行之愈篤，知之益明*
——初中化學開展跨學科實踐活動的探索

柯志超 黃丹青

（1.福州第三十二中學 福建 福州 350011；2.福建省普通教育教學研究室 福建 福州 350003）

《義務教育化學課程標準（2022版）》（以下簡稱義教課標2022年版）指明：化學是引導學生從化學視角認識物質世界的“一門自然科學課程”，倡導學生“做中學”“用中學”“創中學”。［1］義教課標2022年版優化了課程內容結構，在所有的五個學習主題中都明確了學生需要經歷的實踐活動，其中備受關注的是在新增的“化學與社會發展·跨學科實踐”學習主題中，設計了系列跨學科實踐活動，關注學科間的相互關聯，強化實踐性，凸顯義務教育階段化學課程的全面育人價值。“如果把知識點比作建筑所用的‘磚’，學科知識結構就是‘房子’，學生的認知結構就是需要學生經歷活動而構建知識結構的‘家’”（郭華，2022），而跨學科實踐活動就是能讓學生留下生命活動印記，建設有溫度的“家”的有效路徑。

一、跨學科實踐活動的整體思路及構成要素

行是知之始，知是行之成。跨學科實踐活動是基于科學、人文知識的系列認知的、社會的和行為的探究活動，不僅承載不同學科的獨特素養發展功能，更側重從科學方法論和價值觀的視角，關注探究過程中產生知識的具體活動，如提出問題，建立和使用模型，設計和實施調查研究，分析和解釋數據，利用數學和計算思維建構解釋，基于證據進行論證、獲取、評估和交流信息。［2］因此，筆者依據義教課標2022年版的教學要求，統籌兼顧，精選對學生終身發展有價值的教學內容，進行跨學科實踐活動的整體設計，如圖1 所示。

圖1 跨學科實踐活動整體設計思路

以“汽車燃料變遷”為例，設計并開展指向核心素養的跨學科實踐活動。該活動承載了初中化學學科中核心知識（如物質的組成和分類、物質燃燒及物質燃燒的條件、物質的性質和變化、能量轉化、新能源等）的理解和掌握，并融合歷史、物理、工程技術與信息技術等多學科課程中的相關內容，從不同時期汽車燃料的使用角度，創設具體問題情境，從燃料、能量、變化多維度建構認知視角，結合“煤的干餾”“石油分餾”的實驗探究以及汽油機、柴油機工作原理的異同分析，進一步理解物質燃燒的條件、物質（或能量）的轉化原理，同時運用比較、分類、分析、綜合、歸納等科學方法，基于事實進行證據推理、建構模型的科學思維能力，在解決真實問題的過程中形成質疑能力、批判能力和創新意識，并引導學生從新的認知視角初步認識化學學科的社會價值，樹立物質及其變化、綠色化學的基本觀念，建構“可持續發展”等跨學科大概念。教學模型設計如圖2所示。

圖2 “汽車燃料變遷”跨學科實踐活動的教學模型

二、跨學科實踐活動的路徑探索——以“汽車燃料變遷”為例

該項目活動的實施需要3-4 課時。通過三個核心活動，讓學生經歷完整的問題解決過程。

任務一：自主搭建問題框架，初步制定活動方案

為促進學生理解核心知識，培育核心素養，筆者根據學生身心發展特征，誘思激趣，圍繞“汽車燃料是如何變遷的”創設真實的情境，引導學生通過調查研究，查閱、收集相關資料，提出系列問題，小組討論、分析、補充和完善，搭建問題框架，如圖3所示。

圖3 “汽車燃料變遷”問題框架

任務二：追尋汽車燃料變遷的歷史，尋求解決問題的途徑

循著問題線索，引導學生從歷史維度探究不同時期的汽車燃料發展過程，涉及十八世紀以煤為燃料的蒸汽機（外燃機）汽車；十九世紀以汽油、柴油為燃料的內燃機汽車；二十世紀以甲烷、醇類等為代用燃料［3］的汽車；二十一世紀低碳、環保的綠色新能源電動汽車；最后展望未來汽車。學生依據各自關注點，通過查找資料，分別以知識樹的形式做出自己想要了解的內容框架，如圖4所示。

圖4 學生制作的內容框架

師生充分討論后，融合集體意見，共同完善汽車燃料變遷發展樹，如圖5所示。

圖5 “汽車燃料變遷”的發展史

任務三：系統設計具體措施，探尋汽車燃料變遷和發展

沿著汽車燃料發展的時間軸，學生們集思廣益，設計了以下探究過程，具體環節如下：

【環節1】激趣：世界上第一輛汽車是什么樣子的？

（1）演示：在試管中加少量水，塞緊活塞并持續加熱，學生觀察實驗現象，感受能量的轉化過程。

（2）設疑：播放蒸汽機汽車工作視頻，引導學生思考其燃料如何為汽車提供動力？

（3）反思：瓦特發明的蒸汽機汽車最終沒有問世，它存在哪些不足？

設計意圖：通過設計實驗，再現學生熟悉的實驗現象（水蒸氣使試管活塞沖出），再通過播放蒸汽機汽車工作視頻誘思激趣，并引發知識遷移，認識世界上第一部汽車（蒸汽機汽車）所使用的燃料，理解蒸汽機汽車的工作原理（煤燃燒使水變成水蒸氣，大量水蒸氣推動氣缸活塞做功）及其能量轉化原理（化學能→熱能→機械能），了解相關物質的性質、類別、轉化及應用，培養學生提出科學問題，以及從辯證視角分析具體問題的能力。

【環節2】探究：第一代、第二代內燃機汽車的燃料及汽車工作原理。

（1）閱讀：查找資料，了解第一代、第二代內燃機汽車所使用的燃料。

（2）討論：內燃機與外燃機（蒸汽機）的主要區別。

（3）設疑：煤是復雜的混合物，煤是怎么形成的？什么是煤的干餾？煤干餾后的產物是純凈物還是混合物？從煤含有的主要元素中可推測煤直接燃燒的產物中主要含有哪些物質？是否對空氣造成污染？

（4）反思：布袋汽車是中國60年代的煤氣內燃機汽車，［4］查找資料，說明布袋汽車沒有普及的原因。

（5）拓展：

①觀看“柴油機與汽油機的構造”視頻。分析汽油機與柴油機的點火方式有何不同？點火方式的不同與燃燒的哪個條件有關？為何柴油機的動力比汽油機強？第二代內燃機汽車工作時，能量是如何轉換的？

②觀看“石油的分餾”實驗視頻，分析如何從石油中得到汽油和柴油？碎瓷片的作用是什么？冷凝管的進水口是哪一端？得到的汽油、柴油是純凈物還是混合物？

（6）交流：學生展示繪制的“中國石油工業發展史”知識樹，結合國際形勢分享個人觀點。

設計意圖：圍繞物質的分類、燃燒、物質和能量轉化等核心知識展開問題探究。通過煤及煤的干餾產物的分析，從元素守恒角度推斷物質的種類，加強對物質種類判斷及燃燒產物的分析；從內燃機與外燃機的比較，滲透跨學科知識（如機械能效等）；從煤的干餾、石油的分餾、汽油機和柴油機的工作原理等展開實驗探究，結合物理、化學學科知識理解汽油機、柴油機工作原理，感受科學原理在分析問題、解決問題中的重要作用，進一步讓學生認識燃燒的條件、物質和能量的轉化；了解直接燃燒化石燃料導致的環境污染和資源浪費問題，培養學生形成珍惜資源、保護環境的化學觀念；從能量轉化、工程技術方面分析中國布袋汽車沒有普及的原因，培養學生的科學思維；通過了解中國石油工業發展史，學習中國石油工人不服輸的精神品質，樹立科學發展觀。

【環節3】展望：汽車的替代燃料、未來汽車燃料。

（1）播放“三次石油危機”視頻。思考：石油危機的爆發，全球掀起開發汽車替代燃料的熱潮，你知道的替代燃料有哪些？在你的身邊有使用替代燃料的汽車嗎？根據你查閱的資料分析，這些替代燃料有哪些優點與不足？

（2）分別寫出天然氣、乙醇燃燒的化學方程式。想一想：為什么我們稱甲烷為清潔能源？

（3）展示我市車流量大的街道車流視頻片段。觀察并思考：道路上有幾種顏色的車牌？不同顏色車牌的汽車所使用的燃料有何不同？綠牌車的能源有哪些？電動汽車有哪些優點？

（4）為了順應國際形勢，中國爭取實現“碳達峰”（2030年）和“碳中和”（2060年）目標，由此汽車業也應發生重大變革。你知道什么是“碳達峰”和“碳中和”？你認為未來汽車應該用什么做燃料？

設計意圖：通過問題驅動認識汽車燃料的發展和變遷，進一步培養學生元素守恒、能量轉化、物質分類及物質性質決定用途等觀念，增強學生的科學實踐能力和團隊合作意識；通過引導學生在問題解決的過程（如分析不同顏色車牌的原因，燃料燃燒的優缺點等）中對不同信息、觀點和結論大膽提出個人見解，培養學生的科學思維；通過國際形勢分析，理解“碳中和”和“碳達峰”的意義，明白節能減排、低碳行動，保護地球環境的重要性和開發新能源汽車的緊迫性，認識汽車能源變遷的意義；通過實踐活動，體驗問題解決的過程和方法，引導學生從化學視角分析能源、環境等實際問題，培養科學探究和實踐能力；通過滲透綠色化學思想，體會化學學科對促進社會可持續發展的重要價值，培養科學態度與社會責任。

三、開展跨學科實踐活動的反思

1.活動設計：循序漸進，著眼發展

調研發現，很多教師不理解義教課標2022年版倡導開展跨學科實踐活動的意義，認為跨學科實踐活動費時費力，教學效益低。殊不知探究和實踐之“火之燎于原，不可向邇”，在實踐中習得的又豈止是知識本身。基于核心素養導向的要求，活動項目設計應具有發展性，活動內容的選擇應依據學情循序漸進，致力于核心知識的融會貫通、學以致用，以及關鍵能力培養和必備品格的提升。教師可以根據某個主題內容創設與現實相結合的探究情境，建立理論、概念和元素化合物知識聯結的思維認知方式，學會基于證據推理、辯證分析，解釋相關現象和事實，研究物質及其變化規律的思路和方法，進行思維建模，并做出合理的價值判斷；可以融合多個主題內容，引導學生通過體驗式活動，運用已有化學知識、化學觀念、科學思維以“宏觀—微觀—符號”三重表征的方式探究物質及其變化規律，嘗試解決一些與化學相關的生產、生活和社會問題，還可以融合多學科知識，探討社會性科學議題，從化學和科學、技術、社會、環境之間的相互關系視角，認識環境保護、食品安全、公共衛生等法律法規對促進人類文明和社會可持續發展的重要性。

2.任務推進：行之愈篤，知之益明

基于學習任務的推進開展跨學科實踐活動，關注“知識點”→“學科知識結構”→“學生認知結構”的轉化，用創新思維去重構教育生態，“隨風潛入夜，潤物細無聲”，引發學生對認知客體由“感知”到“感受”再到“感悟”，培養學生的科學思維和科學態度，探索、發現通往未來的路徑。其中，由問題鏈組成的學習任務是連接大概念、核心概念與具體知識點的橋梁和紐帶，是知識的素養發展價值的具體體現，［1］實踐活動不僅僅是一系列知識的集合體，還蘊含著學科思想和觀念的集合。因此，基于學習任務的活動設計應突出科學問題的呈現方式和學生認識的進階性，實現“以學習者為中心”和“以能力中心”的教學模式，遵循科學思維的層級遞進步驟，以層階式任務驅動的方式激活學生已有的經驗、尋找解決問題的路徑、系統設計具體措施，引發學生基于事實和邏輯進行獨立思考與判斷，自我反思、質疑與批判，在探究中學習，在學習中探究。

3.項目評價：減負增值，有的放矢

基于學科理解抽提大概念及其認識視角，科學設計實踐活動評價工具。通過觀察、記錄和分析學生在實踐活動中的表現，對學生的知識理解和應用水平、學習態度、合作精神、實驗探究能力、創新意識、分析問題的思路以及表達交流技能等進行質性評價或量化評價，即指向學生的觀念、知識、思維、實踐能力和價值立場等的綜合考量，全面了解學生的學習過程和實踐經歷，同時注重提高學生自我評價、自我反思的能力，激勵并引導學生合理運用評價結果改進學習，促進其在原有水平上的發展。例如：在“探討汽車燃料變遷——自主搭建問題框架”環節，教師適時評價學生提出問題和質疑的能力，不僅包含學生對問題的表述是否明確和具體，更關注問題的性質，即提出的問題是否具有一定的科學性，是否運用了已有知識，同時觀察學生能否將知識與生產、生活實際相結合，揭示出問題與所學知識之間的矛盾等；在“展望未來汽車燃料”的環節，教師觀察并評價學生分析與論證的能力，如對數據和現象的分析處理能力，包含正確運用表格、圖像等方法處理信息，運用所學知識分析現象的表現，并觀察他們對假設所依據的事實或證據的可靠性進行初步論證的能力和水平。評價學生對結論的描述和解釋的合理性，包含能否概括、精煉地陳述結論成立的條件，能否比較探究結論和探究假設的關聯性，能否根據觀察到的現象（或取得的數據）推出合理結論，觀察學生解釋結論的邏輯是否正確、嚴密，能否建立所學知識與環境保護、資源利用、能源開發等方面的關聯。