基于“科學態度與責任”的初中化學跨學科教學實踐

姜淼 姜曉明

［基金項目］本文系2022年度福州市教育科學規劃領導小組辦公室立項課題“‘雙減背景下中學化學跨學科實踐教學研究”（課題編號：FZ2022ZX036）、2023年度福建省教育科學規劃領導小組辦公室立項課題“新課標視域下中學化學跨學科教學實踐研究”（立項批準號：FJJKZX23-265）的研究成果之一。

［摘 要］文章針對二氧化碳過量排放導致氣候變暖等環境問題，以碳元素在生物圈、水圈、巖石圈的循環為主要研究對象，開展“碳中和理念下的低碳行動方案設計”的跨學科教學，從化學的視角探究二氧化碳的性質與轉化，在跨學科教學中促進學生發展元素觀、變化觀等化學觀念，進一步建構“可持續發展”“系統與模型”等跨學科大概念，落實核心素養。

［關鍵詞］跨學科實踐；碳中和；學科育人；可持續發展

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）35-0071-04

一、教學主題分析

《義務教育化學課程標準（2022年版）》的“化學與社會·跨學科實踐”主題中，首次提出跨學科實踐活動的思路，明確了“化學與可持續發展”的概念，引導學生認識化學在解決資源、能源、材料、環境、人類健康等問題中的作用，樹立建設美麗中國、為全球生態安全作貢獻的信念，主動踐行節約資源、環境友好的生活方式，樹立人與自然和諧共生的科學自然觀和綠色發展觀［1］。

全球氣候問題是當今人類面臨的重大危機。為了應對氣候變化所帶來的問題，2020年9月，習近平總書記在第七十五屆聯合國大會上宣布：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。要想實現碳中和，需要從物質的多樣性以及“化學與可持續發展”的學科大概念統攝學習內容，引導學生基于碳元素的轉化、循環以及二氧化碳的性質與轉化，理解碳中和思想，并能運用跨學科知識綜合分析、認識碳中和的重要性，探索并踐行低碳行動，從而促進學生形成科學觀念，培養科學態度和社會責任感。

二、教學目標

（1）知道大氣中二氧化碳的來源及對環境帶來的影響，從元素守恒、物質轉化的視角簡單解釋減少二氧化碳的產生和排放、促進二氧化碳的轉化和吸收的方法，討論實現碳中和的可行性。

（2）認識我國能源使用現狀，討論在工業生產中減少二氧化碳排放的具體方法，從化學和跨學科視角出發，從科學、技術、社會、政策等方面設計、評價低碳行動的方案，認識綜合運用科學、技術、工程等解決實際問題的重要性，提高社會責任感和實踐能力。

（3）通過學習活動，發展元素觀、變化觀、價值觀，學會多角度綜合分析、評價低碳行動方案的可行性；在分析、解決實際問題的過程中發展批判性思維能力，建構“化學與可持續發展”跨學科大觀念［2］。

三、教學流程

“碳中和理念下的低碳行動方案設計”教學流程如圖1所示。

四、教學實錄

教師：大家知道什么是溫室效應嗎？請查閱資料，了解溫室效應會造成怎樣的危害。

學生1：溫室效應是二氧化碳等氣體吸收地面輻射的紅外線所導致的地球溫度上升。地球溫度升高會使冰川消融、海平面上升等，對自然生態系統和地球生命系統造成嚴重危害。

教師：碳排放無處不在，我們的呼吸、飲食、學習、出行都會留下碳的“足跡”。圖2是全球二氧化碳排放量與平均氣溫變化走勢圖，目前溫室效應已成為全球性問題。為了實現控制溫室氣體排放的目標，碳中和已經成為國際社會普遍認同的治理方式之一。

設計意圖：通過介紹溫室效應的現狀及全球氣候變化所引發的環境問題，使學生樹立保護環境的觀念，培養社會責任感。

教師：大家知道二氧化碳的產生途徑有哪些嗎？

學生2：動植物的呼吸，有機質的溶解、發酵和腐敗，石油、煤炭以及其他化石能源的燃燒，都會釋放出大量的二氧化碳，對環境造成危害。

教師：既然如此，千百年來自然界中的二氧化碳含量又是怎樣維持基本的平衡的呢？

學生3：綠色植物會進行光合作用，吸收二氧化碳，放出氧氣。

教師：碳是構成生物的基本元素之一，雖然它在自然界中的蘊藏量極為豐富，但綠色植物能夠直接利用的僅僅限于空氣中的二氧化碳（CO2）。生物圈中的碳循環主要表現在綠色植物從空氣中吸收二氧化碳，經光合作用轉化為葡萄糖，并放出氧氣（O2）。在這個過程中少不了水的參與，它可以幫助有機體將葡萄糖轉換成更多的營養元素，從而滿足有機體自身的需求。此外，它還可以通過食物鏈將營養元素轉換成更多的形式，如植物、微生物、動物、微藻以及其他生命類群。因此，我們可以通過研究和探索改善碳循環，以促進生態系統的平衡。讓我們通過研究二氧化碳的來源與去向，設計一個全面的生物圈碳循環圖（如圖3）。

設計意圖：根據生物圈碳元素的轉化路徑，直觀展示生態系統的結構與功能，探索可持續的生態系統管理策略，建構“系統與模型”跨學科概念，幫助學生跨學科認識問題的本源，提升學生解決問題的能力。

教師：除了生物圈的碳循環，自然界中還有哪些物質能吸收二氧化碳？

學生4：二氧化碳氣體能溶于水，大氣中的二氧化碳可與水結合生成碳酸進入海洋，同時海水中的碳酸分解又釋放出二氧化碳進入大氣。

教師：這種交換發生在氣液交界處。海洋吸收二氧化碳的量也隨著大氣中二氧化碳含量的增加而增多。海洋是碳的重要貯存庫，每年來自礦物燃料的二氧化碳有40%被海洋吸收。水圈的碳循環如圖4所示。

學生5：查閱資料可以知道，巖石圈也存在碳循環。巖石圈中的碳來自地幔和地殼中的碳酸鹽、有機物和碳酸鹽巖等。地幔中的碳主要來自地殼的碳酸鹽和有機物的熔融，而地殼中的碳則來自大氣中的二氧化碳和陸地植物的有機物。巖石圈中的碳可以通過多種途徑進行轉化，其中一個重要的途徑是碳酸鹽巖的形成。碳酸鹽巖是由碳酸鹽沉淀物所形成的礦物，其中的碳來自海洋中的二氧化碳。巖石圈中的碳也可以通過火山噴發和地震等地質災害釋放到大氣中。

教師：地球上兩個主要的碳儲備來源是巖石圈和化石燃料，它們的碳儲備比例高達99.9%，其他三個儲備來源分別是大氣圈、水圈和生物圈。這三個圈中的碳在生物和無機環境之間迅速交換，容量小而活躍，實際上起著交換庫的作用。巖石中的碳因自然和人為的各種化學作用分解后進入大氣和海洋，同時死亡生物體以及其他各種含碳物質又以沉積物的形式返回地殼中，由此構成了全球碳循環的一部分。研究發現，碳循環對土壤、水、空氣、陸地以及海洋的溫度變化有著重要的影響。深入研究巖石圈的碳循環，有利于我們更好地理解它的機理，并且能夠更好地利用這些資源。下面請大家根據巖石圈的碳循環途徑，完成圖5中的相關轉化。

設計意圖：水圈、巖石圈和生物圈的碳循環是相互聯系并相互影響的。通過了解這些圈層之間的相互作用，學生能夠更好地理解地球碳循環的自然規律，合理利用碳循環的轉化關系，從而保護生態環境。

教師：以上我們了解了二氧化碳在自然界中的轉化，那么要實現碳中和，可以通過哪些途徑？

學生6：節能減排可以降低工業、交通、家庭等領域的溫室氣體排放，有效實現減排。比如，我們可以采取乘坐公共交通、騎自行車或者步行的方法，以減少汽油的消耗。

學生7：據統計，每公頃森林可吸收約25噸二氧化碳。植樹造林是一種有效實現碳中和的方法，它能夠提高森林的覆蓋率，吸收大量二氧化碳。

學生8：太陽能、風能、水能等清潔能源的充分利用是未來的發展方向，通過開發和利用新能源技術可以減少化石燃料等傳統能源的使用，從而減少溫室氣體的排放量。我了解到，在北京冬奧會上，新能源車輛的使用比例是歷屆冬奧會最高的。氫燃料客車和純電動車已經成為全球交通運輸的重要組成部分。在本屆冬奧會上，這些車輛的應用減少了1.1萬噸的二氧化碳排放量，幾乎等同于5萬余畝樹林每年的碳匯積累量。

學生9：環境保護和污染治理也是實現碳中和的重要途徑。通過提高污染排放標準、加強工業生產過程中的廢氣控制等手段，可以減少二氧化碳等溫室氣體的排放。同時，加強廢棄物處理和資源回收利用，可以減少廢棄物的排放，實現資源的再利用和能量的回收，有效地推進碳中和。

教師：大家都分析得很好。在實現碳中和的道路上，從植樹造林、節能減排、推廣新能源技術，到碳交易市場、加強環境保護和污染治理等，各種手段都可以發揮相應的作用。只有全社會的共同努力才能夠推進碳中和這一偉大的事業，讓地球成為更加綠色、清潔的家園。實現碳中和是一項長期而艱巨的任務。目前，多個國家政府已經制定了碳達峰和碳中和的目標，并采取了一系列政策和措施推動碳中和。例如，中國近年來發布了關于碳達峰和碳中和的重大戰略決策，加大了環保執法力度，鼓勵企業使用新能源技術等，為實現碳中和提供了有力的支持。可以預見，未來碳中和將會越來越普遍。不僅是國家層面，企業和個人也在積極行動，如綜合利用焦爐氣中的副產品氫氣與從工業尾氣中捕集的二氧化碳合成甲醇。目前我國建設的全球首個10萬噸級綠色甲醇工廠已經投產，實現了對二氧化碳的資源化利用。努力降低溫室氣體的排放，不僅有利于促進可持續發展，還可為人類創造更加美好的未來。

設計意圖：碳中和需要進行生產方式和消費方式的變革。落實碳中和將促進產業的轉型升級，從傳統的高能耗、高污染型工業向更加環保、可持續、低碳的新型工業模式轉型。了解相關產業的發展，可以增強學生學習的主動性，從而積極投身碳中和事業。

五、關于跨學科教學實踐的教學反思

2022年版義務教育課程方案圍繞發展學生核心素養精選和設計課程內容，設置“跨學科主題”學習活動，要求跨學科主題占本學科總課時不少于10%。跨學科教學結合多個學科的知識與技術，可以讓學生從中獲得全面的認知，使得整個課堂的教學效果大大提升，同時還能幫助學生更好地適應未來的工作和學習。

（1）跨學科教學可以提高學生的創造力和創新能力。通過跨學科的學習，學生可以更好地理解不同領域的知識，將這些知識融合在一起，從而創造出新的想法和解決方案，激發創造力和創新能力。通過激活生活經驗、數據分析、思考討論等活動，學生了解了溫室效應及其對環境的影響，提高了學習二氧化碳的產生、性質與轉化等基礎知識的主動性與積極性，并能依據生活經驗和實驗探究活動學習二氧化碳的產生、制取以及二氧化碳的性質與轉化。

（2）跨學科教學可以提高學生的批判性思維能力。跨學科教學可以幫助學生學習不同學科的思考方式和學習方法，從而培養他們的批判性思維能力。學生通過討論、交流，從多角度分析、探討運用化學學科和跨學科知識與思維實現碳中和、實行低碳行動的必要性和可行性。

（3）跨學科教學可以幫助學生更好地適應未來的工作和生活。現代社會對人才的要求越來越高，需要人們具備多學科的知識和技能。跨學科教學可以幫助學生學習不同學科的知識和技能，從而更好地適應這種趨勢。在跨學科教學中，教師通過任務驅動學生運用化學學科和跨學科知識技能，結合科學、技術、社會政策等方面設計、評價低碳行動的各種方案，從而提高學生的實踐能力，培養學生的科學態度和社會責任感。

跨學科教學是一種重要的教育模式，它可以提高學生的綜合能力，幫助他們更好地適應未來的工作和生活。學生開展跨學科學習的前提是教師實施跨學科教學。學校應該在教育中加強跨學科教學的實踐，以培養具有創造力、批判性思維能力和未來社會適應能力的學生。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.義務教育化學課程標準：2022年版［M］.北京：北京師范大學出版社，2022.

［2］? 胡久華，褚童，王靜波，等.大概念統領的項目式學習：基于碳中和理念設計低碳行動方案［J］.化學教育（中英文），2022（9）：6-14.

（責任編輯 羅 艷）