大概念统摄下的初中化学跨学科实践活动设计

摘要

选取“我为垃圾处理献计献策”为真实情境，基于“化学与可持续发展”“系统与模型”大概念，围绕活动线索“垃圾分类之痛、垃圾分类之法、垃圾处理之工、垃圾分类之行、垃圾处理公约”设计了4课时6任务的单元项目式教学，呈现了初中化学“垃圾分类与回收利用”跨学科项目学习的教学设计思路和教学实践过程。

Graphical abstract

关键词

跨学科 / 初中化学 / 大概念 / 垃圾分类 / 项目式学习

为加强各个学科之间的关联，培养解决问题的关键能力及必备品格，《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称新课标）设立了多个跨学科主题实践活动，并规定实践活动课时不少于本学科总课时的10%，建议与各学习主题中的核心内容及学生必做实验的教学进行整合^［1］。笔者选取垃圾分类与处理中出现的问题，充分利用校内外资源，综合运用化学、物理、生物学、道德与法治以及工程等学科知识，以“我为垃圾处理献计献策”为项目情境，从确定项目主题和内容—明晰项目目标—确定项目设计思路—展开项目实施—介绍项目实录—深化项目评价—促进项目反思7个方面开展跨学科实践活动教学。

1 项目主题和内容

1.1 项目主题

本项目属于化学与资源领域的行动改进类综合实践活动，紧密结合学生的生活和社会热点，让学生作为参与者为垃圾处理献计献策，并从中体会到化学思路方法对社会层面的贡献，最终体现在学生行动上的改变，并认识到这种改变对实际生活、生产的影响。以现行垃圾分类标准为基础，以各类垃圾的处理方式为研究对象，探究垃圾分类、金属资源的保护、材料与环境等问题，融合生物学、物理、道德与法治等课程相关内容，促进学生发展元素观、绿色化学思想，进一步建构“可持续发展”“系统与模型”等跨学科大概念。本项目将学生置身于真实情境中，引导他们在面对个人生活需要、国家发展、人类发展中的垃圾处理问题时，发展科学、技术、工程等多学科融合解决实际问题的能力，形成国际化视野和人类命运共同体意识，强化社会责任、国家认同和国际理解，促进知、情、意、行的统一。该项目的育人价值见图1。

1.2 项目内容

本项目涉及多个学科的内容（图2）：金属资源的保护、材料与环境、垃圾分类是化学学科“化学与可持续发展”“化学与环境”学习主题的核心知识；可回收垃圾及厨余垃圾的处理方法涉及生物学、物理学等多学科知识；了解垃圾分类的政策法规，理解在环境、经济等问题上各国的依存关系等，以及道德与法治课程的相关内容。

2 项目目标

在分析学生学情和跨学科学习内容的基础上，从课程的核心概念或关键能力出发，关注学生化学核心素养的提升，并充分挖掘学习过程中的育人因素，注重培育学生跨学科核心素养，体现跨学科主题学习的价值取向^［2］。本项目须达成的目标如下。

（1） 从系统、科学、可持续发展、可行性等视角审视垃圾分类的现状，对垃圾分类及处理提出建议。

（2） 综合运用多学科知识尝试解决“垃圾分类之痛”中的真实问题，提升将理论联系实际的能力，逐步积累在真实情境中学习的经验，提高对跨学科问题的研究能力。

（3） 基于“组成→性质→用途”对物质进行分类，尝试建立“垃圾分类之法”中的化学学科思维，发展物质观、分类观等化学观念，解决生活中有关金属分类及处理的问题，建立垃圾分类处理的必要性和思路方法，培养资源合理利用以及资源再生观点。

（4） 综合采用化学探究实验、工程设计、实地参观和调查研究等实践活动，初步了解“垃圾处理之工”中的废旧金属回收工程，评价工艺流程中的设计思路及方法，树立绿色节能环保的垃圾处理理念。

（5） 通过学习活动提升团队协作、沟通表达和问题探究等能力，在“垃圾分类之行”中培养学生的信息素养和社会责任感，学会运用化学思路方法，为垃圾处理献计献策，制定“垃圾处理公约”，秉持可持续发展理念，实现知、情、意、行统一。

3 项目设计思路

本项目在大概念基础上确定项目主题，创设“深圳垃圾围城”的真实情境，设计项目核心问题，结合学生的认知水平，分解核心任务，设计子任务与任务群，再根据任务和学生的学习需求，寻找该项目涉及的具体知识进行匹配，形成“我为垃圾处理献计献策”的设计思路（图3）。

4 项目实施

4.1 导引课

导引课核心是创设真实复杂的问题情境，激发学生解决问题的学习动机；阐明项目实施的原因；明确项目目标，通过分解项目后明确研究方向及思路^［3］。具体项目活动见表１。

4.2 探究课

探究课关键是将问题解决方案与核心知识、学科观念融合，在寻求真实问题解决方案的过程中，学习垃圾分类和处理的核心知识，建构物质观、分类观、能量观等学科观念，并应用学科观念解决问题^［4］。本次探究课具体项目活动见表2。

4.3 社会实践

社会实践是课堂教学的延伸和补充，通过环保类、科普类、爱心类、成长类、志向类、设计类等多种形式的社会实践活动，不断获取知识、发现问题，探索并创新解决问题的方法^［5］。具体社会实践项目活动见表3。

4.4 展示课

展示课是学生展示收获与发展的重要平台，学生需要对项目过程进行小组汇报，展示完整的项目历程，师生之间、生生之间进行评价，以促进对整个项目过程的反思^［6］。具体项目活动见表4。

5 项目活动实录

通过探究课１的学习，学生在探究“垃圾分类之法”过程中认识了垃圾分类的方法及依据，建立了从物质分类及物质转化的视角分析垃圾分类处理的问题。探究课2重点发展学生从技术、工程、环境、资源等综合视角，系统分析“垃圾处理之工”中的废旧金属回收，提升学生解决真实复杂问题的能力。探究课2的教学实录如下。

5.1 废铜回收的设计首秀

【教师活动】播放视频《中国子弹用钢制而不用铜制》，引导学生思考原因；提供资料：每回收1 t铜所带来的优势及国家发改委再生铜目标；提出问题：能为废铜资源的回收做些什么？布置废铜回收方案设计任务，引导学生关注金属活动性顺序、药品用量等；教师演示废铜块中加入过量稀盐酸实验，学生思考工业上如何加快化学反应速率；邀请学生完成过滤实验，提醒操作要点；引导学生归纳总结废弃金属原料中得到目标产物的一般思路。

【学生活动】观看视频，了解我国铜资源短缺的现状；结合资料思考日常生活中通过金属分类回收利用铜；独立设计废铜块（含Cu、Zn）中回收铜的方案（加过量酸或硫酸铜后过滤），在教师的引导下修改并完善实验方案；观看教师演示实验，思考可通过粉碎废铜块、搅拌等方法加快化学反应速率；演示实验：向废铜渣中加入过量的稀盐酸，搅拌，完全反应后过滤得到铜；将分离实验操作、核心化学反应、预处理这3个步骤填入对应流程图内（图4）。

5.2 废铜回收的绿色工程

【教师活动】提供资料：我国现有企业水污染排放限值要求pH为6～9，提示学生思考剩下的滤液中的成分及处理；布置废酸处理方案设计任务，引导学生思考反应现象及如何判断完全反应；提供废盐酸液、锌粒、大理石、生锈的铁钉、澄清石灰水、pH试纸、试管、玻璃棒、洗瓶、废液缸、滤纸等实验器材，布置分组实验，拍照、点拨（有没有错误操作等）；提供金属锌、熟石灰的均价等资料，引导学生分析4种方法的利弊。

【学生活动】滤液中过量的酸必须处理后才能排放；小组讨论并完成废酸处理方案（表5），通过固体溶解、pH试纸等判断是否完全反应；完成分组实验，在学案上书写相应化学方程式；结合资料分析4种方法的利弊，总结工艺处理流程中需要考虑安全、环保、经济、速率等方面。

5.3 真实工厂的参观体验

【教师活动】带领学生参观废铜回收工厂并提供真实情境例题：工业上氧化焙烧-酸浸法回收铜（图5），引导学生思考废气B的主要成分及处理方法；演示实验：用氢氧化钙溶液吸收塑料瓶中的二氧化硫气体；指导学生完善金属废弃物的回收工艺流程，并点评例题。

【学生活动】思考废气B的成分应为二氧化硫，可用氢氧化钠或氢氧化钙溶液吸收；学生观看实验，思考塑料瓶变瘪的原因；完善金属废弃物的回收工艺流程2.0，完成例题并订正。

【例题】废铜厂的管道烟泥中含有铜、锌和少量硫等杂质，为提高铜、锌的分离效果，并对硫进行环保处理，设计了以下工艺流程。

已知：加热的条件下，Zn、Cu、S都可以与氧气反应生成相应的氧化物。

1 废气B可用熟石灰吸收，发生的化学方程式是

。

2 溶液C中的溶质成分为

（填化学式）。

3 步骤④中得到铜的化学反应对应的基本反应类型是

反应。

4 步骤③和④中主要操作的名称是

。

图5　工业上氧化焙烧-酸浸法回收铜例题

5.4 废铜回收的真题演练

【教师活动】提供中考真题（2021·深圳节选），指导学生完成真题并点评；布置项目课后作业。

【学生活动】完成中考真题（图6），并进行互评；总结、分享收获，五选一完成课后作业（图7）。

【中考真题】（2021·深圳节选）某科学兴趣小组，用废渣（主要为CaCO₃，还含有C、Fe₂O₃、MgO等少量杂质）去制作CaCl₂，部分反应过程如图所示。

1 加过量稀盐酸溶液的目的是

。

2 MgO与稀盐酸反应的化学反应方程式是

。

3 滤渣一的成分为

（填化学式）。

图6　中考真题

6 项目评价

化学跨学科实践活动评价应全面、客观地评价学生核心素养培养目标的达成情况，项目实施过程注重“教—学—评”一体化，加强过程性评价及综合性评价，通过多种形式收集学生的表现性评价，科学运用表现变化的净增值来评价学生核心素养的提升和发展水平^［7］。本项目实施过程围绕化学学科核心素养设计了评价量表（表6），对学生整个学习过程中的学习表现开展针对性追踪观察，采用“自评、互评、师评”相结合的多元主体评价，整体评价以等级形式呈现。

7 项目反思

7.1 学科整合，促进融合

跨学科实践活动不是把活动切割，让各个学科教师各自教学，而是在了解各个学科的课标及教材的基础上，寻找可融合的知识，选择有效的、有意义的跨学科活动素材^［8］。本项目中的“垃圾分类与回收利用”同时在化学、道德与法治教材中出现，将相关的知识点放在一个项目主题下，帮助学生从物质及其变化视角，分析和讨论资源综合利用、生态环境保护等有关问题。通过实践活动，认识到仅依靠单一学科知识和方法往往不够，需要综合运用各学科知识，采用合适的方法和工具，系统地规划和实施项目。化学跨学科实践活动的落脚点还是化学，“跨”的是解决问题的知识、方法和思维。

7.2 丰富活动，解决问题

本项目设置了思维导图、调查探究、实地参观、实验探究、职业体验等多种活动，调动了学生的主观能动性，形成解决问题的一般思路、方法。源于生活的学习，能够激发学生的兴趣，调动学习的积极性。通过观察和探究身边的一些常见物质，帮助学生了解化学对人类生活的影响，体会科学进步对提高人类生活质量所做出的巨大贡献，初步认识物质的性质和用途的关系。通过参与社会性科学议题的探讨与实践，学会以科学的态度、系统的方法、创新的思维应对未来的挑战。

7.3 教学评价，以评促教

通过“教—学—评”一体化的活动设计，实现以评促教。传统的课堂着重“教师教”，忽略“学生学”，学生往往缺乏体验、缺乏实践，对知识有距离感^［9］，而跨学科实践活动来源于生活，强调“做中学”，整个项目将课堂与社会实践联动起来，让知识在实践中获得，让素养在行动中提升。此外，教师提前与学校、社区、工厂联系，形成跨学科协作、家校社合作体系。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部. 义务教育化学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 胡久华，张恺琦.《义务教育化学课程标准（2022年版）》解读：化学与社会·跨学科实践［J］.化学教育（中英文），2022，43（15）：13-18.

[3] 胡久华，褚童，王静波，等.大概念统领的项目式学习：基于碳中和理念设计低碳行动方案［J］.化学教育（中英文），2022，43（09）：6-14.

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[9] 陆孟君.基于跨学科视角的中美化学教育比较研究［D］.武汉：华中师范大学，2020.