遞進式數字化實驗賦能初中化學跨學科實踐

摘要：跨學科實踐是化學教學的重要內容，但其“拼盤化”問題和模糊評價方式制約了學生核心素養的發展。研究者以“水質檢測及自制凈水器”為例，構建遞進式數字化實驗框架，設計基礎凈水模型構建、數字化檢測系統融合、智能可視化裝置開發三個階段活動，借助光譜傳感器、開源硬件等工具，實現水質參數多維監測與實時反饋，形成“工程設計—數據采集—循證優化”的閉環學習路徑。實踐表明，該模式顯著提升了學生物質分離觀念與工程思維能力，為化學跨學科實踐提供了創新路徑。

關鍵詞：數字化實驗；跨學科實踐；凈水裝置；化學核心素養

跨學科實踐是培養學生綜合素養的重要途徑。《義務教育化學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）明確提出開展跨學科實踐活動的要求^[1]，旨在促進學生綜合運用知識解決問題的能力，發展創新思維，實現核心素養的提升^[2]。然而，當前跨學科實踐面臨諸多挑戰，如學科知識簡單拼湊、缺乏系統性，導致學生學習淺表化、零散化，評價方式難以準確衡量學習成果。為解決這些問題，筆者以“水質檢測及自制凈水器”為例，探索遞進式數字化實驗在化學跨學科實踐中的應用^[3]，構建項目式學習框架，引導學生在實踐中深化對化學知識的理解，培養跨學科綜合能力，為化學教學改革提供新的思路與方法。

數字技術作為現代教育的重要工具，其定量化和可視化的特點為跨學科實踐提供了強有力的支持。學生利用傳感器等先進儀器，能夠實時、準確地采集實驗數據，這些數據不僅豐富了科學探究的素材，還使得抽象的科學概念變得具體和直觀。在“水質檢測及自制凈水器”跨學科實踐活動中，教師開展遞進式數字化實驗，即利用數字技術，讓學生經歷從用肉眼觀察凈水效果到用傳感器檢測水質參數，再到用光譜分析有機物分子結構的進階過程，參與“實踐觀察→數據驗證→原理探究”完整的科學探究活動。借助實時數據反饋驅動凈水器迭代設計，學生不僅掌握吸附過濾等知識，更在工程優化中培養系統思維與創新能力，最終通過光譜傳感與物聯網的跨學科融合，實現水質監測與凈水裝置的智能可視化，推動科學素養與技術應用能力的協同提升。以下介紹如何借助遞進式數字化實驗促進“水質檢測及自制凈水器”跨學科教學。

一、課標要求與教學目標

“水質檢測及自制凈水器”是課標建議開展的跨學科實踐活動之一，在根據課標修訂的多個版本教材中均有涉及，具有較高的探究價值。該活動綜合體現“物質的性質與應用”學習主題的大概念及核心知識，涉及化學與資源、化學與健康以及化學與材料的相關內容，有助于促進學生發展物質觀、分類觀以及變化觀等化學觀念，建構“可持續發展”“系統與模型”“尺寸、比例與數量”等跨學科大概念。化學學科核心知識包括水的凈化、物質分離的思路與方法、材料與健康等內容，跨學科融合內容涵蓋地理、物理等學科（如圖1）。

學生采用水的凈化方法，自主嘗試并調用相關學科知識，從凈水材料、罐體密封性、裝置尺寸、液體流速、傳感器應用等方面考慮，參與設計、動手制作、測試優化等實踐活動，自主反思，推進凈水裝置的迭代更新。其中，水質檢測環節利用相關儀器和技術確定待測水中污染物的成分、濃度及其變化趨勢，綜合評價水質狀況。數字化實驗室中配備的數字化實驗盤搭配多種傳感器，如pH傳感器、電導率傳感器、氧氣傳感器等，還有TDS計、濁度傳感器、鈣離子傳感器、特定光譜傳感器等數字化技術都可以應用于水質檢測^[4]。圍繞核心素養，以探究實踐的方式，建構物質分離的化學觀念，培養基于實驗事實判斷推理的科學思維，培養通過一定的技術手段，在跨學科實踐活動中解決真實問題的能力，養成節約水資源、科技造福生活的科學態度^[5]。

具體目標如下：掌握凈水方法，構建物質分離的化學觀念，形成根據物質性質分離混合物的一般方法和思路；引入信息技術對凈水裝置進行數字化改造和性能優化，發現凈水過程中出現的新問題，不斷更新迭代凈水裝置，培養科學精神和創新意識；參觀大型專業凈水設備，結合物理知識、工程技術優化凈水裝置的設計和結構，培養工程思維；閱讀淄博水系分布圖，了解當地水資源分布狀況，增強環保意識，養成節水習慣。

二、遞進式跨學科實踐活動的設計與實施

本活動分為三個子項目開展，逐步升級（如圖2）。

子項目一：了解水，結合化學與地理知識探究天然水中的雜質。

教師提供淄博當地水域資料、模擬自來水廠凈水過程的微課、探究天然水中雜質的實驗用品。學生結合地理知識，課前搜集網絡素材，了解當地水資源分布特點和現狀，認識到水資源短缺、水環境污染等問題，理解水治理的重要性。課堂上運用高倍顯微鏡、查閱資料等方式探究天然水中的雜質，觀看微課模擬自來水廠的凈水流程，初步學習凈水的方法。教師提供多元學習資料，學生利用信息技術自主搜集學習內容，豐富活動的開展方式。淄博地處內陸，水體豐富，呈南山北水的分布特點。由于工農業用水量大，仍是一個缺水型城市，激發學生對該活動的情感共鳴和研究興趣。對于學生難以理解的工業流程，以動畫的形式展現，更生動易懂。實驗探究天然水中的雜質，讓學生動手探究并親眼看到水中的微小雜質，變被動記憶為主動發現。

子項目二：凈化水，結合化學、物理、工程、信息技術等學科知識更新迭代凈水裝置。

第一步，除去水中雜質：建立基礎凈水模型。

教師提供實驗室中凈化天然水的實驗用品和凈水器評價量表。學生在實驗室中凈化天然水，選取生活中的石子、沙子、活性炭、紗布等材料自制簡易凈水器1.0，進行凈水并觀察凈水效果。學生根據評價量表，從材料選取、凈水效果、工程技術等方面評價凈水器，對制作的1.0版本凈水器提出新問題并設計改進方案。學生根據實驗室中的凈水方法，選取生活中常見的材料，設計并制作簡易凈水器（如圖3）。

從化學走進生活，將教材中的凈水方法遷移思考生活中哪些材料具有相似的凈水作用，初步構建凈水器模型。評價先行，教師依據凈水器的評價量表，引導學生提出問題并改進，起到以評促學的作用。學生發現，該版本凈水器凈水材料簡單，在水的沖擊下容易流失，導致凈水效果不佳，不符合直接在生活中應用的要求，因此提出制作高效凈水器的期望。

第二步，優化凈水裝置：應用數字化技術。

校際共研體提供大學化工實驗室參觀和數字化探究實驗室。學生調查生活中常見的凈水設備，如校園直飲機、社區凈水站、不同品牌的家用凈水器等，了解其結構和凈水原理。學生走進山東理工大學化工實驗室，參觀大型凈水設備，了解其凈水系統和控制系統，完成凈水設備調查報告。在簡易凈水器1.0版本的基礎上進行升級改造，制作可視化凈水裝置2.0，并利用數字化實驗盤檢測凈水效果（如圖4）。學生根據評價量表，總結制作過程中的問題，對2.0版本提出問題并嘗試改進。

學生根據商用凈水器原理，在1.0版本的基礎上升級凈水材料，采用PP棉、活性炭、超濾膜等五個層級的凈水體系，使凈水更高效。第一層為聚丙烯PP棉濾芯，1—5微米過濾，除去水中懸浮物、泥沙、鐵銹等大顆粒雜質；第二層為顆粒活性炭，吸附異色異味物質；第三層為壓縮活性炭，去除部分有機物、余氯；第四層為超濾膜，0.01微米過濾，除去重金屬離子、有機物、細菌等；第五層為后置活性炭，繼續吸附改善口感。濾芯罐體采用透明礦泉水瓶切割黏合而成，可直接觀測原水經過不同濾芯凈化的過程，實現凈水過程可視化，有助于更好地理解凈水原理，加深對化學知識的理解。實時觀察不同過濾層對雜質的去除效果，增強學習的互動性。引入數字化傳感器檢測水質，運用實驗室數字化實驗盤檢測水中pH、電導率、溶解氧等參數，可以定量檢測水質參數，實現水質狀況可視化。在學生制作過程中，濾芯罐體的設計和選材是設計制作過程中的一大難點。由于水壓較大，礦泉水瓶黏合處容易漏水。學生在嘗試各種密封材料、反復實驗測試后仍不能長時間保證裝置密封性，故決定對其升級替代。超濾膜需要較大的工作壓力，原水泵揚程小，使得出水緩慢且不穩定。實驗室傳感器需要專用軟件且需搭配電腦使用，靈活性較差，檢測指標也不全面，不能精準反映過濾前后水質的變化。基于此，學生大膽設想：能否設計制作集凈水、檢驗于一體的可視化凈水裝置呢？

第三步，完善水質監測：實現全流程分級監測水質。

教師提供微型光譜傳感器。學生設計制作集凈水、檢驗于一體的可視化凈水裝置。升級濾芯罐體，采用定制透明濾芯罐體，高壓防爆、密封性好。升級水泵增大水壓，出水更加穩定。從工程力學方面考慮，學生繼續調試凈水與廢水比例。升級數字化檢測設備，運用微型光譜傳感器（水偵探光譜法水質在線檢測）測定6項水質參數，搭配手機屏幕實時反饋水質的各項主要指標。在一級、三級、五級過濾后分別設計出水口，方便分級檢測水質變化（如圖5）。

學生綜合考慮工程、力學等因素對凈水裝置進行升級，引入微型光譜傳感器實現實時檢測，完成全流程分級檢測一體化。微型光譜傳感器可同時檢測6項水質指標：TOC（總有機碳）、COD（化學需氧量）、UV254（大分子有機物）、EC（電導率）、TEM（溫度）、TDS（可溶性總固體量）。配合手機屏顯，學生可直接讀取各檢測指標的數值變化，增強對凈化效果的直觀感受。學生不僅能根據水質參數直觀判斷凈水效果，而且能通過每次過濾后水質參數的變化推斷去除的雜質類型，從而建構物質分離的化學觀念。

子項目三：檢測水質，結合信息技術完善水質檢測。

教師提供《生活飲用水標準》、水質檢測實驗用品、評價量表。各小組以視頻、思維導圖、現場講演等不同形式匯報展示凈水器，并根據評價量表評價各類凈水器。運用精密pH試紙、肥皂水、pH計、TDS計、余氯試紙等檢測本組凈水器的出水水質。學生利用微型光譜傳感器，測定可視化凈水裝置3.0一級、三級、五級凈水后的水質狀況。依次打開一級、三級、五級罐體后水龍頭，分別得到一級、三級、五級過濾水樣。另取原水水樣和廢水水樣。用檢測筆依次檢測五個水樣。記錄水質數據，小組討論分析每級凈水后數值的變化，分析水中減少的雜質種類，推斷過濾材料的作用。基于實驗事實和數據分析，完成實驗探究報告。學生多樣化匯報展示各組的凈水器，說明凈水器所用的凈水方法、凈水材料及凈水器的更新迭代過程。教師引導學生總結制作凈水器的流程，歸納制作類跨學科實踐活動的一般方法和流程。根據評價量表，小組先自評，后通過小組投票的方式，選出最佳凈水器，創新評價方式。使用可視化凈水裝置3.0凈水，利用微型光譜傳感器探究分級凈水的水質狀況，充分發揮數據價值，進一步建立根據物質性質選擇分離方法的觀念。可視化凈水裝置為課堂教學提供了生動的教學工具，教師可以利用裝置進行課堂探究實驗，幫助學生理解凈水原理和學科知識，增強學習的實踐性和互動性；也可作為科學社團項目實踐活動，學生從設計到實施全過程參與制作和應用，增強學生動手能力和實驗技能，提高跨學科綜合能力。在跨學科實踐活動過程中，學生體驗發明創造，市場售價近5000元的凈水器核心組件材料成本不足200元，掌握原理和技術，相信科學的價值。產品應用具有多種可能性，課堂以外應用于家用凈水器的維修更換、野外露營、應急凈水等。本活動作為科學教育的校本課程，激發興趣、重在實踐，注重理論學習與實踐能力的結合，啟發式、探究式、實操性，培養具有創新思維和科學家潛質的新時代接班人。可視化凈水裝置在追求教育性和創新性的同時，面臨著較高的廢水比例問題。后續可改進凈水裝置的過濾層設計、調節水壓，提高過濾效率，減少廢水產生。另外，目前使用的是商用水質檢測傳感器，缺乏定制化和靈活性。學生有一定的編程基礎，具備自行組裝和開發簡單檢測模塊的能力。在后續項目活動中，教師可鼓勵學生利用開源硬件和軟件平臺，自行設計、組裝水質檢測模塊，實現全流程分級檢測一體化。

三、反思與啟示

（一）找準化學定位，立足于核心知識和化學觀念

課標中要求的跨學科實踐活動是基于化學學科的。首先強調立足于化學學科，實踐活動需要承載化學學科的核心教學內容，問題解決過程中需要運用化學觀念或學科思想方法，突出以實驗探究為主的多樣化實踐活動。這要求活動設計必須立足于初中化學的核心知識，如物質組成與結構、物質性質與應用、化學反應與能量等。同時，要引導學生形成正確的化學觀念，如微粒觀、元素觀、守恒觀等。學生參與實踐活動，能夠在真實或仿真的情境中應用化學知識，加深對化學核心知識的理解。

（二）活動設計中考慮跨學科融合，使內容更全面生動

跨學科實踐活動的一個重要特點是其跨學科性。在設計活動時，需要考慮與化學緊密相關的其他學科，如物理、生物學、地理等。例如，在探討環境污染與治理時，可以融入生物學的生態系統知識，地理的環境科學內容，物理的物質運動和能量轉化等。這種跨學科的融合不僅使活動內容更加豐富生動，還有助于學生形成宏觀和全面的視角，拓寬知識面。課標倡導“做中學”“用中學”“創中學”，以指向問題解決的問題鏈為導向，以指向核心素養發展的表現性任務群為內驅，引導學生像科學家一樣思考與行動。

（三）善用數字化設備，從定性到定量研究

隨著科技的發展，數字化設備在教育教學中的應用越來越廣泛。在跨學科實踐活動中，學生可以利用數字化設備來采集數據、記錄實驗過程、分析結果等。這不僅可以提高實驗的準確性和精確度，而且可以使學生從定性研究過渡到定量研究，培養他們的循證推理能力。

參考文獻

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[3] 周業虹，靳瑩，劉淑霞，等.信息技術賦能單元教學：化學大單元設計教學評一體化實踐研究[J].中小學數字化教學，2023（11）：57-62.

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[5] 王雨，畢華林.跨學科實踐活動的特征及其教學評價：基于《義務教育化學課程標準（2022年版）》的分析[J].中學化學教學參考，2022（13）：9-13.

（作者郝玉婷、張麗娟系山東省淄博柳泉中學教師）

責任編輯：祝元志