STEM視域下初中化學跨學科實踐活動的項目化設計與實踐

田沛瑤 丘月婷 柏?? 范艷花

摘要：項目將人教版九年級化學第四單元“自然界的水”的相關內容和課標中的跨學科實踐活動“水質檢測及自制凈水器”相結合。通過項目的實施，促進學生真實情境下的核心概念理解；培養學生運用跨學科知識解決復雜問題的科學思維；活動設計強調技術的應用和工程設計元素的融入，突出化學學科中“科工”整合的有效途徑，實現學科統整，為發展學生的核心素養作鋪墊。

關鍵詞：STEM教育；跨學科實踐活動；初中化學；污水處理廠

文章編號：10056629（2023）06004007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“課標”）明確指出設立跨學科實踐活動，加強學科間聯系，帶動課程綜合化實施^［1］。如何設計和開展跨學科實踐活動已成為備受關注的主題。STEM是融合科學、技術、工程和數學四門學科的一個有機整體，它強調基于活動和項目，把學生置身于真實情境中，以問題驅動培養其知識應用能力和動手實踐能力^［2］。這與提倡以探究性問題刺激學生掌握各類技能的項目化學習有異曲同工之處，且和課標倡導的跨學科實踐活動不謀而合。因此將STEM教育和項目化學習相結合設計跨學科實踐活動，以項目為框架整合STEM內容，可以激發學生對科技理工學科的興趣，發展學生利用多學科知識解決實際問題的能力，進而培養跨學科復合型人才^［3］。

基于以上背景，根據人教版九年級化學第四單元“自然界的水”確定“走近污水處理廠”的項目主題，設計廣域課程融合模式的STEM項目，試圖體現STEM綜合解決問題的優勢，尤其注重培養學生的“工程思維”能力。該內容與課標規定的跨學科實踐活動中的“水質檢測及自制凈水器”相對應，本項目的設計和實施能為一線教師提供參考。

1 跨學科實踐活動和STEM教育

1.1 跨學科綜合實踐活動的內涵、特征和意義

關于跨學科實踐活動的含義，中小學綜合實踐活動課程指導綱要^［4］、課程標準等國家文件都對其做出過解釋^［5］。綜合各方觀點，本研究將跨學科實踐活動定義為：以化學學科視角為原點，以核心素養的發展為導向，以任務、議題為設計形式，以跨學科大概念為統領，以課程內容綜合性、學生操作實踐性和生成性為根本屬性的跨學科實踐性活動。

跨學科實踐活動包括跨學科和實踐兩個組成部分，用實踐將不同學科間的知識聯系起來，體現其綜合性、實踐性和生成性的基本特征。在完成學習任務的過程中，學生所遇到的問題往往是復雜、綜合的，需要多學科知識的遷移整合才能解決。此外，大部分活動要求學生親自體悟和操作，共同完成既定任務和產品制作，具有很強的實踐性。另外，在教學實施中，教師遵循學生的認知發展規律，關注學生的發展需求，以彈性的預設為前提，引導學生主動進行知識建構，這也體現出其獨特的生成性。

相對于傳統的初中化學教學，跨學科實踐活動驅動學生整合知識體系，加速了課程內容體系的重新建構，是課程綜合化發展的路徑^［6］。同時，素養為本的化學教學要求洞察學科核心概念，實施學科整合，展開學科實踐^［7］，這樣的課程符合素養導向的課程改革。此外，活動的問題解決過程也促進學生化學觀念的形成，培養學生的科學思維，幫助學生掌握科學探究的基本方法，探尋科學本質，樹立正確的科學態度與社會責任感^［8］，這體現了對于化學課程理念中育人導向的價值關切?？傊瑹o論從加速綜合課程發展、推動素養導向的課程變革和體現育人導向的學科價值等各方面來看，跨學科綜合實踐活動的開展都有重要意義。

1.2 STEM視域下的跨學科綜合實踐活動

STEM教育是一種以培養學生工程創新素養為目標、以學科整合為基本特征的理念運動，旨在培養學生整合跨學科知識解決現實問題的能力^［9］。其核心理念是學科整合和工程教育，因此將STEM教育與跨學科實踐活動相結合，有助于將工程與技術等實踐要素更好地融入實踐活動的問題解決和科學探究過程中，激活學生的跨學科知識，培養學生的科學與技術素養^{［10，11］}。目前在中學階段，最適合的STEM整合方式是通過活動或項目將解決某一個項目問題所需要的跨學科知識形成連貫的、有組織的課程結構，幫助學生整合掌握不同學科中的相近知識，提升學生的問題解決能力。因此基于STEM理念設計項目化的跨學科實踐活動，可以充分發揮STEM教育的優勢，使學生整合跨學科知識與技能，在真實的項目情境中開展科學探究和各類工程實踐活動，進而發展學生的核心素養。

2 STEM視域下初中化學跨學科實踐活動項目化設計的基本流程

課程教學的四項基本要素為教學目標、教學內容、教學實踐和教學評價，這也為跨學科實踐活動教什么和怎么教提供了基本的邏輯框架^［12］。STEM視域下的初中化學跨學科實踐活動課程遵循教育教學的基本規律，強調基于真實的項目情境設計教學活動，通過學生之間的合作探究實踐，促進學生對跨學科知識的建構和能力、素養的提升。因此可將其活動設計過程分為內容設計、目標設計、方案制定和評價設計四項基本要素（圖1）。

跨學科實踐活動的項目內容構建包括主題選取和內容組織。課標倡導跨學科主題選取中華優秀傳統文化或社會科學議題進行探究實踐。對于課程內容的組織，跨學科大概念是連接學科內和學科間知識的橋梁^［13］，因此教師需要基于跨學科大概念整體設計單元教學。

明確內容建構之后，就要設計跨學科實踐活動的目標。課標要求學習目標以素養為導向，強調學科基本觀念、科學思維、探究實踐和態度責任^［14］。因此，本研究將目標劃分為“雙基—跨學科思維—學科價值”三個層次。

活動方案的設計包括問題鏈設計和項目拆解兩點。問題設計應具備針對性、挑戰性、邏輯性、遞進性和應用性等特征^［15］，向上反映核心素養總體要求，向下可延伸為具體任務。其次，以項目為主體構建子項目群有助于實踐過程的進一步細化，可以讓學生更好地參與到實踐中。

對于跨學科實踐活動的評價，要建立素養為導向的發展性評價。評價內容可以是對學生實踐過程的評價；活動表現或成果評價；還可以是捕捉學生學習證據的綜合素質檔案袋評價。在評價方法上，應針對不同的學習內容制定多種評價量表，用于學生自我診斷、組間評價以及教師評價等。

3 “走近污水處理廠”目標設計和項目內容

3.1 育人指向的教學目標

根據課標對于跨學科實踐活動目標設計體現育人價值的要求（圖2）、預設項目參與對象（正在學習或已學習過“自然界的水”的學生）已有的跨學科知識和“雙基—跨學科思維—學科價值”的三層目標設計方法，本項目的教學目標如下：

（1） 通過前期學習和搜集資料，深化吸附、沉淀、蒸餾、過濾等水的凈化的常用方法，了解自來水的凈化原理；通過計算污水處理程度學會運用數學等多方面知識和技術解決實際問題。

（2） 根據已有知識自制凈水器并體驗污水處理工藝設計過程，發展化學觀念；通過實驗探究和討論設計出最節省空間、效率更高、更優化的污水處理工藝，體驗探究的一般過程，培養知識整合能力、對周圍環境的調查能力和布局設計能力等。

（3） 通過對水污染的了解和對水處理項目的參與，感受化學對改善人類生活和促進社會發展的積極作用，樹立珍惜、愛護水資源的意識。

3.2 項目內容與教學流程

“走近污水處理廠”項目與九年級化學上冊第四單元“自然界的水”內容互補，由淺入深設計了“地球的水循環”“認識污水”“從水的凈化到污水處理”和“污水處理廠的設計”4個子項目。子項目1揭示了污水處理對環境保護的重要作用，主要目的是展示項目背景，激活學生的跨學科知識。在子項目2中，教師通過多種教學素材幫助學生初步認識污水和水質，為后續的工程技術活動奠定理論基礎。子項目3要求學生在小組合作、交流討論的基礎上制作凈水器進行凈水，體會污水處理與凈水的差異，歸納污水處理的工藝流程。子項目4賦予學生污水處理工程師的角色，引導各小組在探究污水處理廠的選址、布局等問題的基礎上，設計一個污水處理廠。這部分內容旨在提升學生的方案設計與優化能力、動手實踐能力和探究能力，實現工程問題的解決?；顒拥膶嵤┬问桨ㄕn內探究（4課時）與課外活動，體現對STEM素養的培養。具體的教學內容與流程見表1。

4 實施過程

4.1 創設情境——地球的水循環

［課前活動］搜集信息，了解地球上的水循環，污水的來源、分類和水質指標等。

［驅動性問題1］地球中的水循環是怎樣的？

［學生］回憶相關地理知識，畫出水循環示意圖（圖3）。

［驅動性問題2］隨著工業和城市的發展，生活污水量急劇上升，污染程度加重。這時僅靠水循環中的自然凈化還可以嗎？

［小組討論、交流］完善新的水循環示意圖（圖4），總結污水處理在地球水循環中的作用，明確污水處理的重要性。

4.2 初步感知——認識污水

［驅動性問題1］污水是如何被處理的？在了解凈化原理之前，我們需要先認識什么是污水。

［小組討論、交流］根據課前搜集的資料進行交流。（污水包括人類洗衣服、做飯和上廁所等產生的生活污水，化工廠流出的工業廢水和城市徑流污水等）

［驅動性問題2］如何判斷這些污水的污染程度？

［小組討論、展示］根據課前收集整理的資料進行討論，總結水質常用指標，形成表格（表2）。

［驅動性問題3］某縣準備建設一個污水處理廠，調查發現該處理廠的進水水質如表3。此時，作為一名水質分析師，你認為該水廠的水處理到什么程度才能排放呢？

［信息］已知：污水處理程度計算公式：

（E處理的程度，%；Ci某物質進水平均濃度，mg/L；Ce允許排入水體的該物質的平均濃度，mg/L）

［交流展示］隨機挑選一組學生展示問題解決思路與結果（圖5）。

4.3 深入探究——從水的凈化到污水處理

4.3.1 第一課時

［課前活動］參觀自來水廠，了解其凈水過程。

［驅動性問題1］若現在有一杯河水需要凈化，你會如何處理？

［實驗探究1］分別在剪裁后的礦泉水瓶內填入石英砂、小卵石、活性炭或蓬松棉，注入河水并對其進行凈化，觀察、對比現象并討論不同材料產生差異的原因。

［小組討論、交流］根據實驗結果和課前了解的自來水廠凈水流程進行討論，得出凈水程度不同的原因可能由凈水材料的顆粒度不同或用量的不同所導致。閱讀課本可知活性炭是一種多孔性的物質，能夠吸附色素、氣味等小分子，分析可能是由于這個原因使水中顏色去除。

［實驗探究2］采用控制變量法完善實驗并驗證假設。得出結論：在等量過濾材料的條件下，顆粒度較低時過濾效果較好。在同種材料的情況下，用量越多過濾效果越好?；钚蕴烤哂形叫裕梢猿ニ腥芙獾臍怏w和可溶性色素。

［追問］材料用量和種類對凈水效率有影響嗎？

［學生討論］材料用量過多時凈水速度會慢；顆粒度較小的材料水流速度也慢。

［追問］怎么解決這個問題？

［學生思考］或許可以疊加使用不同材料。

［小組討論，交流］討論，得出幾種材料疊加的最優方法（上層選用顆粒度較大的，快速過濾大部分大顆粒雜質，下層選用顆粒度小的過濾剩余少量雜質；活性炭應放于最下層吸附顏色和氣味，以防其表面附著較多固體顆粒，降低吸附作用）。

［師生交流］建立凈水材料的選擇與其結構、性質、用途間的關聯，感悟控制變量思想的應用。

4.3.2 第二課時

［課前活動］

（1）各小組完善凈水器設計方案，制作簡易凈水器進行凈水。

（2）查閱資料，了解污水處理與凈水的區別和污水處理的基本步驟。

［情境引入］分享自制的凈水器，展示凈水步驟。

［驅動性問題2］當處理城市污水時，我們的凈水器還能用嗎？污水處理與凈水有區別嗎？

［學生討論，總結］對課前查閱的資料進行分享（凈水是為了改善飲用水和生活用水的水質。污水處理則是使其達到排放標準后排放到自然水系中，避免污染水環境。相比自來水來說，城市污水中存在大量的微生物病原菌、有機物和固體懸浮物，如果采用凈水方法進行處理，會影響效益）。

［追問］污水處理如何保證效益？

［小組討論、總結］需結合物理、化學和生物等多種方法進行。污水處理中，為了降解有機物、COD、 BOD₅，往往會選擇成本較低的活性淤泥。活性淤泥是一種微生物，以有機物作為食物，并由此大量繁殖，可有效除掉水中的有機物。

［驅動性問題3］除活性淤泥外，污水處理還需經過哪些環節？

［信息］污水處理科普視頻——如何進入江海旅行。

［小組討論、展示］根據視頻和課前收集的學習資料總結各環節的作用（表4）。

［遷移應用］一起走進亞洲最大的污水處理廠——上海白龍港污水處理廠，看看里面的污水是如何處理的。

［信息］上海白龍港污水處理廠相關資料。

［師生交流］進一步了解處理過程用到的污水處理流程。

4.4 遷移應用——污水處理廠的設計

4.4.1 污水處理廠的布置

［課前活動］參觀身邊的污水處理廠，了解它們的位置、規模和內部布局。

［驅動性問題1］一個新的污水處理廠，它該建到哪里呢？需要建設多大規模？

［小組討論、交流］根據課前活動，討論總結污水處理廠選址和規模設計注意點。如根據污水量確定建設規模；考慮污水來源、種類、季節變化和城市工業發展情況；遠離人群；選址與城市發展分區相協調；考慮地貌地質，避免洪水等自然災害；與周圍水系關聯，確保收水便利性和后尾水的排放等。

［驅動性問題2］工廠內部的布置需要注意什么？

［小組討論、交流］根據課前活動，討論總結污水處理廠內部設計要點。如按照功能分區；工藝流程排列有序；盡量少占地；各建筑物數量要合理等。

［遷移應用］分析污水處理廠布置和選址的優缺點（提供不同污水處理廠的平面布置圖供學生討論）。

［驅動性問題3］大家是否了解過其他特色污水處理廠？

［交流分享］上海吳淞污水處理廠（綠化率58%，建設成科普基地）；天府國際生物城地下污水廠（全地下式，地上為景觀公園）。

4.4.2 設計污水處理廠

［工程設計］近期建設規模2.0萬m³/d（立方米/每天），遠期建設規模4.0萬m³/d。以符合國家一級A排放標準為目標。計劃設置主要構筑物粗、細格柵各兩座、曝氣沉砂池一座分二格、水解酸化池、生物曝氣池和二沉池各一座。

［任務］由于污水中工業廢水比重大，在進入二級處理之前，增設水解酸化池，應設幾座？

［信息］已知Q_max（每秒最大流量）=0.255m³/s，單座池尺寸為18×7.8×7.9m，有效水深為7.4m，水力停留時間（污水在反應器中的平均停留時間）為4.4h^［18］。

［學生］獨立計算（示例如圖6所示）。

［課外小組活動］現在你是工程師，請設計一個污水處理廠（不考慮三級處理情況，只需要規劃一、二級處理的構筑物及設施）。

［學生匯報、互評及交流反思］對各自的設計圖進行展示分享（示例如圖7）。

5 總結與反思

為實現STEM視域下初中化學綜合實踐活動的教學創新，本研究探討了跨學科實踐活動的內涵、特點和基本要素，提出了與其相適應的初中化學跨學科實踐活動的項目化設計的基本要素與程序，并融合真實的工程情景設計了“走近污水處理廠”STEM項目。在項目的設計中，著重創設了探究環節與情景任務，賦予學生以小組的力量挑戰各種真實問題，培養學生搜集信息的能力和合作交流能力。在教學實踐中，教師提供了相應的學習支架，如發放學生任務表和提供資料查詢途徑等。在整個教學過程中，學生學習興趣較為濃厚，預設的問題也通過合作探究得到了很好的解決。此外，對于課外活動，學生也積極參與并及時進行了交流與展示。

本案例在實施時也遇到了一些困難。如課堂設計中包含大量探究活動，因此以小組為形式安排座位，部分內向的學生一開始較為拘束，這增加了教師的工作負擔。此外，由于本案例提供了較豐富的教學資源，要求學生進行大量的實踐活動，因此課程結束后仍有部分學生想對同伴展示的污水處理廠設計作品進行探討與評價。但時間有限，未能允許所有學生逐一發言，而是讓他們在課下進行交流。今后，針對本項目在課堂上的作品展示和學生合作興趣調動等方面將做進一步的改進與完善。

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