初中化學跨學科項目教學實踐探索

摘要：

以“基于特定需求設計和制作簡易供氧器”為例，結合項目式學習方法，融合化學與工程技術、物理學、數學、生物學等學科知識，設計跨學科實踐活動，對項目進行整體規(guī)劃。以應用工程技術方法解決問題模型的建構為主線，對導引課進行教學設計并實踐，培養(yǎng)學生運用跨學科知識解決真實問題的科學思維，促進學生變化觀等化學觀念的發(fā)展。關鍵詞：初中化學；跨學科實踐活動；項目式學習；簡易供氧器1

跨學科教學主題的選擇《義務教育化學課程標準（2022年版）》明確提出，將跨學科實踐活動納入課程內容，是本次課程改革中的一項重大變化?？鐚W科實踐教學注重落實“科學態(tài)度與社會責任”核心素養(yǎng)的發(fā)展，促進學生了解科學、社會、技術與環(huán)境之間的關系，進一步建構“化學與可持續(xù)發(fā)展”大概念［1］?？鐚W科實踐活動是融合多學科知識的探究活動，側重從方法論的視角，關注探究過程中解決問題的具體活動。開展跨學科實踐活動有助于學生深入理解和整合多個學科的知識，綜合運用不同學科的理論與方法，解決涉及多領域的復雜問題，培養(yǎng)實踐能力和創(chuàng)新思維，發(fā)展學生的綜合科學素養(yǎng)［2］?！盎谔囟ㄐ枨笤O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《義務教育化學課程標準（2022年版）》課程內容主題（五）中的跨學科實踐活動。在該實踐活動中，學生需綜合運用化學核心知識，主動調用物理、數學、生物等多學科知識，應用工程與技術的思路來解決實際生產問題，通過規(guī)劃項目、制作作品、改進作品等任務，激發(fā)創(chuàng)造力，提升解決問題的能力。鑒于此，研究嘗試對“基于特定需求設計和制作簡易供氧器”項目學習進行統(tǒng)籌規(guī)劃，并對項目導引課進行詳細介紹。2

“基于特定需求設計和制作簡易供氧器”項目整體規(guī)劃2.1

教學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雜的問題展開，需大約2～4課時的項目式學習來完成［3］。該項目是跨學科實踐活動的范例，主要涵蓋人教版教材九年級《化學（上冊）》第2單元和第5單元的內容，縱向結合了新課標課程內容中主題15的相關內容，綜合體現(xiàn)“物質的化學變化”“物質的性質與應用”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”這一學生必做實驗，對“化學與社會·跨學科實踐”主題中的化學與健康、材料等相關內容也有所涉及，不僅有助于學生建構變化觀、元素觀等化學觀念，發(fā)展建構思維模型等，也有利于培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與社會責任，促進“比例和定量”等［4］跨學科大概念的發(fā)展和完善。其促進核心素養(yǎng)發(fā)展的育人價值如圖1所示。2.2

項目內容與活動設計“基于特定需求設計和制作簡易供氧器”項目教學以氧氣制取為核心，基于特定環(huán)境、對象的需求，應用工程技術方法，完成作品制作。項目學習中，學生需要掌握實驗室制取氧氣的原理、裝置及操作，并應用所學知識，基于特定需求選擇合適的制氧劑、設計裝置、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年級下中考復習階段，本項目的開展兼有復習課的功能，針對中等水平的學生，將“基于特定需求設計和制作簡易供氧器”項目任務拆解為“初步設計”“升級迭代”“作品發(fā)布”三個子項目。項目學習以導引課、探究課、展示課的形式逐步推進，達到復習相關化學知識，建構氣體制取模型，并應用模型結合工程技術與方法等跨學科知識，完成作品制作，達成相關經驗的教學目標，培養(yǎng)高階思維能力，提升核心素養(yǎng)。具體的教學內容與活動設計見表1。導引課、探究課、展示課是項目式學習中的三種基本課型［5］，各承載其獨特的功能。作為項目學習的起始環(huán)節(jié)，導引課提出真實和有意義的引導性問題突顯項目研究價值，在初步構建問題解決思路和模型方面具有關鍵作用。導引課的有效實施對于后續(xù)探究課和展示課的順利進行，以及學生對項目式學習的認可度至關重要。為此，本研究以“基于特定需求設計和制作簡易供氧器”項目教學的導引課為例，詳細展示教學設計與實施過程。3

導引課教學設計與實施3.1

導引課的定位導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——以此驅動學生認識簡易供氧器、明確研究簡易供氧器的價值，拆解并分析項目，對項目學習進行規(guī)劃。調用化學、工程技術等多學科知識對簡易供氧器形成初步設計和構想，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

學情分析本課的授課對象為9年級下新授課結束進入總復習的學生。經過近一學年的化學學習，學生已初步領悟了化學變化的定義和實質，了解了實驗室制取氧氣及二氧化碳等氣體的基本知識，會進行簡單的實驗操作，會書寫化學方程式，知道質量守恒定律，會利用質量守恒定律進行簡單的計算。但是還不知道什么是項目式學習，缺乏項目規(guī)劃的能力；只會簡單的實驗操作，實驗設計、反思、改進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，缺乏知識經驗的結構化。3.3

教學目標（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，感受化學物質及其變化在維護人體健康等方面的重要作用。（2）通過氧氣制取實驗的復習，使知識經驗結構化，初步形成原理→裝置→實驗室制取氣體的一般思路。（3）通過對項目任務進行拆解和規(guī)劃，初步融合工程技術方法，建立基于特定需求設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，綜合應用化學與工程技術方法等跨學科知識初步制作項目作品，并作反思和改進。3.4

教學設計思路本課以“小工程師”的進修之旅為主線，設置了初級工程師資格考核、初級工程師體驗卡、初級工程師進修卡三個教學環(huán)節(jié)，通過闖關升級的形式，激發(fā)學生迎接挑戰(zhàn)的斗志和主動學習的熱情。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”供氧的化學原理驅動學生復習實驗室制取氧氣的相關知識，使知識結構化。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，應用明確需求→設計草圖→動手制作→測試與優(yōu)化的工程技術解決問題的模型，在日常生活場景下選擇適當的化學反應原理，設計相應的制取裝置，并以“初級工程師”的角色考慮在生活中選擇適當的材料制作簡易供氧器1.0版，并做試驗和反思。環(huán)節(jié)三：初級工程師進修卡。完成初步設計和實踐后，面對“工程項目”中難以解決的問題，向市面上成功產品化的簡易供氧器“氧立得”學習，尋找靈感。小組合作閱讀說明書，用已學化學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過綜合設計轉化為真實產品“氧立得”。交流“氧立得”的設計亮點及加濕倉的作用，從人體生理需求的生物學角度考慮作品的優(yōu)化，構思簡易供氧器2.0版。三個教學環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，循序漸進，以幾個具體的問題驅動學生一系列具體的活動。從實驗原理到裝置，再到真實產品，由淺入深，融合化學、生物與工程技術相關方法，形成一條跨學科素養(yǎng)線。本節(jié)課的具體教學思路如圖2所示。3.5

具體教學過程［小劇場］下課鈴響，任老師布置完作業(yè)后準備離場，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如何設計和制作簡易供氧器呢？本課我們一起開啟“基于特定需求設計和制作簡易供氧器”項目式學習?！肮┭跗鳌笔且活惸墚a生氧氣的器械或裝置，你們了解的生產生活中有哪些場景需要用到供氧器？［學生1］去西藏旅游，高原反應需要供氧器。［學生2］乘坐飛機時，飛機里有集中供氧。［學生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。［學生4］魚塘里可能有供氧器為魚蝦供氧。［教師］綜合以上同學的分享，供氧器的使用范圍或場景有：家用保健型供氧，在高原、火災、礦難等危險環(huán)境中的救治型供氧，大型化工生產或水下作業(yè)的供氧，醫(yī)療急救供氧，航空航天以及水產養(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)質的供氧設備能夠有效地提升人們的生活水平。一起來認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？［學生］根據視頻介紹，氧燭中產生氧氣的反應為氯酸鈉分解，類似已學過的氯酸鉀制取氧氣的原理。［教師］實驗室制取氧氣的相關知識經過綜合設計可以成為如“氧燭”這樣的供氧器，想成為設計簡易供氧器的“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］復習實驗室制氧氣的三個化學反應，在學案上書寫化學方程式，并填寫對應的發(fā)生裝置類型。［學生復習并填寫學案］（略）［教師］實驗室制取氧氣的學習思路是什么？［學生］實驗室基于質量守恒定律選取了三個產生氧氣的化學反應，基于化學反應原理中反應物的狀態(tài)、反應條件，確定了發(fā)生裝置：固固加熱型和固液不加熱型；結合氧氣的性質確定了收集裝置：向上排空氣法或排水集氣法；然后進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？［學生］先選擇合適的反應原理，根據原理制作發(fā)生裝置。［教師］反應原理依據什么選擇？［學生］反應原理根據需求場景選擇。［教師］知識轉化為產品，需要工程設計，工程項目需要總體規(guī)劃。小組討論如何對項目進行初步規(guī)劃？［學生討論后回答］基于需求→選擇原理→制作裝置→使用供氧器。［教師］預測項目制作過程中將面臨的關鍵問題有哪些？［學生1］場景選擇要提前考慮，有可能比較特殊，比如潛艇、飛機等。［學生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。［學生3］選擇反應原理時可能要綜合考慮成本、綠色化學、反應條件等。［教師］歸納以上各位同學的思考和建議，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，或你做數學難題太疲倦了頭暈眼花等場景里，請你設計一款簡易供氧器。［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。［學生討論后回答］考慮反應條件的難易、綠色化學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。［學生］繪制草圖（見圖3）。［教師］設計是否可行呢？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案上。［學生匯報實驗過程、現(xiàn)象和結論］（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。［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2Na2CO3·3H2O2加熱2Na2CO3+3H2O2，2H2O2MnO22H2O+O2↑，產生氧氣。為什么“氧立得”沒有直接用雙氧水制氧氣？［學生］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”的設計亮點。［學生小組合實踐、討論后回答］“氧立得”密封性良好；有個透明窗口（加濕倉）可以看到產生氧氣的速率，屬于可視化設計；裝置一體化的設計非常方便攜帶。［教師］加濕倉的作用是什么？［學生］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、調節(jié)氧氣純度的作用，由此得到什么啟發(fā)？［學生］課后通過查閱資料，結合化學與生物學，了解在生理學上，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，可以進一步設計和優(yōu)化。［教師］小組研討，歸納工程技術解決問題的一般模型，進一步完善項目規(guī)劃。［學生討論后回答］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。［教師補充板書］項目規(guī)劃，見圖4。［教師小結］今天我們化身小小工程師，將化學與工程技術、生物等學科融合起來成立制作簡易供氧器工程項目組。通過復習相關知識、結合工程技術方法，建構了制作簡易供氧器的思路模型。我們將在項目規(guī)劃下的學習過程中不斷優(yōu)化作品，升級迭代，發(fā)布作品，最終像“氧立得”一樣實現(xiàn)產品化。［課后任務］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”目標任務負責人計劃完成時間是否完成4

教學反思本項目圍繞制作簡易供氧器的目標，設計了一系列驅動學生解決問題的活動，融合化學、物理、數學、生物學等多學科知識，運用工程與技術的思路解決實際生產問題。經過實踐和觀察，在上述跨學科實踐活動的導引課中，學生的學習熱情高漲，學習興趣濃厚。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，感受到了物質及其化學變化對維護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，達到了復習核心知識并使知識結構化的目標；通過知識遷移規(guī)劃項目，建立了基于特定需求設計供氧器的一般程序和方法；通過小組合作初步設計和制作簡易供氧器，