大概念引領的跨學科實踐活動設計與實施

摘 要： 以北京版初中化學教材“常見的液體——水”單元知識為載體，設計主題為“大運河水的凈化與元素組成研究”的跨學科實踐活動，探索大概念引領的跨學科實踐活動的設計與實施策略，以激發學生對新授課化學知識的學習興趣，幫助他們在解決實際問題的過程中整合多學科知識，形成合理的知識結構和良好的核心素養。

關鍵詞： 初中化學； 跨學科實踐； 大概念； 單元核心知識結構

文章編號： 10056629（2024）12005706

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課程標準”）強調，教師應注重基于大概念組織單元教學內容，發揮大概念的統攝作用；還應重視跨學科內容的選擇和組織，加強化學與物理、生物、地理等學科的聯系［1］。大概念是一種概念性工具，用于強化思維，連接不同的知識片段［2］。充分發揮大概念對跨學科知識的整合功能，對設計跨學科實踐活動及發展學生的核心素養有很強的現實意義。

跨學科實踐學習是一種以解決真實問題為核心的深度學習，其基本理念是為理解而學、為生活而學、為學科而學［3］。實施跨學科實踐學習要堅持教育的根本立場，明確教育的要求和底線，真正發揮其整體育人的教育功能［4］。其中，發揮其教育功能的重要手段之一就是在大概念的引領下融合多學科知識解決真實問題。為此，不少研究者對基于大概念的跨學科實踐活動進行了設計或實施。總體來看，基于大概念設計跨學科實踐活動的重要策略之一就是要用結構化知識促進學生形成結構化認識。但是，大部分研究僅聚焦在學生已學化學知識的應用上，而如何以跨學科實踐活動方式講授新課，既滿足學生運用知識解決實際問題的需求，又能落實新授課中的化學知識，是一線化學教師更為關注的問題。

基于上述分析，以北京版初中化學教材中“常見的液體——水”單元知識為載體，設計“大運河水的凈化與元素組成研究”為主題的跨學科實踐活動，探索大概念引領的新授課跨學科實踐活動的設計與實施策略。

1 前期分析

1.1 教學內容分析

在教材中，“常見的液體——水”單元主要包括“水的凈化”“水的變化”和“水資源的開發、利用和保護”三部分內容。在“課程標準”學習主題2“物質的性質與應用”學業要求中提出要“對水體保護等社會性科學議題展開討論，積極參與相關綜合實踐活動”［5］。為了幫助學生更好地理解本單元知識內容并達成課標學習要求，以北京城市副中心的重要景觀資源京杭大運河的水為真實情境，以解決“如何獲得純凈的大運河水并研究其元素組成”這個真實問題，設計“大運河水的凈化與元素組成研究”為主題的跨學科實踐活動，旨在讓學生了解大運河水質及保護要求，學習有關水的化學知識和相關實踐技能，提升綜合運用多學科知識解決實際問題的能力，感悟化學學科知識在認識和解決實際問題中的價值。

本單元的知識內容不僅涉及化學學科知識（如混合物、純凈物、元素、沉淀、過濾、吸附、蒸餾、硬水、軟水、電解水裝置等），也涉及部分生物學（如微生物、顯微鏡等）、環境科學（如水資源、水質檢測、水體保護等）和工程技術（如制作凈水器）等相關知識，為開展跨學科實踐活動奠定了豐富的知識與技能基礎?？鐚W科實踐活動的核心要義是讓學生綜合運用知識解決實際問題，但這些學科知識不能拼盤式地堆放在一起，需要借助大概念的結構化功能進行整合。

1.2 教學內容結構化設計

通過上述分析，本跨學科實踐活動主要涉及的跨學科大概念為“結構與功能”，學科大概念為“物質的組成影響其性質”和“裝置的結構決定其功能”。在此基礎上，結合跨學科實踐知識內容和化學學科視角，將大概念進一步分解為“化學上研究物質組成的前提需獲取純凈物，可通過物質分離來獲取純凈物、可通過化學反應研究純凈物的組成”的單元大概念（注：為便于術語表述，將本跨學科實踐活動整體看作一個教學單元），以此來統領本跨學科實踐活動的設計和實施。為了幫助學生建立單元大概念，進一步將其分解為“自然界的水是一種混合物”“利用混合物中各組分之間的性質差異進行分離”和“純水是由氫元素和氧元素組成的”三部分認識，作為教學單元的核心知識內容。

在各級大概念的引領下，構畫了教學單元的單元核心知識結構圖（見圖1）。大概念的教學內容結構化既為學生學習大概念提供了認識路徑，也為教師基于大概念進行化學教學提供了技術路徑［6］。通過圖1可以看出，單元核心知識結構是對跨學科大概念、學科大概念、單元大概念的具體化表征，為教師設計跨學科實踐活動目標、問題線索、實踐任務和評價措施等提供了藍圖。

1.3 學情分析

本節課的教學對象是剛剛接觸化學學科的初三學生，經過初一、初二生物學科和物理學科的學習，學生已具備一定的科學觀念、科學思維和實驗能力，能從“結構與功能”的角度認識實物裝置，能夠完成一些簡單的實驗操作。但總體上學生的實驗設計、實驗操作、證據推理等能力還比較薄弱，學過的物理、生物和化學知識也比較零散，缺乏有機整合。雖然對自然界中的水有一定認識，但尚未形成從化學視角認識和解決生活中與水相關的實際問題的能力。

2 教學目標設計

通過圖1可以看出，為解決“如何獲得純凈的大運河水并研究其元素組成”這一真實情境問題，本跨學科實踐活動有三個重要的實踐任務：調查大運河水質、自制凈水器凈水、探究水的組成及變化。通過三個任務的實踐體驗，學生將獲得相關事實證據，親身體驗和深刻理解單元大概念的內涵及價值。結合學生核心素養發展要求，將跨學科實踐活動的主要學習目的聚焦為獲取新知識、促進概念理解、提升實踐能力和感悟化學價值。所以，本跨學科實踐活動學習目標設計如下：

目標1：通過自然觀察和水質檢測活動，了解自然界（大運河）中的水資源及水質情況，感悟保護水資源的重要性。

目標2：知道化學研究物質組成的前提是要獲取純凈物，體驗凈水器的制作過程和凈水過程，深化對“裝置的結構決定其功能”的理解。

目標3：通過水的組成與變化實驗探究，了解化學研究物質組成的方法，認識到水是由氫元素和氧元素組成的，深化對“物質的組成影響其性質”的理解。

目標4：通過設計實踐方案和體驗實踐活動，提升綜合利用化學及其他學科知識解決實際問題的能力，感悟化學學科知識在認識和解決實際問題中的價值。

3 教學思路

為了突出學生的主體性和學習任務的挑戰性，在實踐活動整體思路設計中參照項目式教學的相關環節和要素，遵循如下過程：提出跨學科的真實問題、選取用于問題解決的不同學科視野、綜合探索解決問題、整合形成跨學科成果［7］。按照“教學評”一體化的理念，以開展“調查大運河水質”“自制凈水器凈水”和“探究水的組成與變化”三個實踐任務為核心，每個核心實踐任務為一個課時，整體為3個課時，并以學習目標、驅動性問題、實踐任務及過程和評價措施為要素，整體設計了單元教學思路（見圖2）。驅動性問題的設計緊扣單元核心知識結構的形成過程，并與實踐任務和評價措施對應起來，成為落實學習目標的重要載體。

4 主要教學實施過程

本班共有學生30人，在“調查大運河水質”任務中，分為3個大組，每個大組提交一份水樣；在“自制凈水器凈水”和“探究水的組成與變化”任務中，30人分為5個小組，每個小組自制一個凈水裝置和完成一份實驗報告單。

4.1 調查大運河水質

第1課時以落實目標1和目標4為主，重在匯報取樣過程和檢測水樣。

［教師］能否直接用自然界的水來研究水的組成與變化，為什么？

［學生］自然界的水有很多雜質，可能影響研究結果，不能直接研究。

［教師］大家的猜想是否正確呢？先來回顧十一假期前給大家布置的水樣采集任務。請每組各選一名同學匯報采樣情況，其他組按照“調查大運河水質任務標準”（見表1）進行評分。

［學生活動1］展示水樣，匯報采集過程，對其他小組進行評分。

［教師］各組代表匯報都很清楚，大運河的水質到底怎樣？請各組從3份水樣中分別取100mL，用顯微鏡和水質檢測儀進行觀察和檢測。

［學生活動2］觀察與檢測，填寫調查報告。

［學生活動3］分組匯報實驗過程、現象和結論（見表2示例）。

［教師］各組的調查報告都比較詳細，組員分工明確，通過觀察與檢測，我們知道大運河的水確實是一種混合物，不僅有微生物，還有我們看不到的物質，這些都有可能干擾我們的研究結果。為了研究水的組成，我們要想辦法獲取純凈的水。

4.2 自制凈水器凈水

第2課時以落實目標2和目標4為主，重在自主設計模型圖，制作凈水器。

［播放］自來水廠凈水過程的視頻。

［教師］請大家想想混合物分離的方法有哪些？

［學生］沉降、過濾和吸附。

［教師］如何設計一個簡易的凈水器？需要考慮哪些因素呢？

［學生］所用材料、價格、凈水順序、凈水效果。

［教師］發布自制凈水器任務，并明確任務標準（見表3）。

［學生活動1］設計凈水器模型圖（見圖3），并派代表展示。

［教師］提供實驗用品礦泉水瓶、棉花、紗布、活性炭、石英砂、小卵石和鵝卵石。

［學生活動2］制作凈水器（見圖4），進行效果檢測，并記錄實驗結果。

［學生活動3］根據凈水效果，組內討論反思。

組1：本組凈水器水流速度很快，但流出的水依舊渾濁，要加固出口處的棉花層和活性炭層起到更好的凈化效果，只能達到“中”等級。

組2：本組凈水器活性炭用量較少，沒有起到吸附效果，等級為“差”。

組3：本組凈水器水流速度太慢，所用石英砂太多，應減少它的用量，但凈水效果較好，達到了“好”等級。

組4：本組凈水器選用礦泉水瓶的高度太低，導致每一層的材料高度也低，未達到凈水效果，等級為“差”。

［教師］大家都發現了本組凈水器的優點與不足，今天我們化身工程師，將工程技術與化學知識融合起來制作簡易凈水器，感受裝置結構與功能的關系。在此項任務中，大家都參與制作過程，并提出好的想法，且在看到其他組凈水效果后能及時改進本組裝置的不足，這類似于科學家們在科學探索中經歷的一次次改進過程。

4.3 探究水的組成與變化

第3課時以落實目標3和目標4為主，讓學生通過實驗來探究水的組成。

［教師］簡易凈水器得到的水依然不是純凈水，我們還可以利用蒸餾方法對凈化后的水進行蒸餾獲得更加純凈的蒸餾水。

［教師演示實驗］制取蒸餾水。

［教師］大家想一想，在蒸餾過程中水發生了哪些變化？我們怎樣從化學的角度研究水的組成與變化呢？

［學生1］水受熱變成水蒸氣，水蒸氣冷凝后又變成了液態水。

［學生2］網上有視頻將電極插到水里后有氣泡產生。

［教師］你們知道這些氣泡是什么嗎？水發生了什么變化呢？我們來進行實驗探究。

［教師］提供學生電源、導線、電解水裝置、純凈水（含電解質），并給出“電解水實驗任務標準”（見表4）。

［學生活動1］完成電解水實驗，記錄實驗現象，匯報實驗結果。

［教師］2、 4、 5組電解水的時間長，順利看到實驗現象，正確填寫實驗報告，記為“好”等級；3組同學看到了帶火星的木條復燃，對于氫氣的現象描述不太準確，記為“中”等級；1組同學因操作不當沒有看到現象，只能記為“差”等級，請課后再完善實驗。

［播放］“氫氣在氧氣中的燃燒實驗”的視頻。

［教師］無論是將水進行電解（分解法）還是將氫氣進行燃燒（合成法），都可以得到“水是由氫元素和氧元素組成”的這個實驗結論。

最后，為了檢驗學生對電解水實驗和水的元素組成的理解，教師布置了如下練習題：

用下圖裝置探究水的組成及變化。

（1） 檢驗管b中氣體的操作是 。

（2） 用上圖裝置驗證水的組成。下列說法不正確的是

A. 水發生了分解反應

B. 用燃著木條檢驗a管氣體，觀察到氣體燃燒

C. b管氣體能使燃著木條燃燒更旺，說明水中含有氧氣

D. 該實驗證明水由氫元素和氧元素組成

檢測結果顯示，93.9%的學生能夠答對問題（1），90%的學生能夠答對問題（2）。

5 教學反思

為了解教學效果，課后進行了學生訪談、同行評議，各方給出了較高評價?？傮w來看，大概念引領的新授課跨學科實踐活動的設計與實施，相比以往講授式教學，更能夠激發學生的探究熱情，增強學生的學習參與度和獲得感。特別是在真實情境問題和挑戰性任務的驅動下，學生根據實驗觀察和實踐體驗生成了新的化學知識，基于證據推理深度理解了“自然界的水是一種混合物”“利用混合物中各組分之間性質的差異進行分離”和“純水是由氫元素和氧元素組成的”三大單元核心知識；根據問題解決需要調用與整合其他學科知識，形成了較合理的知識結構，較好地達成了核心素養發展要求。

參考文獻：

［1］［5］中華人民共和國教育部制定. 義務教育化學課程標準（2022年版）［S］. 北京： 北京師范大學出版社， 2022：13～42.

［2］格蘭特·威金斯等著. 閆寒冰等譯. 追求理解的教學設計（第二版）［M］. 上海： 華東師范大學出版社， 2017： 70～77.

［3］張華. 跨學科學習： 真義辨析與實踐路徑［J］. 中小學管理， 2017， （11）： 21～24.

［4］郭華， 袁媛. 跨學科主題學習的基本類型及實施要點［J］. 中小學管理， 2023， （5）： 10～13.

［6］王欽忠. 用結構化的教學內容引導學生建構知識［J］. 化學教學， 2023， （4）： 33～37.

［7］夏雪梅. 跨學科項目化學習： 內涵、設計邏輯與實踐原型［J］. 課程·教材·教法， 2022， 42（10）： 78～84.