初中化學(xué)跨學(xué)科項目教學(xué)實踐探索

摘要：

以“基于特定需求設(shè)計和制作簡易供氧器”為例，結(jié)合項目式學(xué)習(xí)方法，融合化學(xué)與工程技術(shù)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科知識，設(shè)計跨學(xué)科實踐活動，對項目進(jìn)行整體規(guī)劃。以應(yīng)用工程技術(shù)方法解決問題模型的建構(gòu)為主線，對導(dǎo)引課進(jìn)行教學(xué)設(shè)計并實踐，培養(yǎng)學(xué)生運用跨學(xué)科知識解決真實問題的科學(xué)思維，促進(jìn)學(xué)生變化觀等化學(xué)觀念的發(fā)展。關(guān)鍵詞：初中化學(xué)；跨學(xué)科實踐活動；項目式學(xué)習(xí)；簡易供氧器1

跨學(xué)科教學(xué)主題的選擇《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確提出，將跨學(xué)科實踐活動納入課程內(nèi)容，是本次課程改革中的一項重大變化?？鐚W(xué)科實踐教學(xué)注重落實“科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任”核心素養(yǎng)的發(fā)展，促進(jìn)學(xué)生了解科學(xué)、社會、技術(shù)與環(huán)境之間的關(guān)系，進(jìn)一步建構(gòu)“化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展”大概念［1］。跨學(xué)科實踐活動是融合多學(xué)科知識的探究活動，側(cè)重從方法論的視角，關(guān)注探究過程中解決問題的具體活動。開展跨學(xué)科實踐活動有助于學(xué)生深入理解和整合多個學(xué)科的知識，綜合運用不同學(xué)科的理論與方法，解決涉及多領(lǐng)域的復(fù)雜問題，培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新思維，發(fā)展學(xué)生的綜合科學(xué)素養(yǎng)［2］?！盎谔囟ㄐ枨笤O(shè)計和制作簡易供氧器”屬于作品制作類的綜合實踐活動，選自《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》課程內(nèi)容主題（五）中的跨學(xué)科實踐活動。在該實踐活動中，學(xué)生需綜合運用化學(xué)核心知識，主動調(diào)用物理、數(shù)學(xué)、生物等多學(xué)科知識，應(yīng)用工程與技術(shù)的思路來解決實際生產(chǎn)問題，通過規(guī)劃項目、制作作品、改進(jìn)作品等任務(wù)，激發(fā)創(chuàng)造力，提升解決問題的能力。鑒于此，研究嘗試對“基于特定需求設(shè)計和制作簡易供氧器”項目學(xué)習(xí)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，并對項目導(dǎo)引課進(jìn)行詳細(xì)介紹。2

“基于特定需求設(shè)計和制作簡易供氧器”項目整體規(guī)劃2.1

教學(xué)主題分析供氧器是指可以提供氧氣的裝置，在簡易供氧器的設(shè)計和制作中，需要考慮特定人群、環(huán)境的實際需求。該實踐活動圍繞真實而復(fù)雜的問題展開，需大約2～4課時的項目式學(xué)習(xí)來完成［3］。該項目是跨學(xué)科實踐活動的范例，主要涵蓋人教版教材九年級《化學(xué)（上冊）》第2單元和第5單元的內(nèi)容，縱向結(jié)合了新課標(biāo)課程內(nèi)容中主題15的相關(guān)內(nèi)容，綜合體現(xiàn)“物質(zhì)的化學(xué)變化”“物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用”等主題的大概念與核心知識，同時也承載了“氧氣的制取與性質(zhì)”這一學(xué)生必做實驗，對“化學(xué)與社會·跨學(xué)科實踐”主題中的化學(xué)與健康、材料等相關(guān)內(nèi)容也有所涉及，不僅有助于學(xué)生建構(gòu)變化觀、元素觀等化學(xué)觀念，發(fā)展建構(gòu)思維模型等，也有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任，促進(jìn)“比例和定量”等［4］跨學(xué)科大概念的發(fā)展和完善。其促進(jìn)核心素養(yǎng)發(fā)展的育人價值如圖1所示。2.2

項目內(nèi)容與活動設(shè)計“基于特定需求設(shè)計和制作簡易供氧器”項目教學(xué)以氧氣制取為核心，基于特定環(huán)境、對象的需求，應(yīng)用工程技術(shù)方法，完成作品制作。項目學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要掌握實驗室制取氧氣的原理、裝置及操作，并應(yīng)用所學(xué)知識，基于特定需求選擇合適的制氧劑、設(shè)計裝置、定量計算確定制氧劑的量、動手制作作品、測試作品、反思不足、優(yōu)化作品，最終制作出簡易供氧器。在9年級下中考復(fù)習(xí)階段，本項目的開展兼有復(fù)習(xí)課的功能，針對中等水平的學(xué)生，將“基于特定需求設(shè)計和制作簡易供氧器”項目任務(wù)拆解為“初步設(shè)計”“升級迭代”“作品發(fā)布”三個子項目。項目學(xué)習(xí)以導(dǎo)引課、探究課、展示課的形式逐步推進(jìn)，達(dá)到復(fù)習(xí)相關(guān)化學(xué)知識，建構(gòu)氣體制取模型，并應(yīng)用模型結(jié)合工程技術(shù)與方法等跨學(xué)科知識，完成作品制作，達(dá)成相關(guān)經(jīng)驗的教學(xué)目標(biāo)，培養(yǎng)高階思維能力，提升核心素養(yǎng)。具體的教學(xué)內(nèi)容與活動設(shè)計見表1。導(dǎo)引課、探究課、展示課是項目式學(xué)習(xí)中的三種基本課型［5］，各承載其獨特的功能。作為項目學(xué)習(xí)的起始環(huán)節(jié)，導(dǎo)引課提出真實和有意義的引導(dǎo)性問題突顯項目研究價值，在初步構(gòu)建問題解決思路和模型方面具有關(guān)鍵作用。導(dǎo)引課的有效實施對于后續(xù)探究課和展示課的順利進(jìn)行，以及學(xué)生對項目式學(xué)習(xí)的認(rèn)可度至關(guān)重要。為此，本研究以“基于特定需求設(shè)計和制作簡易供氧器”項目教學(xué)的導(dǎo)引課為例，詳細(xì)展示教學(xué)設(shè)計與實施過程。3

導(dǎo)引課教學(xué)設(shè)計與實施3.1

導(dǎo)引課的定位導(dǎo)引課需要回答三個問題：需解決的問題是什么、研究價值是什么、研究思路是什么——以此驅(qū)動學(xué)生認(rèn)識簡易供氧器、明確研究簡易供氧器的價值，拆解并分析項目，對項目學(xué)習(xí)進(jìn)行規(guī)劃。調(diào)用化學(xué)、工程技術(shù)等多學(xué)科知識對簡易供氧器形成初步設(shè)計和構(gòu)想，并參考真實供氧器探討解決作品制作類問題的一般思路，為后續(xù)探究課做鋪墊。3.2

學(xué)情分析本課的授課對象為9年級下新授課結(jié)束進(jìn)入總復(fù)習(xí)的學(xué)生。經(jīng)過近一學(xué)年的化學(xué)學(xué)習(xí)，學(xué)生已初步領(lǐng)悟了化學(xué)變化的定義和實質(zhì)，了解了實驗室制取氧氣及二氧化碳等氣體的基本知識，會進(jìn)行簡單的實驗操作，會書寫化學(xué)方程式，知道質(zhì)量守恒定律，會利用質(zhì)量守恒定律進(jìn)行簡單的計算。但是還不知道什么是項目式學(xué)習(xí)，缺乏項目規(guī)劃的能力；只會簡單的實驗操作，實驗設(shè)計、反思、改進(jìn)等探究能力比較薄弱；難以將具體的知識與真實問題建立聯(lián)系，缺乏運用知識解決真實問題的能力；知識零散單薄，缺乏知識經(jīng)驗的結(jié)構(gòu)化。3.3

教學(xué)目標(biāo)（1）通過研討供氧器的使用范圍與情境，明確項目要解決的問題及研究價值，感受化學(xué)物質(zhì)及其變化在維護(hù)人體健康等方面的重要作用。（2）通過氧氣制取實驗的復(fù)習(xí)，使知識經(jīng)驗結(jié)構(gòu)化，初步形成原理→裝置→實驗室制取氣體的一般思路。（3）通過對項目任務(wù)進(jìn)行拆解和規(guī)劃，初步融合工程技術(shù)方法，建立基于特定需求設(shè)計供氧器的一般程序和方法，形成模型。（4）通過選擇原理、繪制草圖、動手制作等小組合作活動，綜合應(yīng)用化學(xué)與工程技術(shù)方法等跨學(xué)科知識初步制作項目作品，并作反思和改進(jìn)。3.4

教學(xué)設(shè)計思路本課以“小工程師”的進(jìn)修之旅為主線，設(shè)置了初級工程師資格考核、初級工程師體驗卡、初級工程師進(jìn)修卡三個教學(xué)環(huán)節(jié)，通過闖關(guān)升級的形式，激發(fā)學(xué)生迎接挑戰(zhàn)的斗志和主動學(xué)習(xí)的熱情。環(huán)節(jié)一：初級工程師資格考核。討論供氧器的使用范圍及場景，明確要解決的問題及研究價值。以“氧燭”供氧的化學(xué)原理驅(qū)動學(xué)生復(fù)習(xí)實驗室制取氧氣的相關(guān)知識，使知識結(jié)構(gòu)化。知識遷移，討論制作簡易供氧器的思路，完成項目規(guī)劃，獲得“初級工程師資格”。初步確立基于特定需求設(shè)計供氧器的一般程序和方法，形成模型［6］。環(huán)節(jié)二：初級工程師體驗卡。實施項目，應(yīng)用明確需求→設(shè)計草圖→動手制作→測試與優(yōu)化的工程技術(shù)解決問題的模型，在日常生活場景下選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)原理，設(shè)計相應(yīng)的制取裝置，并以“初級工程師”的角色考慮在生活中選擇適當(dāng)?shù)牟牧现谱骱喴坠┭跗?.0版，并做試驗和反思。環(huán)節(jié)三：初級工程師進(jìn)修卡。完成初步設(shè)計和實踐后，面對“工程項目”中難以解決的問題，向市面上成功產(chǎn)品化的簡易供氧器“氧立得”學(xué)習(xí)，尋找靈感。小組合作閱讀說明書，用已學(xué)化學(xué)知識猜想或分析其制氧原理。拆解“氧立得”，研討實驗室固液不加熱型制取氣體的裝置如何經(jīng)過綜合設(shè)計轉(zhuǎn)化為真實產(chǎn)品“氧立得”。交流“氧立得”的設(shè)計亮點及加濕倉的作用，從人體生理需求的生物學(xué)角度考慮作品的優(yōu)化，構(gòu)思簡易供氧器2.0版。三個教學(xué)環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，循序漸進(jìn)，以幾個具體的問題驅(qū)動學(xué)生一系列具體的活動。從實驗原理到裝置，再到真實產(chǎn)品，由淺入深，融合化學(xué)、生物與工程技術(shù)相關(guān)方法，形成一條跨學(xué)科素養(yǎng)線。本節(jié)課的具體教學(xué)思路如圖2所示。3.5

具體教學(xué)過程［小劇場］下課鈴響，任老師布置完作業(yè)后準(zhǔn)備離場，突然身體不適，感覺缺氧眩暈，在教室角落蹲了下去，學(xué)生見狀立即上前去扶，她拿出隨身攜帶的簡易氧氣罐，吸了點氧氣之后有所緩解，慢慢回到辦公室休息。［教師］像任老師這種臨時需要氧氣的情況還有很多，可簡易氧氣罐的氧氣量是有限的，不適用所有場景，在其他特定需求下我們?nèi)绾卧O(shè)計和制作簡易供氧器呢？本課我們一起開啟“基于特定需求設(shè)計和制作簡易供氧器”項目式學(xué)習(xí)?！肮┭跗鳌笔且活惸墚a(chǎn)生氧氣的器械或裝置，你們了解的生產(chǎn)生活中有哪些場景需要用到供氧器？［學(xué)生1］去西藏旅游，高原反應(yīng)需要供氧器。［學(xué)生2］乘坐飛機(jī)時，飛機(jī)里有集中供氧。［學(xué)生3］醫(yī)院里病人需要供氧器、家里有老年人需要小型供氧器。［學(xué)生4］魚塘里可能有供氧器為魚蝦供氧。［教師］綜合以上同學(xué)的分享，供氧器的使用范圍或場景有：家用保健型供氧，在高原、火災(zāi)、礦難等危險環(huán)境中的救治型供氧，大型化工生產(chǎn)或水下作業(yè)的供氧，醫(yī)療急救供氧，航空航天以及水產(chǎn)養(yǎng)殖、糧食或食品貯存對供氧和耗氧的雙向需求等……需求的場景不同，制氧的原理也不同，優(yōu)質(zhì)的供氧設(shè)備能夠有效地提升人們的生活水平。一起來認(rèn)識在潛艇中常用的供氧器——氧燭。［觀看視頻］潛水艇中常見的供氧器氧燭的介紹。［教師］氧燭的制氧原理是什么？［學(xué)生］根據(jù)視頻介紹，氧燭中產(chǎn)生氧氣的反應(yīng)為氯酸鈉分解，類似已學(xué)過的氯酸鉀制取氧氣的原理。［教師］實驗室制取氧氣的相關(guān)知識經(jīng)過綜合設(shè)計可以成為如“氧燭”這樣的供氧器，想成為設(shè)計簡易供氧器的“小工程師”需先通過下面的考核。環(huán)節(jié)一：初級工程師資格考核［教師］復(fù)習(xí)實驗室制氧氣的三個化學(xué)反應(yīng)，在學(xué)案上書寫化學(xué)方程式，并填寫對應(yīng)的發(fā)生裝置類型。［學(xué)生復(fù)習(xí)并填寫學(xué)案］（略）［教師］實驗室制取氧氣的學(xué)習(xí)思路是什么？［學(xué)生］實驗室基于質(zhì)量守恒定律選取了三個產(chǎn)生氧氣的化學(xué)反應(yīng)，基于化學(xué)反應(yīng)原理中反應(yīng)物的狀態(tài)、反應(yīng)條件，確定了發(fā)生裝置：固固加熱型和固液不加熱型；結(jié)合氧氣的性質(zhì)確定了收集裝置：向上排空氣法或排水集氣法；然后進(jìn)行實驗操作獲得氧氣。思路為：原理→裝置→實驗。［教師］類比實驗室制取氧氣的一般思路，制作簡易供氧器的一般思路是什么？［學(xué)生］先選擇合適的反應(yīng)原理，根據(jù)原理制作發(fā)生裝置。［教師］反應(yīng)原理依據(jù)什么選擇？［學(xué)生］反應(yīng)原理根據(jù)需求場景選擇。［教師］知識轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，需要工程設(shè)計，工程項目需要總體規(guī)劃。小組討論如何對項目進(jìn)行初步規(guī)劃？［學(xué)生討論后回答］基于需求→選擇原理→制作裝置→使用供氧器。［教師］預(yù)測項目制作過程中將面臨的關(guān)鍵問題有哪些？［學(xué)生1］場景選擇要提前考慮，有可能比較特殊，比如潛艇、飛機(jī)等。［學(xué)生2］直接制作發(fā)生裝置比較困難，先繪制草圖考慮選什么材料、裝置如何連接等問題會比較好。［學(xué)生3］選擇反應(yīng)原理時可能要綜合考慮成本、綠色化學(xué)、反應(yīng)條件等。［教師］歸納以上各位同學(xué)的思考和建議，項目初步規(guī)劃如下。［教師板書］場景需求→選擇原理→繪制草圖→動手制作→測試→使用供氧器環(huán)節(jié)二：初級工程師體驗卡［教師］探討日常生活中需要供氧器的情況。如家里孕婦、老人缺氧時，或你做數(shù)學(xué)難題太疲倦了頭暈眼花等場景里，請你設(shè)計一款簡易供氧器。［教師］參考實驗室制取氧氣的原理，小組討論出最佳原理，并說明理由。［學(xué)生討論后回答］考慮反應(yīng)條件的難易、綠色化學(xué)等角度選擇過氧化氫制氧氣更適合家用的場景。［教師］模擬實驗室過氧化氫制取氧氣的發(fā)生裝置，想一想在生活中有哪些常見的材料可以選擇，繪制簡易供氧器的草圖。［學(xué)生］繪制草圖（見圖3）。［教師］設(shè)計是否可行呢？小組合作實踐。［提供實驗用品］礦泉水瓶、塑料桶、注射器、吸管、膠皮管等。［學(xué)生合作實驗］制作簡易供氧器。［教師］請用適量的雙氧水和二氧化錳，測試一下簡易供氧器，看看能否成功制得氧氣。將需要解決的問題記錄在學(xué)案上。［學(xué)生匯報實驗過程、現(xiàn)象和結(jié)論］（略）［教師］工程項目遇到瓶頸的時候我們就要去尋找新的靈感。在真實供氧器產(chǎn)品“氧立得”中這些問題是怎么解決的呢？環(huán)節(jié)三：初級工程師進(jìn)修卡［教師］一起閱讀使用說明書，猜想“氧立得”制氧氣的方法及原理？［學(xué)生］由于B劑不用添加可多次使用，推測可能是催化劑，該制氧原理類似實驗室過氧化氫在二氧化錳作用下分解制氧氣的反應(yīng)。［教師］分析得很好。查閱資料，B劑為二氧化錳，A劑為過碳酸鈉，通過反應(yīng)2Na2CO3·3H2O2加熱2Na2CO3+3H2O2，2H2O2MnO22H2O+O2↑，產(chǎn)生氧氣。為什么“氧立得”沒有直接用雙氧水制氧氣？［學(xué)生］固體體積比液體小，更方便儲存和取用，因此過碳酸鈉作制氧劑比雙氧水更好。［教師］動手拆解，體驗“氧立得”，將其與實驗室裝置作對比。討論“氧立得”的設(shè)計亮點。［學(xué)生小組合實踐、討論后回答］“氧立得”密封性良好；有個透明窗口（加濕倉）可以看到產(chǎn)生氧氣的速率，屬于可視化設(shè)計；裝置一體化的設(shè)計非常方便攜帶。［教師］加濕倉的作用是什么？［學(xué)生］增加濕度，人呼吸濕潤一點的氧氣可能更舒適。［教師］除了濕度，加濕倉還起到過濾、調(diào)節(jié)氧氣純度的作用，由此得到什么啟發(fā)？［學(xué)生］課后通過查閱資料，結(jié)合化學(xué)與生物學(xué)，了解在生理學(xué)上，成老年人、青年人、小孩等不同人群需要氧氣的濕度和純度是有區(qū)別的，可以進(jìn)一步設(shè)計和優(yōu)化。［教師］小組研討，歸納工程技術(shù)解決問題的一般模型，進(jìn)一步完善項目規(guī)劃。［學(xué)生討論后回答］場景需求→選擇原理→繪制草圖→動手制作→測試，反思，繪制第二版草圖再制作、測試，直到制作成功。［教師補(bǔ)充板書］項目規(guī)劃，見圖4。［教師小結(jié)］今天我們化身小小工程師，將化學(xué)與工程技術(shù)、生物等學(xué)科融合起來成立制作簡易供氧器工程項目組。通過復(fù)習(xí)相關(guān)知識、結(jié)合工程技術(shù)方法，建構(gòu)了制作簡易供氧器的思路模型。我們將在項目規(guī)劃下的學(xué)習(xí)過程中不斷優(yōu)化作品，升級迭代，發(fā)布作品，最終像“氧立得”一樣實現(xiàn)產(chǎn)品化。［課后任務(wù)］完成以下項目規(guī)劃書，明確后續(xù)小組的分工。［項目規(guī)劃書］成立“

簡易供氧器工程小組”目標(biāo)任務(wù)負(fù)責(zé)人計劃完成時間是否完成4

教學(xué)反思本項目圍繞制作簡易供氧器的目標(biāo)，設(shè)計了一系列驅(qū)動學(xué)生解決問題的活動，融合化學(xué)、物理、數(shù)學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科知識，運用工程與技術(shù)的思路解決實際生產(chǎn)問題。經(jīng)過實踐和觀察，在上述跨學(xué)科實踐活動的導(dǎo)引課中，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情高漲，學(xué)習(xí)興趣濃厚。通過積極討論并交流供氧器的需求場景，明確了項目要解決的問題及研究價值，感受到了物質(zhì)及其化學(xué)變化對維護(hù)人體健康的重要意義；通過歸納實驗室制取氧氣的方法，形成思路模型，達(dá)到了復(fù)習(xí)核心知識并使知識結(jié)構(gòu)化的目標(biāo)；通過知識遷移規(guī)劃項目，建立了基于特定需求設(shè)計供氧器的一般程序和方法；通過小組合作初步設(shè)計和制作簡易供氧器，