《太阳能主题研究》课程的开发与实施

▶6.1　《太阳能主题研究》课程的开发与实施

史正华

一、课题背景和目标

人类的生存，社会的发展，离不开能源，自第一次工业革命以来，传统的矿物能源被大量开采和滥用，在创造巨大的物质财富的同时，几乎耗尽了大自然几亿年孕育的矿物能源，同时，还排放了大量的二氧化碳，严重地危害人类生存和发展的环境。如今，煤炭、石油、天然气等矿物能源匮乏并趋于枯竭，这就迫使人们去寻找新的能源，这中间，太阳能因其独特的优势，成为世界各国普遍关注和大力开发的清洁能源。阳光普照大地，太阳能不需要开采，也不必运输，是最巨大、最长久、最环保、最安全、最经济、最有发展前景的，温暖、可爱、宝贵的新能源，在矿物能源匮乏并趋于枯竭的今天，尤显其价值。《太阳能主题研究》就是在这样的现实背景下提出的，是学校坚持多年的，深受学生欢迎的，形成显著特色的，取得一定成绩的主题式研究型课程。近年来，在太阳能主题研究的教学实践中，学生学习光电转换的基本原理，应用开发了“太阳能家庭废水净化和再利用装置”、“太阳能有声磁控五线谱”、“太阳能控时升旗装置”、“太阳能飞行器”、“太阳能载人电动车”、“太阳能紫外线消毒柜”、“太阳能冷暖旅行箱”、“太阳能液体搅拌机”、“太阳能救生艇”等作品，正在设计，筹建“大境风光实验电站”。我校是中国青少年太阳能研究基地。

太阳能主题研究的教学活动，引导学生关注能源和环境问题，围绕太阳能主题，搜集和学习相关信息，自主地提出研究课题，通过以学生为主体，师生互动的学习、探索、研究、实践、评价，在科学主题研究的实践过程中，使学生获得注意与观察、学习与思考、实践与创新相互关系的切身体验和经验，形成善于质疑、乐于探究、努力求知的积极态度和情感。学会自主发现和提出问题，逐步形成搜集、分析、利用信息以及解决问题等多方面的探究能力和表现能力，感受科学研究的严谨性，形成求真务实的科学态度，勇于克服困难的意志品质，以及不断追求真理的科学精神。在一定程度上增强学生的节能环保意识，提高学生的学习能力、思维能力、创新精神和实践能力，增强学生的社会责任感和使命感，初步形成创新意识和价值观。

二、课题原则

1.实践性原则

强调在体验中获取知识，培养能力。在信息检索，问题调查，在事物的性质、数据、结构、功能等实验，在问题的实质和解决问题方法、途径、思路的探究，在创新作品设计、制作、调试，在与他人的交流、合作等一系列科学探索研究的活动中发现和解决问题，体验和感受科学技术的力量，发展自身的创新精神和实践能力。

2.综合性原则

要综合运用多门学科知识来分析问题、解决问题，思维方式从平面到立体，从单一到多元，从静态发展到动态，从被动发展到主动，从封闭发展到开放，以便提高综合分析问题和解决问题的能力。

3.开放性原则

研究性学习呈开放学习的态势。学习内容是开放的，学习空间是开放的，强调理论联系实际，强调活动、体验的作用；学习地点不再限于教室、实验室和图书馆，而是要走出校门进行社会实践、实地勘察取证、走访专家、通过网络搜集信息等；学习方法、思维方式是开放的，学生可针对不同目标，选择与之适应的学习形式，如问题探讨、课题设计、实验操作、社会调查等；搜集信息的渠道是开放的，学生不再单纯从课本和参考书中获取信息，而是从讲座、网络、媒体、人际交流等各种渠道中搜集信息；师生关系是开放的，学生在研究中始终处于主动地位，教师扮演着指导者、合作者、服务者的角色。提倡师生的辩论，鼓励学生敢于否定。

4.过程性原则

研究性学习将整个学习过程看得比结果更为重要。学生经过一段时间的研究，可能他们最后的研究结果稚嫩可笑，不足称道。但这并不重要，因为学生通过诸如设计课题、查找资料、动手实验、社会调查等亲身实践，可以获得对社会的直接感受，了解科研的一般流程方法，尝试着与他人交往和合作，知道除了教材以外还有很多获取信息的渠道，试图综合已有的知识来解决正在研究的课题等。能够让学生获得多方面的感受和体验，正是研究性学习的主要目的。因此从这个意义上说，研究性学习过程本身恰恰是它要追求的结果。

5.创新性原则

课题研究的目的是认识前人还没有认识或没有充分认识的规律，这就要求研究的课题要有一定程度的独创性和新颖性。理论、观点上的创新；方法上的创新；应用上的创新。提出一个别人还没有研究过的课题，这是创新；用与别人不同的研究方法去进行研究一个已经研究过的课题，这也是创新；将一种理论、一个观点首次应用到实践中去，这是创新；将已经在某一领域得到应用的理论、观点、方法和手段，应用到新的领域中去，也是创新。

6.可行性原则

在选题时一定要充分考虑课题研究的主观条件和客观条件，要从学生已有的所学知识水平、自身积累的经验、兴趣爱好、时间和精力及与其他人的配合等实际情况出发，选择通过努力可以获得成功的课题。

7.激励性原则

研究性学习强调学习的过程，强调对知识与技能的应用，强调学生亲身参与探究性实践活动并获得感悟和体验，强调学生的积极参与。因此，要采用形成性评价的方式，重视对过程的评价和在过程中的评价，重视学生在学习过程中的自我评价和自我改进，使评价成为学生学会实践和反思、发现自我、欣赏别人的过程。同时，要强调评价的激励性，鼓励学生发挥自己的个性特长，施展自己的才能，做到为树立学生的自信心去评价，为开发学生的潜能去评价，为学生的成功与发展去评价。努力形成激励广大学生积极进取、勇于创新的氛围。

三、课题实施

1.主题教学

教师介绍课程的相关信息，使《太阳能主题研究》课题与学生的思想有一个交互融合的过程，激发和吸引对太阳能主题研究有兴趣和想法的学生参加太阳能主题研究。

2.专家报告

组织专家报告会和咨询座谈会。学校邀请上海交通大学洪春华教授，同济大学谭洪卫教授和华东理工大学安琦教授等专家给学生介绍“矿物能源有限，新能源开发无限”、“新能源的研究和发展，太阳能的开发利用”、“科技创新课题的来源，创新课题研究的方法，途径和要求”等问题，并亲自参加学生咨询座谈会。为学生提供高层次的辅导。

3.参观考察

组织学生参观考察世博会的城市最佳实践区等场馆，学习、了解世界各国和各地区的新能源的应用案例及经验，为此《劳动报》和《新民晚报》都发了相关报道。学校还组织学生参观上海市节能成果展示厅，见识了许多新能源、新材料、新技术的发明作品，大开了眼界，启发和拓展了思路。

4.资料搜集

学生通过网络、报纸杂志、广播电视、人际交流等各种渠道检索、搜集、学习相关信息，在搜集、学习、整理过程中，会发现更多的信息和问题，引发学生思考和探究。便于发现问题，寻找课题。

5.提出课题

学生在检索、搜集、学习相关信息中，产生了不少想法，经师生互动，朦胧的想法转化为研究课题，然后，上网查新（检索课题的创新性以避免重复研究），避免跟在别人后面，避免重复研究，由此确定研究课题。

6.实验求证

精心设计研究方案，研究方案的交流、评议和优化，针对问题的“诸葛亮攻关”活动，利用集体智慧，共同探索和解决提出的问题和难题。

7.模型制作

探索、实验的研究活动，模型的设计和制作，数据的采集和验证。

8.论文撰写

根据“是什么”、“为什么”、“做什么”、“怎么做”的问题，自我完成研究报告、科学论文撰写。学校组织科学论文的发布和答辩，技术发明成果演示推广活动。

9.对发明创造的技术方案申请国家专利，参加相关科技发明创新竞赛活动。

四、课题成效

1.太阳能基础理论研究成果，如下表所示：（科学论文）

研究报告、科学论文的撰写和交流，提高了学生对太阳能开发应用研究的认识和研究能力。

2.太阳能的应用开发实践成果

部分太阳能创新作品：

（1）太阳能家庭废水净化和利用装置

如图6-1所示，是由周晓璐同学拿到的一张水费账单而引发的一个想法开始的，在发明创造的实践中，小周同学采集了家庭废水的各种样本，发现废水中的颗粒物、悬浮物、颜色、气味、油膜、细菌等六大问题影响人们对废水的利用，问题激发了小周同学学习、实践的热情，他找来了小石子、沙子、头发、棕丝、麻绳、鸡毛、鸭毛、棉花、活性炭等几十种材料，自己精心设计和制作了过滤、吸附、反渗和紫外线杀菌等模块结构，连续对家庭废水进行处理的装置，使处理后的废水清澈透明无气味，该发明在上海市英特尔青少年科技创新大赛中获一等奖和科技创新奖，同时，在社区得到很好的推广和应用。

图6-1

（2）太阳能有声磁控五线谱

初学五线谱时，时常不知道各线和弦上的音符发什么音，给学习造成困难，为解决这个问题，冯叶同学利用太阳能作能源，用电子音阶芯片通过干簧管来控制发音，用时，只要用磁棒点击音符，对应音符就能正确、清楚地发出相应的声音，这既是学具又是玩具，非常受人们的欢迎。为此，新民晚报还专门发了一篇配图的报道，如图6-2所示。

（3）便携式太阳能冷暖餐柜

该作品用12 V太阳电板为能源，利用半导体制冷片的功能，通过金属导热板和散热片，来满足人们对不同温度的需要，餐桌面要加温，桌下柜就是冷柜，相反，餐桌面要低温，桌下柜就是暖柜，只需几秒，就能进行冷暖温度的任意切换，如图6-3所示。

图6-2

图6-3

（4）太阳能液体搅拌机

该搅拌机用6片66 X44多晶太阳电板，三串两并来获取所需的电流和电压，利用磁铁的特性对磁性搅拌珠作用，能充分搅动液体，使各组分完全融合，作品很有趣，也很有用，如图6-4所示。

（5）太阳能救生艇

该救生艇充分利用太阳能来解决呼救、照明、换气、加温、排污等需求。特别是其造型，一改传统的梭形船体，设计成球形，上半球可开启，设有单向阀门窗，既可以换气，又能有效地阻止海水的进入，下半球分两层，供避险人员生活和工作，球的底部有一个下沉的重物，使球形救生艇的重心下移。保证球体的稳定和安全，如图6-5所示。

图6-4

图6-5

（6）太阳能载人电动车

图6-6

如图6-6所示的车是学生参与设计制作的第二代太阳能载人电动车，按上海市竞赛规则，采用单一的太阳能源，可调节方向的太阳能板，保证在任何方向行驶，太阳能板都能充分地吸收阳光，实现光电的有效转换，小车的驾驶员可以躺着开车，工作、休息相结合，舒适不累。该车获得五项国家专利，缓冲撞击系统，可承受撞击的保险杠，保障了行车的安全。流线形造型，既美观，又可减少空气阻力，多功能按钮。一键控制进、退、停。

3.竞赛获奖

（1）“赛斯”太阳能混合能源载人电动车获上海市新能源创新作品第一名。在尚德电力杯第三届中国青少年创意大赛总决赛中获团体金奖。

（2）第二代“赛斯”太阳能单一能源载人电动车获2010年尚德电力杯首届上海市中小学校太阳能载人车比赛创意设计一等奖和外观制作一等奖。该车在2010年上海世博会公众参与馆展出。

（3）“大境风光实验电站”设计方案，获黄浦区科委2011年科技重点资助项目。

4.学生感悟

某学生在获奖感言中这样写道：我一直对探索型、研究型的科技实践活动有很浓厚的兴趣。每次参加这样的活动我们都很开心，很兴奋，也很好奇。在参加“太阳能主题研究”的实践过程中，在研究课题的驱动下，我不知疲倦地通过网络和报纸杂志搜集、查阅和学习了大量的相关信息，产生了很多的想法，在和老师的互动中，我设计并制作了太阳能液体搅拌机，在阳光下，搅拌珠把液体翻江倒海似的搅拌着，太神奇了，这是我平生的第一个发明，在大境中学读高中时实现的，真的，我非常激动，我的兴趣被完全激发出来了，现在我学习更主动，更有效了，产生强烈的创新欲望，我想，我一定会在科技创新的道路上一直走下去，一定会有更多的发明和创造。

五、教学感悟

1.关注太阳能，激发好奇心和求知欲

太阳能主题研究的教学，首先要学习，认识太阳能，太阳能既是被人们普遍感知的，又是一种十分神奇的能源。太阳以光辐射的形式，向宇宙空间不断地释放能量，太阳的光辐射到达地球上空的大气层仅仅是其总辐射量的二十亿分之一，但这已相当于现今全世界消耗能量的三万多倍，根据科学家的测量，到达地球上空的光辐射，大约有30%被大气层反射到宇宙空间，23%被大气层所吸收，仅有47%到达地球表面，就按这个比例计算，每年到达地球表面的太阳能相当于130万亿吨标准煤蕴藏的能量，按现在全世界能源消耗的上限计算，可供全世界用数千年，面对神奇的太阳能，学生始终保持着强烈的好奇心、旺盛的求知欲，通过网络、图书馆的书报杂志等途径，学习和查阅了大量资料，学习和了解相关知识，如：太阳能辐射强度的测定，辐射强度是单位面积上的辐射通量。辐射通量是单位时间内以辐射方式发送、传递或接收的能量，计量单位为瓦。1981年10月在墨西哥召开的世界气象组织会议上确定太阳能常数值为1 367W/m²。地面上的太阳辐射强度，受地理因素（纬度和海拔高度等），气象因素（大气透明度、云层和阴雨等）和物理因素（辐射光线与接收面的夹角大小、方位和表面性质等）的影响较大。上海地区的夏季晴天的中午，太阳辐射强度可达1 000W/m²。无比神奇的太阳能及其特性，激发了学生的好奇心、求知欲。居里夫人说：“好奇，是人类第一美德。”著名创造学家奥斯本认为：“感知力的极致即为积极的好奇心，即使是无所谓的好奇心，也能够引导独创性的思索。”

在好奇心、求知欲的驱动下，学生投入“太阳辐射光谱研究”、“太阳能的光电、光热、光化学转换”、“太阳能发电的主要方式”、“太阳能电池的构造、原理与技术特性”、“太阳能电池的类别”、“太阳能电池的组合件”等问题的研究，他们搜集信息，不断积累经验和事实，通过独立思考，不断地分析、概括、判断、推理，依靠自己的想象力和灵感，不断涌现出新的思想、新的观点、新的方法、新的思路，思想始终处于不断运动、变化和发展的过程中，不断地进行着新陈代谢、推陈出新和自我更新。

2.发现新问题，培养观察力和判断力

观察力是一切科学研究的基本要件，观察是感觉、知觉的完整的认知过程，不仅是看到、听到、闻到、触摸到的第一手感性认识，还包括觉察和认识等理性认识。在教学中，教师采用了一定的实验手段，来观察和认识太阳能。从而，培养学生发现新问题的观察力和判断力。

太阳能是来自太阳内部热核反应的原子能。太阳能是以光辐射的形式传播到地球表面的，所以，太阳能是一种光能或者说是一种辐射能，太阳辐射是由不同波长的复合光所组成的，并依次排列成太阳辐射光谱，光谱是复合光经过色散系统分光后，按波长的大小依次排列的图案。为了搞清楚太阳辐射的本质，有必要研究太阳辐射光谱。如何才能观察到清晰的光谱呢？学生找来了三棱镜和平面镜，自制了光栏狭缝和白色光屏，开始研究和观察光色散的实验。先用平面镜把太阳光反射进光栏狭缝，形成狭缝光束，狭缝光束通过三棱镜，可以在白色光屏上清晰地呈现色散现象，调节三棱镜和光屏位置，可以增加色带宽度，太阳光通过三棱镜折射，形成了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色谱线，红色在最上面，紫色在最下面，依次排列，非常清晰。七色谱线是可见光谱，那么不可见的红外线和紫外线又如何去观察呢？查阅资料后得知，太阳光谱主要由0.3～3μm的光组成，大体分为三个光谱区域：紫外区，波长0.3～0.4μm；可见光区，波长为0.4～0.76μm；红外区，波长是0.76～3.20μm。

不同波长的光对物体会产生不同的作用。紫外线能使照相底片感光，有杀菌效果，能激发荧光。可见光线能使植物进行光合作用，还能与人体皮肤表层中的脂肪光合成维生素D。红外线有一定的渗透作用，物体吸收后产生热效应。

大自然的彩虹和通过三棱镜折射形成了红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的七色谱线，使我们知道了可见光，那么，怎么才能证明不可见的红外线和紫外线的存在呢？用热敏电阻作为探头，放置在白色光屏的七色谱线上，也就是放在红色光之上的红外区，连接灵敏的半导体温度计，可见温度的上升，这样就能清楚地认识到红外线的存在及其特性。紫外线具有激发荧光的性能，用一只玻璃杯，盛大半杯水，在其中滴入几滴2%汞溴红溶液，使水呈橙红色，把杯子晒在阳光下，此时，在被太阳晒到的地方能看到被激发出来的淡绿色荧光，为什么橙红色的水被太阳光激发后会发出淡绿色的荧光呢？这是由于太阳光中包含紫外线，紫外线的光子能量比较高，当物质的粒子，受外来光子的激发，吸收了某种能量，再以可见光的形式，把其中一部分能量放射出来，就形成荧光现象。这种激发过程，不同于高温物体发光，没有热现象，因此称为冷光，常见的日光灯、电视荧光屏等都是紫外线或电子束激发的结果。学生利用紫外线的特性，研究并制作了太阳能紫外线消毒柜。

3.常问为什么，提升思考力和想象力

科学技术的固有特征就是不断回答“是什么”、“为什么”、“做什么”、“怎么做”的问题。太阳能主题研究，使学生学习掌握了一定的太阳能知识，学习为了应用，在实践中，我们发现单晶硅太阳能电池有很多优点，寿命长，不怕短路，光电转换快，吸收光谱范围宽，不怕低温等，但受光照的影响大，单片的单晶硅太阳能电池，电压低，电流小，使用时必须把若干块单晶硅太阳能电池串联，获取所需电压，并联能获得更大电流，但是简单的串并联接法，只要有一小块太阳能电池损坏，整个太阳能电池组输出功率就大幅下降而无法正常使用。怎么办呢？学生在体育课上打乒乓，看到乒乓网，联想到用网格的形式，来连接太阳能电池组，这样，即使出现几小块太阳能电池的损坏，其他电池仍然连接通路，整个太阳能电池组还能正常输出功率。太阳能电池组的网格连接法就这样发明了。在实践中，学生们常问为什么，不断提升自己的思考力和想象力。

4.解决新问题，锻炼实践力和研究力

在实践中，学生们经常会碰到各种问题，为了发明一个作品，又必须解决各种问题，都说思路决定出路，这话真的是创新实践的真谛。

创新精神是时代精神的核心，促使创新的机会，通常是自己身边平淡无奇的小事。小周同学从信箱里拿到了一张水费账单，发现，用1m³水，要付1.9 m³的水费，其中0.9m³是排水费，平日里，有许多生活用水，看上去还比较干净，便被倒掉了，这一方面，增加了家庭用水的开支，增加了自来水厂的生产压力；另一方面，也增加了污水的排放和处理的压力。于是，小周同学提出要研究和制作太阳能家庭废水的净化和再利用装置。

在发明创造的实践中，小周同学分析了自己采集的家庭废水的各种样本，发现，废水中的颗粒物、悬浮物、颜色、气味、油膜、细菌等六大问题，影响人们对废水的利用，问题激发了小周同学学习、实践的热情，他找来了小石子、沙子、头发、棕丝、麻绳、鸡毛、鸭毛、棉花、活性炭等几十种材料，自己设计实验装置，不厌其烦地做着各种实验，最难解决的问题是去除废水中的油膜，他像当年爱迪生寻找灯丝那样，不怕无数次的失败，以科学的态度和顽强的意志，坚持探索研究，经过数百次的失败和教训，终于发现用羊毛纤维，加上反渗法，能有效地去除油膜，难题终于解决了，在探索研究的实践过程中，小周同学不断地发现问题，研究问题，解决问题，积累了丰富知识，养成独立思考，冲破习惯束缚，提高联想能力，把握直觉和灵感的能力。最后，他精心设计和制作完成了用过滤、吸附、反渗和紫外线杀菌等模块结构，连续对家庭废水进行处理的装置，使处理后的废水清澈透明无气味，该发明在上海市英特尔青少年创新大赛中获一等奖和科技创新奖，同时，在社区得到一定的推广应用。

5.开发创造力，树创新人格和价值观

太阳能主题研究是一个学习平台，是教学的一种形式和途径，其目的不是对太阳能知识的学习和研究；也不是运用创新技法，进行构思、设计；更不是利用工具和技术制作太阳能的创新作品，这些只是教学研究的一个过程，其结果是“成物”。太阳能主题研究的目的是培养和造就一大批具有学习、探索、创新、实践能力的创造型人才，即“成己”。因此，在太阳能主题研究的教学过程中，不仅学习太阳能知识，研究创造技法，开展技术发明，更重视学生自身创新精神状态和心灵境界的提升，不是归纳各种创造技法，而是总结万法归一的创造之“道”，只有把握了创造之“道”，才能把握创造之根本，才能举本统末，贯通所有技法。追求无法之法，乃为创造的最高境界。我们始终抓住培养学生创新能力，培养和造就创新人才，培养学生有旺盛的求知欲，乐于接受新的生活经验，新的思想观念，新的行为方式，积极面对社会的改革和变化；有高度的自觉性和独立性，对不同意见和态度，都有自己的思考和理解，头脑开通，富有弹性，积极去获取新的事实和新的知识，不囿于传统成见；有强烈的好奇心，对事物的运动机理有深究的动机，乐于面对现实和预测未来，不拘泥于传统和过去，能有效地利用前人的成果去创造未来的新生活；有较强的效率意识，以最小的代价去获取最大的成果，而不是拼消耗，拼时间，拼体力，拼精力；意志品质坚强，能排除外界干扰，长时间专注于某一个感兴趣的问题之中，有远大的理想和抱负；有普遍的信任感，重视人的尊严，重视人与人之间的相互信任关系，不是对自己缺乏信心，对他人颇多怀疑；知识面广，善于观察，倾向于独立思考，不轻附众议，勇于坚持自己的独立见解，勇于探索未知领域；有丰富的想象力，敏锐的直觉，对智力活动与游戏有广泛的兴趣，富有幽默感，表现出卓越的审美天赋。

在太阳能主题研究的教学过程中，学生从提不出问题，没有想法，害怕问题，不敢面对问题，到主动积极地发现和寻找问题，思绪万千，灵光闪现地探索问题，多种方案来解决问题，把问题看成是通往成功的阶梯。表明学生们的创新人格初步形成，也初步确立创新成才为人民的价值观。形势逼迫研究，兴趣投身研究，责任担当研究，课题深化研究，网络助推研究，实践促进研究，作品巩固研究，交流发展研究，创新人才的辈出，肯定并推进了太阳能主题研究的教学。

太阳能主题研究课程的教学，决不是现成知识的传授，而是以课题带动的发现问题，研究问题，在实践中解决问题，探索新知、探索未知、创造新知的主动的学习过程，是主题式、研究型、实践型的教学课程。

在教学中，笔者体会到，研究型课程是以一个事物、一种现象、一个领域、一个问题为学习、研究、探索、实践对象的教学活动，是发展学生兴趣、特长的基本载体和有效途径，是培养学生的创新精神，增强学生敏锐地发现问题，深入地研究问题，创造性地解决问题的科学实践能力。但是，在教学中明显感到，对学生来说研究型课程的时空实在太少了，尚未形成应有的氛围，学生的精力也分配不过来，强化研究型课程的建设，让更多的学生有机会参加研究型课程的学习，让每一个学生有更多的时间来参加主题式研究型课程的学习，对培养创造型人才来说可以获得事半功倍的效果。

参考文献

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［2］苏颂兴.论青年创造力开发［M］.上海：上海人民出版社，1986

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［5］王加微，袁采.创造学与创造能力开发［M］.杭州：浙江大学出版社，1988