资源简介

4.3《环境保护与可持续发展》课时教案
学科 物理 年级册别 高二上册 共1课时
教材 教科版高中物理必修第三册 授课类型 新授课 第1课时
教材分析
教材分析
本节内容位于教科版高中物理必修第三册第四章第三节，是“能源与可持续发展”单元的收尾课。教材从能量转化与守恒定律出发，结合现实中的能源消耗、环境污染问题，引导学生认识人类活动对自然环境的影响，进而理解环境保护与可持续发展的必要性。本课将物理知识与社会议题深度融合，体现了物理学科的社会责任属性，具有鲜明的时代性和实践导向。
学情分析
高二学生已具备一定的物理基础知识，尤其是对能量转化、热机效率、电能输送等有系统学习，具备初步的科学思维能力。同时，他们关注社会热点，对雾霾、碳排放、新能源汽车等话题有一定生活经验。但部分学生仍存在“环保是别人的事”“科技万能解决一切”的片面认知，缺乏将个人行为与全球生态联系起来的系统观念。此外，面对复杂环境问题，容易产生无力感或焦虑情绪。因此，教学中需通过真实情境激发责任感，借助数据和案例增强说服力，并设计可操作的任务帮助学生建立“我能参与”的积极信念。
课时教学目标
物理观念
1. 能从能量转化与守恒的角度，分析常见能源利用过程中的能量损耗与环境代价，理解能源结构与环境质量之间的内在联系。
2. 掌握温室效应的基本原理，能用物理模型解释二氧化碳等温室气体如何影响地球的能量平衡。
科学思维
1. 能够运用建模思想，构建“人类—能源—环境”相互作用的系统模型，识别关键变量及其反馈机制。
2. 通过对多源数据（如碳排放曲线、气温变化图、能源占比饼图）的比较与推理，形成基于证据的判断能力。
科学探究
1. 能围绕本地环境问题（如空气质量、垃圾分类），设计简单的调查方案，收集并整理相关数据。
2. 在小组合作中，能提出改进能源使用方式的可行性建议，并进行模拟验证或成本效益初判。
科学态度与责任
1. 树立尊重自然、顺应自然、保护自然的生态文明理念，增强节约资源、保护环境的自觉意识。
2. 认识到可持续发展是全人类共同的责任，愿意在生活中践行绿色低碳的生活方式，并积极参与环保宣传。
教学重点、难点
重点
1. 理解能源利用过程中伴随的能量损耗与环境污染的物理本质。
2. 掌握温室效应的物理机制及其与全球气候变化的关系。
难点
1. 构建“能源—环境—社会”复合系统的整体认知框架，避免孤立看待环境问题。
2. 将宏观的可持续发展理念转化为具体的、可执行的个人行动策略。
教学方法与准备
教学方法
情境探究法、议题式教学法、合作学习法
教具准备
多媒体课件、空气质量监测APP截图、碳足迹计算器网页、可再生能源模型图片
教学环节 教师活动 学生活动
情境导入：一封来自未来的信
【5分钟】 一、创设未来情境，引发情感共鸣 （一）、播放微视频《2070年的城市》
视频呈现：灰黄色的天空下，人们戴着厚重的空气净化面罩行走；河流浑浊发臭，岸边堆积着电子垃圾；太阳能板覆盖屋顶，风力发电机在远处缓缓转动。画外音：“亲爱的2025年同学们，我是你们的孙辈。我们继承了一个高能耗、高污染的世界。极端天气频发，饮用水短缺，许多物种已经消失……但我们仍在努力修复。今天，我想问你们：当你们拥有选择权的时候，做了什么？”
教师缓缓说道：“这并非科幻电影的虚构场景，而是如果我们不改变当前发展模式，可能面临的现实。正如爱因斯坦所说：‘我们不能用制造问题时的同一水平思维来解决问题。’今天的物理课，我们将以科学家的眼光，重新审视我们与地球的关系。”
（二）、提出核心议题
教师在黑板上写下本节课的核心议题：“在能量守恒的宇宙中，为什么我们的地球会‘生病’？作为高二学生，我们能做些什么？”
接着引导：“物理学告诉我们，能量不会凭空产生也不会消失，只会转化形式。那么，当我们燃烧煤炭发电时，能量去了哪里？又带来了什么看不见的‘副产品’？让我们带着这些问题，开启今天的探索之旅。” 1. 观看视频，记录最触动自己的画面或话语。
2. 思考教师提出的两个问题，尝试初步回答。
3. 分享对未来城市的想象与担忧。
4. 明确本节课的学习任务与核心议题。
评价任务 情感投入：☆☆☆
问题意识：☆☆☆
议题聚焦：☆☆☆
设计意图 通过沉浸式视频营造强烈的情感冲击，打破“环保遥远论”的心理屏障，唤醒学生的危机意识与代际责任感。引用爱因斯坦名言提升思维层级，引导学生跳出日常经验，从物理规律的高度审视环境问题。核心议题的设计既紧扣物理本质（能量转化），又指向社会责任（个人行动），为后续探究提供明确方向。
新知建构：解码环境问题的物理密码
【18分钟】 一、剖析能源利用的“隐性成本” （一）、回顾能量转化链，绘制“火电厂能量去向图”
教师引导：“请回忆火力发电的过程：煤炭燃烧→水蒸气推动汽轮机→发电机发电。根据能量守恒定律，输入的化学能总和等于输出的所有能量形式之和。请大家分组讨论：除了电能，还有哪些形式的能量被释放出来？”
待学生列举出内能（废热）、声能、光能后，教师展示教科书第87页图4.3-1《火电厂能量流向示意图》，并补充实际数据：我国典型燃煤电厂的发电效率约为35%-40%，意味着超过60%的能量以废热形式排入大气或冷却水。“这些废热不仅造成热污染，还加剧了局部气候变暖。而燃烧产生的烟气中含有大量CO 、SO 、NO 及粉尘，正是酸雨、雾霾的元凶。”
（二）、引入“能量品质”概念，理解资源浪费
教师进一步深化：“我们常说‘节能’，但从物理角度看，真正损失的是能量的‘可用性’或‘做功能力’。高品质的化学能（如煤）被转化为低品质的热能散失，这是一种不可逆的能量贬值过程。就像把一张百元钞票撕成碎片——钱还在，但失去了购买力。每一次低效转化，都是对地球有限资源的奢侈挥霍。”
二、揭开温室效应的物理面纱 （一）、演示“温室效应模拟实验”动画
教师播放自制动画：两个相同玻璃箱，一个为空气，一个充入高浓度CO ，同时接受相同强度的灯光照射。温度传感器显示，含CO 箱体内升温更快且最终温度更高。
提问：“这个实验说明了什么物理原理？”引导学生总结：CO 等温室气体对太阳短波辐射透明，但对地表反射的长波红外辐射有强吸收作用，导致热量滞留在地球系统内，形成“保温效应”。
（二）、结合真实数据，建立量化认知
教师投影NASA发布的“全球平均气温异常曲线”与“大气CO 浓度变化图”（1958-2024），引导学生观察两条曲线的高度同步上升趋势。“数据显示，工业革命以来，大气CO 浓度已从280ppm升至420ppm以上，同期全球平均气温上升约1.2℃。虽然1.2℃看似微小，但它足以改变洋流模式、加速冰川融化、引发极端天气事件——这就是‘蝴蝶效应’在地球尺度上的体现。”
三、拓展视野：可再生能源的物理基础 （一）、对比各类能源的能量密度与环境影响
教师展示表格，列出煤炭、石油、天然气、核能、水电、风电、光伏的单位质量能量密度、碳排放因子、土地占用率等参数。“我们发现，化石能源虽能量密度高，但碳排放巨大；而太阳能、风能近乎零排放，但受地理与气象条件制约。没有完美的能源，只有更优的选择组合。”
（二）、介绍能量存储技术的关键作用
“阳光不会永远照耀，风也不会持续吹拂。要让清洁能源成为主力，必须突破储能瓶颈。目前主流的抽水蓄能、锂电池、氢燃料电池，本质上都是在解决能量的时间转移问题——即如何将间歇性能源转化为稳定可用的形式。这正是当代物理学家与工程师攻坚的方向。” 1. 小组合作绘制火电厂能量转化流程图，标注各环节能量形式与比例。
2. 分析不同能源的环境代价，填写对比表格。
3. 观察模拟实验，归纳温室效应的物理机制。
4. 解读全球变暖数据图，描述其变化趋势与关联性。
评价任务 图表解读：☆☆☆
原理阐述：☆☆☆
数据关联：☆☆☆
设计意图 通过“能量去向图”将抽象的能量守恒具象化，让学生直观看到“看不见的浪费”。引入“能量品质”概念，深化对节能本质的理解。模拟实验与真实数据双管齐下，使温室效应从理论走向实证。能源对比表格帮助学生理性权衡利弊，避免非此即彼的极端思维。整个环节层层递进，构建起“物理原理—环境现象—社会影响”的完整逻辑链。
议题研讨：我们的校园碳足迹
【12分钟】 一、确立研究主题，制定调查方案 （一）、发起“绿色校园行动”项目
教师宣布：“现在，我们不仅是学习者，更是校园变革的参与者。接下来，我们将以小组为单位，开展‘我们的校园碳足迹’调研行动。目标是：估算我校师生日常活动产生的碳排放量，并提出三项切实可行的减排建议。”
（二）、指导数据采集方法
教师发放《校园碳足迹简易测算指南》，包含以下条目：
- 教室用电：日均照明/空调/多媒体使用时长 × 设备功率 × 天数
- 饮用水加热：饮水机功率 × 加热时间 × 数量
- 上学交通：统计步行、骑行、公交、私家车接送比例，按人均公里碳排放折算
- 纸张消耗：每月打印复印纸张数量 × 单张碳足迹
强调：“数据不必绝对精确，关键是建立估算思维。我们可以随机抽样调查几个班级，再推算全校总量。”
二、小组分工协作，展开模拟测算 （一）、分组实施调查与计算
学生分为四组，分别负责电力、交通、水资源、纸张四个维度的数据收集与初步计算。教师巡视指导，提醒注意单位换算（如kW·h转为kg CO ）、样本代表性等问题。
例如，交通组可通过问卷星快速收集200名同学的上学方式数据；电力组可实地记录教室设备功率并估算日均使用时间。
（二）、整合数据，形成初步报告
各组汇总数据后，使用在线碳足迹计算器进行统一换算，得出校园月度碳排放总量级（如：约12吨CO 当量）。教师协助制作柱状图，直观显示各来源占比。“结果显示，电力消耗占58%，交通出行占30%，这两项是减排主战场。”
三、头脑风暴，提出改进建议 （一）、组织“金点子”研讨会
教师引导：“如果我们是校长助理，该如何撰写一份《校园节能减排提案》？请从技术改进、管理优化、行为倡导三个层面提出建议。”
预设生成：
- 技术：更换LED灯、安装感应开关、建设屋顶光伏电站
- 管理：实行“无纸化办公周”、优化空调启停时间表
- 行为：发起“步行上学挑战赛”、设立“节能标兵班级”评比
（二）、评估建议可行性
教师提问：“哪些建议成本低、见效快？哪些需要长期规划？我们如何说服学校投入资金改造？”引导学生思考经济成本、维护难度、师生接受度等因素，培养务实创新精神。 1. 分组领取任务卡，明确调研职责。
2. 设计调查工具（问卷、记录表），开展数据采集。
3. 进行碳排放量估算与单位换算。
4. 共同研讨并撰写三条具体减排建议。
评价任务 方案设计：☆☆☆
数据处理：☆☆☆
建议创新：☆☆☆
设计意图 将宏大议题落地为身边行动，实现“知行合一”。通过真实项目驱动，培养学生数据素养、团队协作与问题解决能力。测算过程强化物理计算与单位意识，建议研讨则锻炼批判性思维与社会沟通能力。整个活动让学生体会到：每个人都是生态系统的一部分，微小改变汇聚起来就是巨大力量。
升华总结：做地球的“负熵使者”
【8分钟】 一、重构人与自然的关系认知 （一）、讲述薛定谔的“负熵”思想
教师深情讲述：“著名物理学家薛定谔在《生命是什么》中提出：生命以负熵为食。意思是，生物体通过摄取外界有序能量（如食物、阳光），维持自身结构的有序性，对抗宇宙自发趋向混乱的熵增定律。人类文明也是如此——我们建造城市、创造知识、传承文化，本质上是在创造和维护一种高度有序的‘社会负熵’。”
（二）、提出“负熵使者”的使命
“然而，当我们过度消耗化石能源，向环境倾倒无序的废热与污染物时，我们实际上在加速全球系统的熵增。真正的智慧，不是无止境地索取，而是学会像森林一样：吸收阳光，净化空气，涵养水源，为整个生态系统增值。从今天起，愿我们每个人都成为地球的‘负熵使者’——用科学知识减少混乱，用绿色行动增加秩序。”
二、布置延伸任务，延续行动热情 （一）、发布“家庭碳账户”挑战
“请同学们回家后，与家人一起完成一次家庭碳足迹测算。可以使用微信小程序‘碳惠行’或支付宝‘蚂蚁森林’中的测算工具。下周课前提交你的‘减碳承诺书’：写出三项你家将要实施的节能举措。”
（二）、推荐深度阅读材料
推荐书籍：《寂静的春天》（蕾切尔·卡森）、纪录片《地球脉动Ⅲ》。“当你看到极地冰川崩塌的画面，请记住那不只是风景的消逝，更是地球能量平衡被打破的警钟。而每一次你选择关掉不用的电源，都是在为这个星球注入一丝有序的力量。”
最后，教师以一句诗结束：“不要问丧钟为谁而鸣，它为你我而鸣；也不要问绿意从何而来，它从你我的指尖生长。” 1. 理解“负熵”概念及其哲学意义。
2. 反思个人生活方式对环境的影响。
3. 接受家庭碳足迹挑战任务。
4. 记录推荐书目，表达阅读意愿。
评价任务 概念迁移：☆☆☆
价值认同：☆☆☆
行动意愿：☆☆☆
设计意图 引用薛定谔的“负熵”理论，将环保提升至生命哲学高度，赋予其深刻的科学内涵。通过诗意的语言与文学典故，打通理性认知与情感共鸣的桥梁。延伸任务确保课堂影响持续发酵，推动环保意识转化为持久的生活习惯。整段总结既有思想深度，又有情感温度，实现知识、能力、价值观的有机统一。
课堂小结
【2分钟】 一、知识结构化回顾 （一）、师生共同梳理知识脉络
教师引导学生回顾：“今天我们从物理视角出发，经历了三个认知阶段：首先，我们认识到能源利用必然伴随能量耗散与环境污染——这是自然规律的约束；其次，我们理解了温室效应等环境问题背后的物理机制——这是科学认知的基础；最后，我们尝试用数据与行动回应挑战——这是公民责任的体现。”
（二）、强调可持续发展的系统观
“请记住，可持续发展不是简单的‘少用电’，而是一个涉及技术革新、制度设计、文化转型的复杂系统工程。而每一位掌握科学思维的年轻人，都是这个系统中最活跃的变革因子。” 1. 复述本节课三大核心认知阶段。
2. 理解可持续发展所需的多维协同。
评价任务 知识整合：☆☆☆
系统思维：☆☆☆
责任内化：☆☆☆
设计意图 通过结构化回顾，帮助学生将零散知识点纳入清晰的认知框架。强调“系统工程”属性，避免简单化归因。最后落脚于“变革因子”，再次强化青年一代的历史担当，为整节课画上充满希望的句点。
作业设计
一、家庭碳足迹测算与减碳计划
1. 使用“碳惠行”小程序或教师提供的计算表，估算你家过去一个月的碳排放总量（主要包括：用电、燃气、交通、消费等）。
2. 分析你家碳排放的主要来源（前三项），并针对每一项提出一条具体、可操作的减排措施。
示例：
- 来源：夏季空调耗电（占比40%）
措施：将空调温度设定从24℃调整为26℃，每户每年可减排约120kg CO 。
- 来源：父母驾车上下班（占比35%）
措施：每周选择两天乘坐地铁或公交，拼车出行。
3. 撰写一份《我家的绿色生活承诺书》，由全家成员签名确认，下周带回班级分享。
二、撰写微型科普文《给2070年的一封信》
假设你收到了开头视频中那位未来少年的来信，请以“2025年中学生”的身份回信。要求：
1. 用通俗语言解释1-2个环境问题的物理原理（如温室效应、热岛效应）。
2. 介绍你和同学们正在实施的一项环保行动（如校园节能改造、旧物回收计划）。
3. 表达你对未来生态环境的期待与信心，字数300字左右。
【答案解析】
一、家庭碳足迹测算与减碳计划
1. 数据采集应真实合理，单位换算正确（1度电≈0.8kg CO ，私家车每公里≈0.2kg CO ）。
2. 减排措施需具体、可量化、可执行，避免空泛口号如“节约用电”。
3. 承诺书应体现家庭共识，语言真诚，格式规范。
二、撰写微型科普文《给2070年的一封信》
1. 物理原理解释准确，能用比喻辅助说明（如“温室气体像毛毯包裹地球”）。
2. 行动描述真实可信，体现学生主体性。
3. 情感真挚，既有忧患意识，更有积极行动带来的希望感，避免悲观或盲目乐观。
板书设计
环境保护与可持续发展
——物理学的视角
[中心图：地球简笔画，一半蓝天绿地，一半灰暗污染，中间用双向箭头连接]
左半区：问题诊断
● 能量贬值 → 废热污染 + 资源枯竭
● 温室效应 → CO ↑ → 气温↑ → 极端天气
● 熵增加速 → 生态失衡
右半区：解决方案
● 技术革新：光伏、风电、储能
● 管理优化：智能电网、绿色建筑
● 行为改变：节能习惯、低碳出行
底部横幅：
我们不是继承了父辈的地球，
而是借用了儿孙的地球。
—— Native American Proverb
教学反思
成功之处
1. 成功将抽象的物理规律与真实的环境危机相结合，通过未来情境导入和“负熵”哲学升华，实现了知识传授与价值引领的深度融合。
2. “校园碳足迹”项目式学习有效激发了学生主动性，数据测算过程锻炼了科学探究能力，建议研讨培养了社会责任感。
3. 板书采用对比式结构，图文并茂，清晰呈现“问题—对策”逻辑，便于学生建构系统认知。
不足之处
1. 时间分配略显紧张，部分小组在数据整合环节未能充分展开讨论，下次可提前下发预习材料。
2. 对农村地区学生而言，“家庭碳账户”任务可能存在数据获取困难，需提供替代性方案（如调研农田秸秆利用）。
3. 未充分引入本地化案例（如本市空气质量年报），情境真实性有待加强。

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