初中化學跨學科項目式學習的設計與實踐

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《標準》）提出“科學探究與實踐”是核心素養(yǎng)的四個維度之一，這體現(xiàn)了“做中學”的教育理念。學習主題5“化學與社會·跨學科實踐”要求實踐活動要具有跨學科性、實踐體驗性等特點，這充分體現(xiàn)了本次課程改革強化化學學科實踐、推進綜合學習的要求。化學作為一門實踐性強的學科，需要在教學中重點培養(yǎng)學生的動手實踐能力，讓學生在學習學科理論知識的同時，真正具備開展學科知識動手實踐的能力，推動學生化學核心素養(yǎng)的全面提升。初中化學是學生接受化學知識教育的初始階段，這一時期學生的學科學習質(zhì)量將直接影響今后的學科學習水平與對學科知識體系的根本認知。而在初中化學教學中，教師開展跨學科項目式學習活動，可以為學生提供面對現(xiàn)實的問題，讓學生以自主探究、合作學習等方式完成具有挑戰(zhàn)性的學習任務，有助于學生化學學科關鍵能力與核心素養(yǎng)的提升，也是初中化學教學中踐行跨學科教學理念最為有效的途徑。對此，本次研究中具體結合“制作簡單的制氧機”活動實例，探討初中化學跨學科項目式學習真正可行的設計與實踐路徑。

一、問題提出

最近幾年，制氧機是中考考試命題中的高頻情境素材。根據(jù)《標準》中的相關描述了解到：這一實踐項目中以氧氣部分知識為核心內(nèi)容。因此，在活動設計中，教師可以將人教版九年級化學“身邊的化學物質(zhì)”單元中“氧氣”知識與“氧氣制取實驗”相結合，在此基礎上融入其他學科中涉及的工程制作技術，突出活動設計中的跨學科理念。

從學情分析的角度來看，九年級學生現(xiàn)有的知識水平與實踐能力具備開展此項活動的能力。九年級學生已經(jīng)初步了解了氧氣實驗室制備的基本原理與需要使用的裝置，也具備了一定的信息收集、分析與處理能力，能夠通過觀察掌握實物的結構，并根據(jù)已知的實物結構進行實物拼裝與拆解。九年級學生剛剛接觸化學學科，對于化學知識比較感興趣，有較強的動手實踐意愿。本次研究中提及的項目式學習項目十分貼近學生生活，在確保學生參與積極性的同時充分滿足學生核心素養(yǎng)提升的需求。

二、項目式學習活動目標

根據(jù)《標準》中對初中化學教學的新要求，開展“制作簡單的制氧機”活動需要實現(xiàn)以下目標。

1.在活動中通過制氧機實物與學校實驗室中使用的氧氣制備設備的對比，深入了解投入市場的產(chǎn)品與相同功能的實驗室裝置間的區(qū)別與聯(lián)系，進一步提高對實驗室氧氣制備裝置、試劑與化學反應原理知識的掌握水平。

2.借助活動中制氧機設計制作的探討過程，讓學生充分了解氧氣制備中需要使用的試劑、材料，建立能實際運行的簡單制氧機模型，形成跨學科視角分析問題的能力，促進學生系統(tǒng)思維與創(chuàng)新思維的發(fā)展。

3.通過活動中對制氧機環(huán)境與使用對象適應性的討論，提升學生在化學學習中的動手實踐能力與應用化學知識分析、解決實際生活問題的能力。

三、項目式學習活動設計與實施

（一）項目式學習活動整體結構設計

“制作簡單的制氧機”活動設計實施的第一個步驟是活動整體結構設計。活動整體結構的完善與否對活動開展效果有著根本性的影響。該項活動中的知識核心為“氧氣與氧氣制備”。基于活動知識核心以及活動內(nèi)容的實踐性質(zhì)，活動中以調(diào)查日常生活中使用的制氧機實驗設備原理與結構，研究實驗室制備氧氣時應用的方法與使用裝置，深入了解化學反應中的物質(zhì)定量關系，綜合考慮反應速度、產(chǎn)氧量、方便操作等方面的要求，選擇合適的制氧劑和材料，應用技術與工程的方法完成簡易供氧器的設計和制作。活動內(nèi)容結果具體如下。

（二）項目式學習活動過程設計與實施

“制作簡單的制氧機”活動中根據(jù)各層級學習任務的設置推進活動進程，以四項核心活動內(nèi)容讓學生在項目式學習中完整經(jīng)歷用化學知識解決實際問題的過程。活動的各環(huán)節(jié)設計與實施中緊緊圍繞“以學生為中心”的理念，依托活動的各環(huán)節(jié)內(nèi)容充分激發(fā)學生在化學知識實踐學習中的主觀能動性。活動過程設計與實施中重點強調(diào)活動中核心知識內(nèi)容學習的交融，讓學生能夠通過此次活動真正做到對活動核心知識的“學以致用”。整個活動具體融合了化學、物理、數(shù)學等多個學科的知識內(nèi)容，由此充分體現(xiàn)此次活動的跨學科理念，更有力地促進了學生核心素養(yǎng)的提升。

▲活動1：調(diào)查制氧機工作原理，確定待解決問題

任務驅(qū)動：

學生對市場上常見的幾種型號的制氧機進行調(diào)查研究，分析各型號制氧機的工作原理，并根據(jù)工作原理的差異對調(diào)查的制氧機進行分類，形成調(diào)查報告。

活動具體實施：

教師說明活動要求，組織學生根據(jù)個人意愿分為若干學習小組，以小組為單位，借助互聯(lián)網(wǎng)、線下制氧器材用品經(jīng)銷商等途徑開展調(diào)查活動，搜集相關資料。學生根據(jù)了解到的資料信息匯總整理撰寫調(diào)查報告，詳細說明調(diào)查結果。學生從市場中流通的各種型號的制氧機的調(diào)查了解到：目前市場上流通的制氧機設備工作原理可分為物理方法制備氧氣與化學方法制備氧氣兩大類。使用物理方法制備氧氣的制氧機具體采用分離空氣的方法制備氧氣。使用化學方法制備氧氣的制氧機一般通過過氧化鈉與水反應或過氧化鈉與二氧化碳反應制備氧氣。

活動中，為了進一步豐富形式，學生除了撰寫調(diào)查報告之外，還可以選擇繪制手抄報的形式進行成果匯報。以下是部分學生根據(jù)調(diào)查結果繪制的成果匯報手抄報。

在學生提交手抄報之后，教師可以讓該生面向全班學生講解手抄報中繪制的內(nèi)容，從而鍛煉其化學語言使用能力。

（設計意圖：此環(huán)節(jié)讓學生完整經(jīng)歷問題調(diào)查、問題相關資源搜集與問題分析的過程。以此培養(yǎng)學生獲取、搜集、整理繁雜信息的能力。該環(huán)節(jié)活動實施中，學生以小組為單位，有助于培養(yǎng)學生之間的協(xié)作能力，激發(fā)學生的團隊意識，促進學生學習活動實踐效果的提升。）

▲活動2：深入了解實驗室制備氧氣的方法及化學反應原理

任務驅(qū)動：

學生進入實驗室，具體觀察與使用實驗室中的氧氣制備裝置與試劑，充分掌握實驗室制備氧氣的原理與注意事項。

活動具體實施：

教師使用學校實驗室，從實驗室中取用高錳酸鉀、氯酸鉀、過氧化氫（雙氧水）等各種可以用于氧氣制備的試劑，以及不同試劑對應的氧氣制備方法需要使用的裝置。之后，教師分別使用不同的試劑與裝置向?qū)W生演示不同的氧氣制備過程。接著，教師向?qū)W生提問。

師：剛剛老師演示的各種制備氧氣的方法中使用了不同的試劑，那么為什么老師使用不同的試劑都能夠得到氧氣呢？

生：因為這些試劑的分子結構中都含有氧元素。

教師根據(jù)學生的回答，給學生介紹各種實驗室制備氧氣的基本原理——置換反應。同時以化學式的形式給學生展示各種實驗室制備氧氣的化學反應原理。

師：在了解了各種實驗室制備氧氣的原理后，根據(jù)現(xiàn)有條件，應該選擇哪一種制備氧氣的方法，既能保證氧氣制備過程中的安全與操作簡便，又能使用最少量的試劑得到更多的氧氣？選擇依據(jù)是什么？

學生根據(jù)教師的問題，以小組為單位依次開展高錳酸鉀制取氧氣、氯酸鉀制取氧氣及雙氧水制取氧氣的實驗。實驗過程中，學生根據(jù)問題要求使用各種反應物質(zhì)的質(zhì)量應相等，反應催化劑不直接參與反應，催化劑使用量設置只需考慮實驗具體需求即可。根據(jù)三次實驗結果，學生能夠發(fā)現(xiàn)以下現(xiàn)象。

1.等質(zhì)量產(chǎn)生氧氣最多的是過氧化氫（雙氧水），其次是氯化鉀，最少的是高錳酸鉀。

2.等物質(zhì)的量產(chǎn)生氧氣最多的是氯化鉀，另外兩個一樣大。

3.等量電子產(chǎn)生氧氣最多的是過氧化氫（雙氧水），另外兩個一樣大。

到此，學生形成問題：為什么不同的反應方式在使用反應物質(zhì)量相同的情況下制取得到的氧氣質(zhì)量會有明顯差別？教師根據(jù)學生的疑問，給學生具體講解化學反應中的質(zhì)量守恒原理，讓學生加深對實驗室氧氣制備中置換反應與氧化還原反應原理的了解。

該環(huán)節(jié)的最后，教師要求各小組學生選派代表面向全班學生詳細說明各種實驗室制備氧氣的方法、化學反應原理、化學反應過程條件等，并根據(jù)小組成員在實驗過程中的真實感受進一步說明個人認為的各種實驗室制備氧氣的方法的優(yōu)勢與劣勢。教師應詳細記錄學生的回答內(nèi)容與表現(xiàn)。

（設計意圖：在此環(huán)節(jié)中，通過關聯(lián)活動內(nèi)容與以前所學知識，一方面帶領學生回顧以前所學的化學知識，引導學生將活動內(nèi)容與學科知識緊密連接到一起，為學生活動中動手實踐提供理論知識支撐。另一方面有助于學生進一步認識到學科理論知識對實踐活動的影響，以激發(fā)學生對學科知識學習的意愿。在該環(huán)節(jié)中設置實驗室氧氣制備試劑、裝置與反應原理對比分析內(nèi)容，能夠有效培養(yǎng)學生在化學知識學習中的分析評價及解釋說明能力，讓學生在該環(huán)節(jié)中生成比較、分類等科學性思維，及元素觀、轉化觀、守恒觀等化學學科中重要的思想理念，為學生今后的化學學習奠定扎實的基礎。）

▲活動3：設計制作簡易制氧機，驗證簡易制氧機實際運行效果

任務驅(qū)動：

學生根據(jù)上一活動環(huán)節(jié)中了解的實驗室制備氧氣的反應原理設計制作可實際運行的簡易制氧機。

活動具體實施：

教師從學校器材室中取用各種可用于制作簡易制氧機的材料與試劑，供學生活動中選擇使用。

師：制作簡易制氧機需要考慮哪些方面的問題？如何讓制作的制氧機既漂亮，又具備實用價值？

學生根據(jù)教師的提問，按照活動中既定的分組進行簡易制氧機的制作。各組學生根據(jù)小組內(nèi)部建議確定簡易制氧機制作中應用的化學反應原理，并根據(jù)化學反應原理選擇合適的材料設計并制作簡易制氧機，并畫出裝置運行的原理圖。之后，各組學生依次向教師與其他小組的學生介紹本組制作的簡易制氧機。介紹環(huán)節(jié)中，學生首先使用簡易制氧機設計環(huán)節(jié)繪制的裝置原理圖詳細說明簡易制氧機的設計思路與科學依據(jù)。然后，學生啟動簡易制氧機向教師與其他學生具體展示簡易制氧機的工作狀態(tài)。

所有小組制作的簡易制氧機展示完畢之后，教師可以讓各小組學生在不選擇自己小組的前提下向自己認為外觀最美觀、運行機制最合理、實用效果最好的簡易制氧機投票，選出該環(huán)節(jié)中的優(yōu)勝小組，由教師給予該小組特定的獎勵。

（設計意圖：該環(huán)節(jié)中，教師首先通過提問，引導學生在簡易制氧機設計與制作中明確美觀、實用的大方向，讓學生盡可能在活動中完成簡易制氧機的制作。在學生完成簡易制氧機的制作后，再開展各組學生制作成果的評選，真正構成完整的活動流程。這一環(huán)節(jié)的設計，旨在通過學生實際動手制作簡易制氧機與對應的評選活動鍛煉學生的動手實踐能力、分析評價能力與審美素養(yǎng)。）

▲活動4：活動成果最終展示，開展項目式學習整體評價

任務驅(qū)動：

在教師評價的基礎上，各組學生進一步細化對其他小組簡易制氧機制作各個方面的評價，根據(jù)評價結果對簡易制氧機制作水平進行分級。

活動具體實施：

教師編制制作簡易制氧機成果評價表，每個小組一份（見文末表1）。

各組學生按照要求填寫表格，根據(jù)表格內(nèi)容進行制作成果分級，以分級結果確定各個作品的展示位置，評分越高的作品展示位置越靠近中心展位。之后的簡易制氧機作品展覽活動的籌備由教師與學校協(xié)調(diào)進行。

（設計意圖：通過展覽活動讓項目式學習活動的實踐性得到凸顯，借助表格中的各項內(nèi)容完成活動流程回顧與活動整體評價兩項內(nèi)容，最終形成完整的項目式學習過程。）

四、反思與建議

“制作簡易的制氧機”項目式學習活動設計與實施，整體以“從理論到實踐”的思路進行，以此帶動學生各個維度學科核心素養(yǎng)的提升。根據(jù)上述活動設計與實施內(nèi)容，本次研究最后就初中化學中開展跨學科項目式學習提出以下幾點建議。

1.從教學內(nèi)容出發(fā)關聯(lián)多學科知識，促進學生跨學科思維發(fā)展。鑒于化學學科知識與生活實踐的聯(lián)系，跨學科項目式教學活動中教師要依托教學知識關聯(lián)的生活實際，以此作為載體引入其他學科知識，充分體現(xiàn)跨學科教學內(nèi)涵。

2.從學生學習實際情況出發(fā)，科學安排課時。從以上活動設計與實施內(nèi)容中能夠看到，初中化學跨學科項目式學習活動開展需要大量的課時支撐。教師在實際教學中要重視活動開展與其他教學活動課時協(xié)調(diào)的問題，保證活動開展有足夠的課時，讓項目式學習活動效果得到充分的體現(xiàn)。

（作者單位：天津市軍糧城中學）

編輯：趙文靜