社会性科学议题下化学跨学科教学设计研究——鲨鱼皮泳衣的进与退.pdf

炫动漫教育创新 245 社会性科学议题下化学跨学科教学设计研究鲨鱼皮泳衣的进与退孟玉洁 徐紫玥 王峥湖北大学化学化工学院 430062摘要：借助社会性科学议题的复杂性、开放性和争议性，引起学生的认知冲突，将社会性科学议题融入高中化学教学中，提出社会性科学议题下化学教学的一般流程，结合特定的知识内容，进行跨学科教学设计。通过对议题多角度、多层面的思考与分析，在真实情境中提升学生分析问题、辩证思考、搜集信息、做出决策的能力，发展学生的高阶思维。关键词：社会性科学议题；高阶思维；跨学科教学；新材料；鲨鱼皮泳衣中图分类号：G633.8 文献标识码：A1 问题的提出随着科学技术的发展，产生了一系列与伦理道德、生态环境和经济发展等相关的社会性问题，称为社会性科学议题（英文全称为 Socio-scientific Issues，简称SSI）。由于这类议题具有复杂性、争议性和结构不良等特点，使人们产生观念、价值上的冲突，从而引发人们对这类议题多角度、多层面的思考与分析1。国内外研究表明，在课堂上引入社会性科学议题开展教学，对培养学生的高阶思维有显著效果2,3。普通高中化学课程标准（2020 年版）中多次提及社会性议题，明确提出学生要有意识运用所学的知识或寻求相关证据参与社会性议题的讨论，通过讨论与化学密切相关的有争议的社会性议题，促进学生辩证地看待问题，培养学生参与社会决策的意识。4在化学教学中引入社会性科学议题，提供真实情境，可激发学生的探究兴趣，引导学生综合应用所学知识为社会问题出谋划策，解决实际问题，促进学生批判性思维等高阶思维的发展。52 社会性科学议题融入化学教学的一般流程将社会性科学性科学议题引入化学教学主要分为三个阶段，分别是议题引入、议题讨论和议题总结。2.1 议题引入社会性科学议题通常比较复杂，因此议题的引入需要教师结合特定的知识内容选取与化学学科具有相关性的议题，将社会性科学议题与化学知识建立起联系，引起学生的学习兴趣；同时，利用社会性科学议题的复杂性，调动学生多角度思考问题的积极性。2.2 议题讨论对议题的讨论是教学过程中的中心环节，议题讨论环节要以学生为主导，教师引导学生从不同角度思考，如学科视角、环境视角、经济视角、社会视角等。在此环节中持不同观点的学生通过发散思维，发展关键能力。2.3 议题总结在议题总结环节中，学生需要总结、呈现论据，完整地表述并证明自己的观点。由于议题并无唯一答案，因此教师可以从学生能否多角度地看待问题、清晰地进行表述、逻辑严密地论证观点等方面进行评价。3 教学设计3.1 教学主题的确立2022 年北京冬奥会的成功举办对我国和世界都产生了重要影响，极大地增强了我国的民族自信心和自豪感。在冬奥会上，新科技给奥运会添色，但与此同时，我们不禁会思考高科技与奥运会所要传递的奥林匹克精神之间的关系，在竞技比赛中，科技能否介入？又该以什么样的角色介入？因此，从化学知识出发，选取被禁止在国际游泳比赛中使用的鲨鱼皮泳衣作为讨论对象。通过对“国际游泳比赛中限制使用鲨鱼皮泳衣合理性”这一议题的讨论，思考在面对高科技、新材料、奥林匹克精神以及个人荣誉时，如何做出判断，培养学生分析问题、辩证思考、搜集信息、做出决策的能力。3.2 教学分析普通高中化学课程标准（2020 年版）中对化学科学在材料科学、人类健康等方面的重要应用做出了要求，明确提出学生要知道金属材料、无机非金属材料、高分子材料等常见材料类型，结合实例认识材料组成、性能与应用的联系。并提出学生要有意识运用所学的知识或寻求相关证据参与社会性议题的讨论，通过讨论与化学密切相关的社会性议题，促进学生辩证地看待问题，培养学生参与社会决策的意识。4本节课在学生学习过人教版高中化学教材必修二第五章第三节无机非金属材料后作为新材料拓展的课程来实施，部分内容涉及到选择性必修三中的高分子材料，学生虽然没有正式地学过高分子材料，但在日常生活中已经对高分子材料有了一定的了解，因此本节课的实施既能帮助学生加深对材料科学的认识，又能为后面选择性必修三中高分子材料的学习做好铺垫。3.3 教学目标（1）通过对鲨鱼皮泳衣结构的分析，了解泳衣的构造原理，认识到化学与物理、生物学科的内在联系，明确材料组成、性能和应用的联系。（2）通过对国际游泳比赛中限制使用鲨鱼皮泳衣合XUANDONGMAN教育创新 246 理性的讨论，提升分析问题、辩证思考、搜集信息、做出决策的能力。3.4 教学流程议题引出 情景 1 播放北京冬奥会短道速滑比赛视频。提出问题 短道速滑比赛中，我国短道速滑运动员身上穿的号称为“冰上鲨鱼皮”的短道速滑服，拥有 15 倍钢丝强度，360 度防切割功能，在一定程度上保护了运动员的身体安全。说到这，我们不禁会想起游泳界的“鲨鱼皮”，从刚出现时的热潮，到后来的被废止，鲨鱼皮泳衣究竟经历了怎样的发展呢？其限制使用又是否合理呢？学生活动 仔细思考。设计意图：通过播放冬奥会短道速滑项目的视频激起学生学习兴趣。通过游泳界“鲨鱼皮泳衣”的废止使用，激起学生的认知冲突。议题讨论环节一：了解鲨鱼皮泳衣的发展史、兴衰史以及鲨鱼皮泳衣的结构。情景 2 展示鲨鱼皮泳衣发展史（以 Speedo 公司制造的鲨鱼皮泳衣为例），Speedo 公司制造的鲨鱼皮泳衣主要有以下四个阶段：情景 3 展示鲨鱼皮泳衣的兴衰史 教师 从鲨鱼皮泳衣的兴衰史中，我们可以看出在鲨鱼皮泳衣的发展期，泳坛的运动员们创造了很多世界纪录，那么鲨鱼皮泳衣如何提高游泳选手的成绩呢？提供资料 人在水中受到的阻力通常有三种，分别是摩擦阻力、压差阻力和波浪阻力。对鲨鱼皮肤表面的齿状结构的研究表明，齿状体可能有助于减少阻力，同时增加升力和推力。6而鲨鱼皮泳衣就是模仿鲨鱼皮的表面做成的，达到帮助运动员在游泳时减少阻力、提供动力的目的。6另外，鲨鱼皮泳衣由于表层涂有聚亚氨酯材料且能把运动员的身体塑造成完美的流线型，大大减少游泳时产生的阻力。学生活动 阅读资料，总结回答。设计意图：了解鲨鱼皮泳衣的发展兴衰史以及鲨鱼皮泳衣的结构和如何提高游泳速度。通过呈现资料培养学生的信息总结能力。环节二：了解鲨鱼皮泳衣结构对其功能的影响 教师 非常好，总结看来鲨鱼皮泳衣主要是从两个方面来提高运动员的比赛成绩的，一方面是通过减少游泳时的阻力，另一方面是提供游泳时的动力，请同学们根据收集到的资料总结每一代鲨鱼皮是如何做到减少阻力的？又是如何为运动员提供动力的?学生活动 仔细思考。教师提供资料 Fastskin 鲨鱼皮泳衣织物的超弹力纤维的表面是仿造鲨鱼皮的表面做成的,Fastskin 泳衣融合了动力原理，接缝处模仿肌腱，布料方面则模仿肌肉，富有弹性；Fastskin 采用两种不同表面性能的织物（Fastskin 和 Flexskin）制作，Fastskin 花纹形状模仿鲨鱼皮，起到拒水效果，Flexskin 为一种经编织物，将该织物作丝光处理和涂层处理使其表面平坦光滑，并进行拒水处理，另外，该泳衣充分运用了仿生学原理和新材料技术；Fastskin Pro 由防氧弹性纱和特细尼龙纱组成，弹性比同类产品高，可以减少肌肉振动和能量损耗；Fastskin LZR Raer 采用了太空合成材料，通过将贴近体表的水排开，减少水和肌肤的接触，以达到减阻的效果，LZR 泳衣制作采用无缝设计，在一定程度上减少了阻力，泳衣的灰色部分是高弹力的特殊材质，包裹在几个主要的大肌群上，强有力地压缩运动员的躯干与身体其他部位，降低肌肉与皮肤震动，帮助运动员节省能量、提高成绩。7 教师 引导学生注意新材料在鲨鱼皮泳衣中起的作用，总结鲨鱼皮泳衣发展过程中使用材料的变化，了解鲨鱼皮泳衣的发展与新材料进步的关系。学生活动 分析资料，总结归纳。设计意图：通过总结新材料在鲨鱼皮泳衣中起的作用，了解每一次鲨鱼皮泳衣的发展都是新材料的进步，总结鲨鱼皮泳衣发展过程中使用材料的变化。了解材料结构与功能的关系，并在此过程中结合物理学和生物学中的相关知识，帮助学生深入理解。环节三：论证在游泳比赛中限制使用鲨鱼皮泳衣是否合理 教师 刚才我们从原理上分析了鲨鱼皮泳衣是如何提高选手的成绩的，也了解了新材料对于泳衣性能提升的重要作用，现在请同学们思考为何鲨鱼皮泳衣最后会被限制使用呢？你认为限制鲨鱼皮泳衣的使用是否合理呢？学生观点 1 我不赞成使用鲨鱼皮泳衣，因为鲨鱼皮泳衣的使用在一定程度上违反了体育竞赛的公平性。学生观点 2 我赞成鲨鱼皮泳衣的使用，我认为现代竞技体育比赛中无处没有科技的影子，鲨鱼皮泳衣的使用只是科技融入体育赛事中的表现，并不构成违规，因此我认为限制鲨鱼皮泳衣在游泳比赛中使用是不合理的。8 教师 归纳总结两方的观点，追问学生观点 1。持观点 1 的学生 鲨鱼皮泳衣能够帮助运动员减少游泳时的阻力或提供动力，如果运动员过多使用鲨鱼皮泳衣会使运动员对泳衣产生依赖心理，在一定程度上运动员训练的积极性会降低。持观点 2 的学生 鲨鱼皮泳衣只是比赛的辅助条件，我们可以看到，即使使用了鲨鱼皮泳衣，夺冠的热炫动漫教育创新 247 门人选还是实力较强的运动员，鲨鱼皮泳衣可以减少运动员在水中的阻力，减小运动员之间由于自身条件带来的差异，从另一个方面看，这一定程度上保证了比赛的公平。持观点 1 的学生 当今游泳界泳池内部的技术较为稳定，实力运动员之间的差异并不大，这种情况下，泳衣的使用就会对运动员的成绩产生决定性作用。持观点 2 的学生 迄今并无独立研究可以证明Speedo 公司的鲨鱼皮泳衣能让运动员游得更快，在游泳比赛中对运动员成绩起主要作用的还是运动员的自身素质。持观点 1 的学生 我们了解到鲨鱼皮泳衣的造价是非常高的，一件泳衣的售价在 7000 元人民币左右，而泳衣的特性又决定了原有功效在使用 6 次后就必须更换新的泳衣，巨大的耗费并不是每位运动员都能承担得起的，如果运动员没有足够的经济实力，很可能会在比赛开始之前就输在起跑线上，这在不利于比赛公平。持观点 2 的学生 由于经济力量不同带来的不公平性不止存在于游泳领域，其他领域也随处可见，我们不认为这是限制鲨鱼皮泳衣在游泳比赛中使用的原因。教师 归纳总结观点，进一步追问学生观点 2，为什么你们认为鲨鱼皮泳衣的使用是科技融入体育的表现，并不构成违规现象？持观点 2 的学生 随着科技的发展，新科技会越来越多地渗透到各个领域，在目前各项运动纷纷引入高科技的背景下，游泳却放弃高科技，这是游泳比赛的一种倒退；另一层面上，限制高科技泳衣的使用，一方面会造成游泳运动发展的迟缓，另一方面可能会助长兴奋剂的使用，这是更为严重的后果；最后，如果使用鲨鱼皮泳衣是违规行为，那么为何之前穿鲨鱼皮泳衣取得的成绩不取消呢？持观点 1 的学生 科技的发展推动了社会各方面的发展，包括在体育赛事中，比如 2022 年的北京冬奥会，时速 90 公里的“猎豹”摄像机很大程度上维护了比赛的公平公正、二氧化碳跨临界直冷制冰技术，降低了制冰的能耗，实现“绿色制冰”。我们不反对新科技应用于体育赛事，关键是采用什么样的形式来应用、应用的范围和限度又是怎样的。另外，限制鲨鱼皮泳衣在游泳领域的使用是否会助长兴奋剂的使用，我们认为这两者并无直接关系，优秀的运动员靠自身的本领追求荣耀。设计意图：引入议题，持不同观点的学生对议题进行讨论，在陈述观点的过程中学生的辩证思维和综合思维不断得到发展，学生分析问题、辩证思考、搜集信息、做出决策的能力得到发展。议题总结 教师 通过同学们的讨论各方观点已经很明确了，现在请持有两种不同意见的同学代表分别总结，展示观点。学生 总结展示。教师 根据学生的表现对学生进行追问，提供形成性反馈，帮助学生发展辩证地看待问题的能力和基于观点搜寻证据的能力。设计意图：总结议题，综合证据与观点。3.5 教学反思由于社会性科学议题的复杂性，不同的学生对问题的看法不同，部分学生思路受限，这时需要教师进行引导，通过学生的回答了解学生思维特点，作出实时反馈，引导学生进行发散性思考，形成对客观问题的辩证理解，发展学生的辩证思维和综合思维。在本次的教学过程中，学生的综合思维、辩证思维等高阶思维能力得到一定程度的发展，但整个教学过程仍有不足，如在介绍社会性科学议题融入化学教学的一般流程时，没有对与化学教学相关的社会性科学议题进行概述；另外，教学过程中，对鲨鱼皮泳衣的发展阶段和功能进行讲解时，部分专业术语较为晦涩。4 展望社会性科学议题由于其争议性和开放性为教师进行跨学科教学、促进学生思维发展提供了理想素材，基于对“国际游泳比赛中限制使用鲨鱼皮泳衣合理性”的讨论，以鲨鱼皮泳衣材料的发展和应用作为与化学知识的衔接点，结合多学科知识，引发学生多角度的思考，议题无唯一答案，如何引导学生辩证地看待问题、基于问题推理论证、搜集信息、做出决策是设计的重点，但从整体角度来看如何探索合适的社会性科学议题用于特定主题的教学以及如何基于社会性科学议题进行学科整合度更高的教学，还需要更多的理论探索和实践研究。参考文献1 徐文勇,周勇.化学教学中的社会性科学议题与社会责任素养培育 J.化学教学,2023,(08):28-32+39.2 何林泽.高中化学教学中高阶思维的培养研究D.南京:南京师范大学,2020.3Ellane J.Park.Nanotechnology Course Designed for Non-Science Majors To Promote Critical Thinking and Integrative Learning SkillsJ.Journal of Chemical Education,2019,96(6),1278-1282.4 中华人民共和国教育部制定.普通高中课程方案(2017 年版 2020 年修订)S.北京:人民教育出版社,2020.5 蔡铁权.科学教育中的 SSI 教学 J.全球教育展望,2009,38(10):82-85.6 August D,Gino D,Weaver J C,et al.Hydrodynamic properties of biomimetic shark skin:Effect of denticle size and swimming speedJ.Bioinspiration&Biomimetics,2018.7吴明康.仿鲨鱼皮泳衣技术的发展与应用前景J.纺织科技进展,2009(02):90-91+98.8 陈薇,张金虎.关于取缔高科技泳衣的利与弊的思考 J.运动,2011(14):24-25+34.作者简介：孟玉洁（1999），女，汉族，山东日照人，湖北大学学科教学（化学）专业研究生。作者简介：孟玉洁（1999），女，汉族，湖北大学学科教学（化学）专业研究生，研究方向为中学化学教学