有利于資源的可持續和循環經濟的發展。此外，電解液中的有機物如果沒有合理處置也會對環境帶來一定的危害。

環節5： 社會意識文化及倫理層面的議題討論

由于思維習慣、價值觀念及審美情趣等的影響，消費者對新能源電動汽車的接納程度不同，新能源汽車市場“遇冷”主要是因為消費者對新能源汽車概念認識不足，大多數消費者處于聽說過的狀態而對新能源汽車沒有做深入的了解。不少消費者對新能源汽車的安全性及操作便捷性存在質疑，而事實上，新能源汽車的安全性及可操作性都很好。以鋰離子電池為例，摒棄純鋰后，電池的安全性是很有保障的。除此之外，充電的便捷性也會影響到消費者的選擇。新能源汽車的推廣是應對環境保護問題的一大舉措，對于消費者來說會面臨平衡經濟利益與物質生活、個人利益與整體利益等的倫理問題。討論社會性科學議題的社會意識文化及倫理層面的問題，能培養學生的全球意識、社會責任感等。

學生從社會意識文化及倫理角度思考時，可查閱當前的新能源汽車推廣情況，訪談身邊的家人朋友對新能源汽車的了解程度、對新能源汽車的看法，并與同學互相交流討論各自的觀點。

環節6： 經濟層面的議題討論

在社會層面思考的基礎上，引導學生從經濟的層面思考新能源汽車推廣過程中的影響因素，經濟成本是決定消費者是否購買的重要因素。經濟成本包括： 購車成本、用電價格和更換電池的費用等。學生通過各種途徑調查新能源汽車的經濟成本，并在課堂上進行交流討論。

環節7： 政策支持層面的議題討論

學生分組調查政策支持力度，并交流討論得到新能源汽車的推廣政策。可以從以下幾個角度引導學生調查： 加強示范推廣工作;完善新能源汽車行業管理規定;實行財稅優惠，比如私人購買新能源汽車補貼、免征汽車購置稅、送新能源汽車牌照;鼓勵技術創新，技術創新財政獎勵，新能源汽車專項試點;在基礎設施上，獎勵充電設施建設、調整用電價格等。

在上述教學活動中，學生可能逐步構畫出新能源電動汽車發展的影響因素示意圖，如圖5所示。

2.3 不同層面間的相互作用

在上述環節的討論過程中，學生能夠逐漸發現： 科學、倫理、經濟、政策、社會意識文化等層面并不是相互獨立的，而是協同促進、共同發展的。以政策這一層面為例，政策起到了強大的支持作用，政策鼓勵科技創新，促進解決科學問題;政策推廣提高消費者對新能源汽車的認識，政策的引導影響倫理和社會意識文化的改變;財政補貼降低新能源汽車的使用成本。在此過程中思考各個層面間的協同作用，為科學決策提供堅實基礎，由此學生可能構畫出如圖6所示的關系圖。

對于社會性科學議題來說，很多科學性問題還未得到解決，又與社會性、倫理性等問題緊密相連，這就決定了社會性科學議題的復雜性和爭議性，在解決社會性科學議題的過程中，厘清爭議非常重要。在教學過程中，教師可設計一些爭議性問題，幫助學生深入地探討議題，環節8和環節9可作為參考。

環節8： 電動汽車與燃油汽車的優劣對比

在新能源汽車的發展過程中，遇到了不少爭議，其中核心爭議點就是電動汽車與燃油汽車相比孰優孰劣。可以引導學生從經濟、安全、實用等角度思考，如表1所示。在這個環節中，學生可以分組討論，形成小組匯報，鍛煉學生團隊分工協作的能力。

環節9： 推廣方案的討論

教師擬定促進新能源汽車推廣的3個方案，針對方案，學生填寫立場與理由。這3個方案可以是： （1）禁售或限售燃油汽車;（2）取消私人購買新能源汽車補貼，加大技術創新財政獎勵;（3）應先考慮提高鋰離子電池的性能問題，再考慮鋰離子電池的回收處理。

2.4 明確自身觀點提出方案

環節10： 推廣方案的修訂與立場的再次選擇

針對促進新能源汽車推廣的3個方案，學生分組討論并對方案進行修訂與立場的再次選擇。撰寫3個方案的修正意見并對修正意見表達立場與理由。

環節11： 論文寫作——新能源汽車的發展現狀及前景

論文寫作是社會性科學議題教學的最后一項學生任務，但這并不能作為評估的唯一證據。在教學過程中，應涉及各種正式及非正式的評估，可包含傳統的測驗與考試，比如說原電池、電解池及燃料電池的原理及應用測試;表現型的項目和任務，比如環節4～7、10;觀察和對話;學生在不同時間的自我評估及同伴評估等。

3 SSI教學的設計建議

社會性科學議題以真實復雜的情境為背景，旨在培養學生分析解決真實問題、進行科學決策的能力。為塑造全面培養學生科學素養的科學性社會議題課堂，需要考慮以下設計原則。

3.1 設計元素

在設計SSI教學時，先要圍繞一個引人矚目的問題組織教學，這個問題要與學生生活實踐相關，能引起學生的學習興趣;其次教師要給學生更高層次的實踐提供框架;最后設計一個最終的活動。在教學過程中，使用網絡媒體將議題與現實世界聯系起來，并使用多種技術來促進學習，信息素養的培養貫穿社會性科學議題教學的全過程。

3.2 構建寬容的課堂環境

在SSI教學過程中，要創造協作互動的環境，尊重學生觀點，根據學生觀點進行交流討論，觀點的正確或全面與否不是課堂的重點，重點是關注學生的推理過程及思維發展。師生要相互尊重，彼此交流，強調學生的參與體驗度。由于社會性科學議題的跨學科性，對于教師來說是一個很大的挑戰，議題的思考層面劃分存在爭議，教師要能認識到自身知識的局限性，避免成為課堂上的權威者。

3.3 教師教學過程中的支架作用

教師要充分了解議題的科學及社會維度，在學生遇到挫折與障礙時，給學生提供合適的學習支架。在學生思維混亂或無頭緒時，引導學生從科學、倫理、經濟、政治等層面思考;當學生不能提出解決方案或表明立場時，教師設計該議題下的辯題或者方案，引導學生思考討論，從而保證教學活動的有序推進。

參考文獻：

[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]陸庭鑾， 孟獻華. 社會性科學議題的教學設計和組織——以“全球氣候變暖”議題的教學為例[J]. 化學教學， 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]李繼良， 方艷. 圖爾敏論證模型在“社會性科學議題”教學中的應用——以“是否建設一座硫酸廠”為例[J]. 化學教學， 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. 小學生在社會性科學議題教學中的認知與立場改變——以全球暖化議題為例[J]. 科學教育學刊， 2018， 26（4）： 283～303.