基于跨學科視角的化學學科核心素養培養

摘" "要：以跨學科教學為手段，創設聯結化學與生活來體現學科價值和培養學生思維能力的有效情境，引導學生通過自主探究、歸納論證等方式學習新知，并運用化學學科思維解決實際問題。在此基礎上以多元化評價方式為載體，在充分落實“教-學-評”一體化的過程中培養學生的學科核心素養。

關鍵詞：化學教學；跨學科；核心素養；阿伏伽德羅定律

跨學科教學是融合其他學科知識來發展學生綜合運用知識的能力，培養學生多維素養的學習方式。在新一輪科技革命和產業變革快速發展的背景下，開展跨學科研究與教學已成為教育領域的共識。化學與物理、歷史等學科在知識層面、思維層面，亦或是育人層面都有聯系。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》中提出教師應重視跨學科內容的選擇與組織，加強化學與其他學科的聯系，以便在更廣闊的學科體系下引導學生認識物質及其變化規律，發展學生的科學素養[ 1 ]。因此，近年來學者、教師從發展學生素養的角度出發，開展跨學科實踐活動，如開發跨學科校本實踐活動或設計跨學科教學項目等，學生從上述實踐活動中學習知識，發展能力。

阿伏伽德羅定律屬于物質的量知識的延伸和拓展，在高中化學人教版必修教材第一冊中有所涉及。學習阿伏伽德羅定律的目的，旨在引導學生在推理論證的過程中，完善物質的量的知識體系，培養“證據推理”的學科核心素養，同時也能引導學生建立宏觀與微觀世界橋梁、建立化學思維。此外，阿伏伽德羅定律在控制變量思想、引導學生建立多維解決問題的思路等方面也有積極的作用。

1" 傳統教學方式及其現存問題的分析

當前阿伏伽德羅定律的常見教學方式可歸為以下兩類，一類是從氣體體積的影響因素入手，基于溫度（T）、壓強（p）的變化對氣體粒子間距的影響，來分析溫度或壓強對氣體體積的影響，從而推出阿伏伽德羅定律： 同溫同壓下，任何體積的任何氣體都含有相同數目的分子數，后得出經驗公式pV=nRT，教學過程如圖1。另一類則是通過先前所學物質的量的相關公式（n==），可分別推理出在相同條件下，相同體積的任何氣體都含有相同的物質的量（相同數目的分子數）。

反思上述教學方式，存在以下幾點問題：

（1）上述兩種通過經驗分析得出公式和推論的教學模式對學生知識建構的難度較大，一定程度上會削減學生對化學學科學習的興趣[ 2 ]。即使學生通過死記硬背記住公式和推論，形成的思維定勢也不利于學生后期運用知識與分析解決問題。

（2）上述教學方式能注重宏觀事物與微觀粒子的聯系，但是在知識的前后承接、與生活實際的聯系程度等方面還有發展的空間，難以充分培養學生的創新性、綜合性意識與能力。

綜上，為了更好地引導學生理解與運用知識，同時促進核心素養的提升，本文選取高中物理選擇性必修三理想氣體狀態方程的模型推導方式設計跨學科課程。讓學生在學習本節課的過程中，建立宏觀現象與微觀變化的橋梁，在史料中歸納推理，在探究中分析論證，并為后續化學平衡知識的學習打好基礎。

2" 基于核心素養的跨學科教學實施過程

近年來，基于新課程標準的影響，學者和教師從學科自身出發，設計多樣的跨學科實踐課程與活動來發展學生的學科核心素養。例如羅靜卿，吳淑花等[ 3 ]在校內開展“拾香社”的校本實踐活動課程，學生從生活情境和主動探究中學習釀造、植物提取等知識，并基于實驗環節發展能力與素養。因此，有效促進學生核心素養發展的跨學科課程應充分考慮到所涉學科的素養目標，注重化學學科在跨學科教學中的角色[ 4 ]。以化學知識為主線，結合物理知識與模型，引導學生通過自主探究、史料分析、歸納論證等環節獲得知識，旨在培養學生的學科核心素養，具體教學過程如圖2。

2.1" 創設情境，導入課題

【引入】 情境實例：

情境一：打足氣的自行車在烈日下暴曬，常會發生爆胎。

情境二：乒乓球擠扁后，放在熱水里泡一會兒會重新鼓起來。

【教師】 為什么會出現上述現象？能否從這些現象中推理出溫度、壓強和體積之間的關系？

【學生】 小組討論，結合之前學過的物質的量的知識，根據上述現象提出猜想。

【階段診斷與評價1】 診斷與發展學生運用化學知識于實際情境，基于所學提出合理猜想的能力。

2.2" 鞏固舊知，引入新知

【教師】 結合舊知，相同條件下，相同體積的任何氣體含有相同數目的分子數。這其中也產生了兩個疑問： （1）相同條件指的是什么條件？（2）能否用這一結論解釋課前的情境問題？

【學生活動】小組嘗試結合已有知識討論與分析情境中的現象。

【階段診斷與評價2】 引導學生鞏固和運用先前所學知識深入探究問題，建立宏觀情境與微觀粒子變化的聯系，發展學生宏觀辨識與微觀探析、證據推理的核心素養。

2.3" 實驗探究，初步建立模型

【學習任務1】 在生活情境的基礎上，引入課題。結合等溫變化，引導學生探究一定質量的氣體在等溫條件下，壓強和體積之間的關系。

【學生活動】 自主利用注射器探究新知，發現在室溫下，一定質量的氣體，壓強和體積之間成反比關系。

【教師】 根據學生的探究結論，引出玻意耳定律。

【總結歸納1】 等溫條件下，一定質量氣體的壓強與體積之間存在反比關系，即玻意耳定律：

T1=T2， p1V1=p2V2=C " " " " " "{1}

【階段診斷與評價3】 通過簡易的實驗裝置，診斷學生自主學習水平與探究推理的素養水平，拓寬學生的探究思維，引導學生突破化學學習的思維定勢。

2.4" 分析化學史料，歸納論證

【學習任務2】 學生基于化學史材料歸納與論證，分析在等壓變化下，一定質量的氣體其溫度和體積之間的關系。

【史料素材】 蓋·呂薩克在熱力學方面具有重要貢獻，其中之一是確定了蓋·呂薩克定律。從1801年開始，蓋·呂薩克對氣體物理性質進行了系統的研究。1802年，他通過更深入的實驗研究發現，在壓強恒定的條件下，理想氣體“從冰點升高到水的沸點，如果用百分溫度計作標準（攝氏溫標）”，溫度每升高1℃，氣體的體積就增大了原來體積的0.00375，近似于1/267。

【教師】 做好有關蓋·呂薩克定律的化學史料與素材的準備，在史料的講解過程中引導學生對化學史料的重要信息進行提煉歸納，得出結論。

【總結歸納2】 等壓條件下，一定質量的氣體在溫度和體積之間存在正比關系，即蓋·呂薩克定律：

==C{2}

【階段診斷與評價4】 學生在化學史情境中探索、感悟科學家在追尋真理過程中不斷探索的科學精神，診斷與發展學生歸納推理能力與科學態度的學科核心素養。

2.5" 模型論證，形成框架

【學習任務3】 結合圖3裝置圖分析，在等容變化條件下，一定質量的氣體溫度和壓強之間的關系。

【教師】 通過簡易氣缸裝置，進行下列分析與探究。首先，使氣缸中存有一定質量的氣體，控制活塞保持體積不變，升高溫度，這時氣缸中氣體壓強會有什么變化？

【學生】 結合“熱脹冷縮”的物理現象，猜想溫度升高，氣體體積膨脹使得體系壓強增大。

圖 3" 氣缸裝置分析圖

【總結歸納3】 一定質量的氣體在等容條件下，溫度與壓強間成正比關系，即查爾定律：

==C{3}

【學習任務4】 在對所學知識有了初步認識后，引導學生再一次結合課前導入的情境問題，結合新知嘗試運用一定質量氣體的溫度、體積和壓強三個變量間的關系進行小組合作討論分析。

【總結歸納4】 在上述學習活動的基礎上，將三個定律進行聯立歸納，可推斷出理想氣體的狀態方程：

==C{4}

【學習任務4】在深入分析了理想氣體狀態方程的原理后，結合數學模型分析，引導學生探究阿伏伽德羅定律的具體內容，即是在壓強（p）、體積（V）、物質的量（n）和溫度（T）等變量下的“兩同兩比例”和“三同導一同”的具體規律。

【階段診斷與評價5】 基于三個階段的新知學習，歸納總結建立完整的知識體系，發展與診斷學生歸納論證、建立化學知識模型的水平。

2.6" 課堂評價體系

為了讓學生掌握知識體系，多元的評價體系能夠起到有效作用。在基于每一階段的評價與診斷的基礎上，通過隨堂練習和生活情境分析兩種方式，引導學生交流討論、分析解決問題。

2.6.1 隨堂練習

例： 同溫同壓下，若甲容器充滿O2，乙容器充滿O3

①若所含分子數相同，甲乙容器容積之比為" " " " 。

②若兩容器所含原子總數相等，則甲容器和乙容器容積之比為" " " " " " " " "。

③若兩容器體積比是3：2，則O2和O3物質的量之比為" " " " ，質量之比為" " " "，密度之比為" " " "。

2.6.2 生活情境分析

例： 給車胎打氣，為使其達到所需要的壓強，問在夏天和冬天打入胎內空氣質量是否相同，何時打氣質量較大？

3" 教學設計反思

本教學設計具有以下特點：（1）能體現當前跨學科教學新思路的需要，結合高中物理和高中化學知識以打通知識內在體系，符合學生的最近發展區。（2）在教學過程中利用圖示分析問題，所涉及的思維與方法，為學生后續學習選擇性必修1中化學平衡部分打好基礎，做到知識的承接與發展。（3）在教學設計中，結合化學史、學生自主探究、化學與生活等環節，注重每一階段的評價與發展目標，旨在培養學生的學科核心素養。

本教學設計存在不足之處：（1）跨學科教學模式對學生能力的要求較高，需要教師對教材、學情和教學環境有較好的把握。（2）在本文教學設計中，分析推理環節所占比重較高，需要教師在教學中做好引導。

本案例的整體構思是從跨學科角度入手，用物理學知識深入分析化學知識原理，通過自主探究發現化學規律的奧秘，從化學視角走向生活。實際上，跨學科教學模式應作為一個輔助方法，在教學中運用跨學科教學，重要目的是培養學生的化學學科核心素養。通過打破學科界限的方式，對教師而言，起到了拓寬教學思路，實現化學教學高效化的目的；對學生而言，不僅能擴展學生在化學、物理等學科的知識面；同時建立與發展學生知識與思維遷移、創造性意識等能力，推動學生科學素養的整體化養成，這正是國家當前對青少年培養的方向和目標[ 5 ]。

參考文獻：

［1］ 中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）[S]. 北京：人民教育出版社， 2020：68-74.

［2］ 鐘志健.“物質的量”教學難度成因剖析[J]. 化學教學，2014（10）：8-12.

［3］ 羅靜卿，吳淑花，于乃佳.基于核心素養培育的中學化學社團課程的研究與實踐：以“拾香社”校本課程為例[J].化學教學，2021（5）：26-30.

［4］ 陳佳陽.中學化學跨學科教學研究評述[J]. 化學教學，2016（3）：9-12.

［5］ 王艷云，靳瑩，姬君.淺談新課程化學教材中滲透的物理學知識[J]. 化學教學，2010，274（2）：28-29.