基于真实问题情境的STSE综合实践活动设计

李法瑞

摘要：基于真实情境引导学生提出有价值的探究问题是发展核心素养的一项重要实践策略。本课题紧紧围绕“探秘地铁车厢中CO₂浓度与人体健康的关系”这一问题情境设计STSE综合实践活动，希望学生能够通过以分析化学方法与原理切入，兼顾人体健康、工程技术领域探究的跨学科学习，培养学生勇于创新的实践品质和善于运用科学探究方法进行问题解决的思維品格。

关键词：真实问题情境;STSE;综合实践活动;空气质量;人体健康

文章编号：l008-0546（2020）06-0064-04 中图分类号：G632.41 文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2020.06.017

综合实践活动是区别于学科课程的一门非学术性课程，主要是通过学生的亲身实践，学习科学研究的方法、增强科学探究的能力、加深对社会的了解、加强课堂知识和社会生活的联系。它不仅有利于学生提升化学研究能力、拓展化学视野、增强社会责任感，更为今后他们进一步开展其他活动积累经验。《普通高中化学课程标准（2017版）》突出了STSE（科学.技术.社会.环境）综合实践活动的重要地位，分别设置了“STSE综合实验”和“STSE综合实践”主题，强调“要倡导真实问题情境的创设，开展以化学实验为主的多种探究活动，转变学生学习方式，培养其创新精神和实践能力”和“要围绕资源、能源与环境等与可持续发展密切相关的问题开展综合实践。

一、活动实施背景

现今，地铁已成为全国各大城市的重要通勤方式之一。随着国家现代化进程的深入推进，越来越多的人们将会选择地铁出行。由于地铁车厢身处较为封闭的地下环境中，当人流拥挤或出行高峰时，一些身体条件较差的人常常会感到不适。据报道，2015年4月20日早8点30分，深圳地铁5号线黄贝岭站一名乘客因不明原因在站台上晕倒，引起站台部分乘客恐慌拥挤，导致9名轻微受伤乘客被送往医院。近年来，类似有乘客在地铁站内晕倒事件时有发生。2018年10月的一天，本课题组成员在早高峰乘坐地铁出行时，巧遇一位老年人在密集的人流中突然晕厥的事件，同学们纷纷伸出援助之手，第一时间拨打120并联系站内工作人员。事发之后，同学们及时向我反映了这一突发事件。随后，我带领同学们讨论这位老年人突然晕厥的可能原因。有位同学大胆提出一个值得探究的科学假设：老年人身体不适可能与地铁这厢内CO₂浓度过高有关！

随后，课题组成员通过文献调研，认同这位同学所提科学假设的科学性和可行性。因为，研究表明大气CO₂是重要的温室气体，全球暖化的元凶之一。与此同时，室内CO，对人体健康影响及行车安全顾虑更是不容忽视的主因之一，生活中CO₂是人类每时每刻都在制造却经常被忽略的气体。数据显示，人体暴露在3%浓度（体积分数）的CO₂中几个小时后，人类的呼吸系统就会产生不适，会造成头晕或呼吸不畅;暴露在7%浓度的CO₂中几分钟，就会造成意识丧失;而暴露在15%浓度的CO₂中会立刻威胁到生命。CO₂对人体造成危害的方式主要是通过排挤空气中的氧气，降低氧气浓度;同时提高血液中CO₂的浓度，造成呼吸系统、神经系统方面的损伤。

由于老年人突然晕厥的事件发生时，正值客流高峰，车厢内部人群非常拥挤，空气憋闷，缺少新鲜且充足的氧气，加之老年人身体基础条件相较于青年人差，所以引发了此次事件。大家商议之后，随即成立课题组就这一问题展开实验探究，开展“探秘地铁车厢中CO₂浓度与人体健康的关系”实践活动。

二、教学价值分析

1.立足真实情境，提出探究问题，强化共同参与社会问题的责任

本活动选取“地铁车厢CO₂濃度”这一贴近生活的社会热点与难点问题，通过引领学生走进社会真实情境，进一步探究空气质量与人体健康等问题，通过“呵护生存环境”等“新课标”中所倡导的主题学习实践活动，了解相关污染物及其危害，为消除危害提供研究支撑，在强化公众共同参与环境治理的责任的同时，也为新课标“环境问题及其处理”模块相关内容提供有益补充。

2.基于项目学习，开展综合实践，运用科学实验破解生活的难题

由师生共同组建的“探秘地铁车厢CO₂浓度变化与人体健康关系”课题研究小组，希望能通过项目学习（Project-based Learning，PBL）的方式开展以化学学科为切人口的跨学科教学创新实践，希望能够科学分析出早高峰时段地铁车厢内CO₂浓度变化特征与规律，并尝试建立CO₂浓度变化特征与人体舒适指数之间的紧密关联，提出改善地铁车厢空气质量的合理化建议，为乘客安全出行保驾护航。

3.指向核心素养，实现跨界学习，引领不同领域探索的创新成长

为了深度学习并参与“探秘地铁车厢CO₂浓度变化”这一与STSE紧密关联的综合实践活动，课题组商议决定实施三个主题的探究活动（图1）：（1）运用数字化实验技术绘制地铁干线CO₂浓度变化地图;（2）地铁CO₂浓度变化与“人体感指数”关系初探;（3）地铁车厢“智能CO₂浓度平衡系统”装置创设。在教师的引导下，以期实现在相对应的探究活动中有所侧重地培养与发展学生学科核心素养目标。

三、实践活动设计

1.实践活动1：基于“化学分析领域”的设计

（1）确定活动主题：运用数字化实验技术绘制地铁干线CO₂浓度变化地图

怎么样科学准确地测量地铁车厢CO₂浓度呢？显然，这需要带领学生一起学习并运用现代分析化学的原理及其相关技术。因此，为了探究地铁高峰时段人们感到难受不适的原因，课题组采用便携式CO₂传感器等数字化实验技术开展实验探究，希望以上海市地铁2号线冬季早高峰（7-9点）为例，针对现代轨道交通地铁干线CO₂浓度的变化绘制出地铁CO₂变化曲线地图，希望能为城市地铁建设及规划提供有益参考。

（2）构思研究思路

经过商议，课题组决定对地铁车厢内部空气中CO₂浓度的测量，根据不同站点的实验数据进行分析并绘制出地铁运行过程中车厢内部CO₂浓度变化曲线地图，以期为后续地铁空气质量优化研究及人们健康出行提供科学依据。

（3）实践活动实施

①课题组成员选择威尼尔Vernier实验探索者LabQuest2传感器采集器、CO₂传感器、湿度传感器（图2），于2019年1月21日、22日、23日三个不同工作日的早高峰时段（7-9点），依次完成实验数据采集;

②每次采集时，成员在上海地铁二号线的始发站淞虹路站车厢内部（每列地铁的中间一节车厢的4门之中心点）开展测试，待发车时开启传感器采集器、CO₂传感器、湿度传感器，实时记录每个站点的CO₂峰值及湿度;

③记录数据后，求出平均值，导人电脑绘制出图像并分析数据的特征值;

④小组讨论分析得出相关结论。

（4）实验活动成果

实验涵盖从淞虹路至广兰路站，共计19个地铁站点的数据采集情况（图3）。其中，南京东路站CO₂浓度峰值最高为2729ppm，其次依次为陆家嘴站2636ppm、人民广场站2439ppm。而淞虹路站（始发站）为1319ppm，为CO₂浓度峰值最低的站点。

（5）实践活动总结

实验全程要经历19个站点，仅单程就需要1个小时。而且恰逢客流高峰时段，人流密度非常大，实验数据采集环境欠佳。课题组成员为了确保实验能够顺利进行，克服了种种困难，完成了实验全程。实践表明，该活动的设计有益于学生进行宏观辨识与微观探析，有利于培养学生的科学方法、证据意识和创新精神。

2.实践活动2：基于“人体健康领域”的设计

（1）确定活动主题：地铁CO₂浓度变化与“人体感指数”关系初探

“化学分析领域”的活动中，课题组运用化学实验，绘制出一份早高峰各站点车厢内CO₂浓度变化曲线地图。那么，究竟CO₂浓度变化与人体感受的实际相关性如何呢？为此，课题组开启了有关“人体健康领域”的实践活动设计。

该实践活动设计需要考虑跨学科学习，不仅涉及到2017版化学新课标中“化学与生活”模块“呵护生存环境”的相关表述，还涉及到《普通高中生物课程标准（2017版）》“健康生活”模块中的教学建议：“创设情境，开发思维，让学生将健康知识与解决社会有关健康问题结合起来，培养社会责任感”。

（2）构思研究思路

为了解决这一问题，课题组尝试提出“人体感指数”概念，通过运用社会调查问卷的方法，重点关注地铁车厢CO₂浓度变化与乘客在对应站点的“人体感指数”的关联程度，探究地铁车厢内CO₂浓度变化特征对人体主观感受程度的影响。

（3）实践活动实施

①设计客流高峰时段，乘客地铁出行主观感受问卷，包括：年龄、性别、现场人体感指数级别、现场体感不舒适的原因、地铁空气质量认知度等多个指标及维度;

②在运用传感器监测车厢内部CO₂浓度实时数据的同时，课题组其他成员通过现场发放问卷的形式，对“人体感指数”等指标开展调查;

③结合现场访谈，补充乘客主观舒适度调查数据。

（4）實验活动成果

课题组通过人体感指数数据（图4）与CO₂浓度数据分析得出，人体感指数（实时感受舒适度）与CO₂浓度变化趋势呈负相关，当CO₂浓度有升高趋势时，人体感指数趋于下降;反而反之。同时，提出出行建议：由2号线早高峰CO₂浓度变化地图和人体感指数变化图共同得出，在早高峰时段，南京西路到世纪公园的CO₂浓度相对较高，建议错峰出行。

（5）实践活动总结

课题组首次提出“乘客在地铁车厢内部的人体感指数”这一概念，用于研究上海市重点地铁线路，尝试建立研究具有创新性。课题组成员经常召开临时会议，充分表达交流、反复查阅求证，最终起草出较为满意的调查问卷，开展了创造性的研究工作。不仅有效增强了学生基于真实问题情境开展STSE综合实践活动的内驱力和创造力，也赋予了学生为改善地铁运营环境，提供研究依据的使命感。

3.实践活动3：基于“工程技术领域”的设计

（1）确定活动主题：地铁车厢“智能CO₂浓度平衡系统”装置创设

那么，有没有优化地铁车厢空气质量的方案，以提升高峰时段人体感指数呢？为此，课题组尝试从工程技术领域突破，最终确定出该活动的主题任务，即：完成一份《关于地铁车厢“智能CO₂浓度平衡系统”装置创设》的创意方案。

（2）构思研究思路

创意方案的完成，需要借助高中《通用技术》领域的相关知识储备和实践能力运用。通用技术学科核心素养主要包括：技术意识、工程思维、创新设计、图样表达、物化能力五个方面。显然，在该活动设计中，鉴于学生现有的知识结构和实践能力基础，对于“物化能力”暂不做过多要求。而仅需要学生在活动中，运用技术意识和工程思维，提出一份创新设计方案并进行图样表达即可。

（3）实践活动实施

①研究地铁车厢的现有内部构造;

②查找可能地铁车厢中引起高峰时段CO₂浓度偏高的薄弱之处;

③通过互联网及相关文献资源，提出“智能CO₂浓度平衡系统”研发设想;

④通过图样表达，进行交流展示。

（4）实验活动成果

课题组提出了如图5及图6所示的科技创意方案。

核心部件为CO₂固定载体模块，它是一种密闭系统CO₂控制器仿真模型，以Labview软件为平台与硬件连接，作为实际控制器，通过对密闭系统中CO₂浓度的监测以调节CO₂固定载体模块的使用时间，进而影响密闭系统CO₂和O₂浓度，从而达到自动调控密闭系统中CO₂和O₂平衡的目的。

（5）实践活动总结

在该活动实施过程中，虽然课题组成员没有将其提出的设计方案最终物化成实物模型，但是这不影响他们在STSE综合实践活动中对“有理念、会设计、能动手、善创造”的通用技术课程目标的理解和体验。通过该活动，课题组成员最终完成了从“地铁车厢CO₂浓度变化地图绘制”，到“人体感指数提出并应用”，再到“智能CO₂浓度平衡系统创设”的跨學科学习体验。

四、实践活动反思

1.基于生活化的问题情境，有利于激发学生的创新探索热情

“探秘地铁车厢中CO₂浓度与人体健康的关系”的活动设计，立足真实情境、基于项目学习、指向核心素养，通过紧密衔接、相互关联的三个主题活动，有效地激发起学生的探究热情，赋予他们勇于创新、勤于实践、敢于质疑的宝贵品质。

2.基于问题化的系列设计，有利于锻炼学生的问题解决能力

在这个主题突出、问题鲜明、时代感强的STSE综合实践活动中，课题组成员基于真实的问题情境，逐一解决了“地铁车厢中CO₂浓度”“人体感指数关联性建构”和“CO₂智能平衡系统创设”三个重要问题，提升了问题解决能力。

3.基于实践不足之处探讨，有利于学生核心素养的持续发展

然而，课题组成员也清楚地认识到实践活动中尚存一定的不足之处。比如，采用便携式手持技术分析设备，所得数据的精密度是否经得起验证？人体感指数的概念界定及指标构建是否科学完善？CO₂智能平衡系统是否可以真正落地开花、造福于民？我们认为，教师要在把握好科学方法的前提下，指导学生科学的开展实践探索，指导他们领悟创新实践的魅力，同时也要适当兼顾教育留白，而恰恰能够让他们能意识到研究的不足才是有益于他们核心素养持续发展的可贵之处。