化學跨學科實踐的實施流程與教學策略

周莉敏 凌一洲

摘要：? 跨學科實踐是實現課程綜合化、實踐化的重要舉措。以“供氧器的制作”為例，圍繞如何選擇過氧化氫溶液的濃度和體積、如何確定混合方式和混合氣體的濃度、如何控制混合氣的流速三個核心問題開展探究實踐，提出“啟動任務”“形成方案”“優化方案”“成果展示”四個基本流程，以及“問題變換”“范例啟發”“思維設計”三種教學策略。通過開放性的實踐活動以及多元化的成果展示，凝練出可借鑒的具有泛科學性的實踐流程與策略，以期為推進跨學科實踐活動的高質量開展，提供理論與實踐參考。

關鍵詞：? 跨學科實踐； 供氧器制作； 實施流程； 教學策略

文章編號： 1005-6629（2024）05-0036-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 引言

跨學科實踐是基于某一學科的跨界學習，需要學生在分工合作過程中，運用多學科知識共同完成任務。相比于一般的綜合實踐，跨學科實踐活動具有情境性、開放性和真實性等特點［1］，同時具備目的性、計劃性，需要教師采取適當的教學策略，助推學生調動多學科知識，解決現實生活中較為復雜的任務或問題。

《義務教育化學課程標準（2022年版）》注重發揮協同育人的理念，提出跨學科實踐活動所用課時不少于本學科總課時數的10%［2］，并給出10個具有代表性的活動案例，“基于特定需求設計和制作簡易供氧器”就是其中之一。張虹利［3］、高凌蕊［4］、陳思滔［5］等開展了關于“供氧器制作”的探究，通過展示真實的供氧器產品（氧立得），給學生直觀的認識，激發學生設計的靈感。黃萬沙［6］、孔志剛［7］、孫興華［8］、王雨［9］等分別從任務驅動、教學評價、教學內容、情境創設等視角提出教學策略。已有研究側重于對產品原理、裝置結構、制作產品的評估，尚缺乏基于學生視角對制作過程的討論，未涉及具體的、系統化的跨學科實踐教學策略。本文結合供氧器的制作過程，基于學生視角提出“啟動任務”“形成方案”“優化方案”“成果展示”四個基本流程，以及“問題變換”“范例啟發”“思維設計”三種跨學科實踐策略，以期為一線教師開展化學跨學科實踐活動提供具體的教學策略參考。

2? 跨學科實踐的實施流程

有效的跨學科教學活動要圍繞具體目標而展開，同時需要關注活動為學生帶來的學習體驗、學習成果以及能力培養。本次跨學科教學活動的目標如下：

（1） 綜合運用化學、物理、數學、技術、工程學等多學科知識，制作簡易的操作性強的家用供氧器，在實踐活動中體會系統思維的意義。

（2） 在實踐活動中不斷總結反思方案中存在的問題，并嘗試用多種方法解決，培養學生嚴謹求實的科學精神。

（3） 積極參與小組合作，靈活調用生活中常見的材料進行裝置設計，在問題解決過程中逐步形成自主、合作、探究的能力。

本研究以“供氧器的制作”為主題，采用學生自愿與自主相結合的方式組成若干活動小組，下面選擇有代表性的三個組（每組5人）予以詳細闡述。三個小組共同經歷了啟動任務、形成方案、優化方案、成果展示四個環節，各組的實踐方案特點、優化過程及操作說明如表1所示。

2.1? 啟動任務

在啟動任務環節，教師簡單介紹目前市場上所售制氧機的制氧原理（主要以空氣為原料，通過運用分子篩對空氣進行層層過濾的方式獲取氧氣，并非化學制氧），提出本次活動要求采用化學制氧的方式，所制氧氣可用于各種人群的氧療與氧保健。學生反饋的化學原理中主要有兩種：過氧化氫制氧和高錳酸鉀制氧。經討論，學生一致認為高錳酸鉀是一種強氧化劑，家庭中不易獲得，且加熱制氧存在較大風險，最終選擇過氧化氫分解制氧法。確定制氧方法后，教師引導學生以“孕婦缺氧”為情境，將用戶的需求進一步具體化。學生通過查閱資料，明確適合孕婦的吸氧濃度為27%～29%，流速為1～2L/min，每次吸氧的時間在20分鐘左右。

明確制氧方法和用戶需求后，各組主要圍繞“如何選擇過氧化氫溶液濃度和體積”“如何確定混合方式和混合氣體的濃度”“如何控制混合氣的流速”三個核心問題展開。為了幫助學生突破核心問題，教師通過問題變換等教學策略，在恰當的時機引導學生進行深度思考。其中，與核心問題１相關的子問題主要包括：（1）不同濃度的過氧化氫溶液，制氧效果如何？（2）是否可以采用其他催化劑？（3）如何根據所需氧氣流速、時間，確定過氧化氫溶液體積？與核心問題２相關的子問題主要包括：（1）采用何種方式收集產生的氧氣？（2）氣體的發生、收集以及排出裝置是一體化設計，還是分開設計？（3）如何保證混合氣的濃度，有效百分含量是多少？與核心問題３相關的子問題主要包括：（1）選用何種裝置或方式促進混合氣的排出？（2）如何保證混合氣以穩定流速排出？

2.2? 形成方案

在形成方案階段，各組在解決核心問題1有關反應速率問題時，選擇了不同的自變量進行探究。A組選擇的自變量為過氧化氫溶液的濃度，在保證二氧化錳質量（均為3g）、過氧化氫溶液體積（均為120mL）及其他條件相同情況下，經測定發現濃度為3%的過氧化氫溶液，速率適合，更易收集；B組選擇的自變量為催化劑的質量，小組成員通過實驗發現，二氧化錳的用量能夠影響反應速率，當二氧化錳的用量較少時，增加二氧化錳的用量可以加快反應速率。如果持續增加用量，速率變化不再明顯；C組選擇的自變量為催化劑的種類，小組成員通過實驗發現，也可運用動物肝臟研磨液替代二氧化錳加快反應的進行。

2.3? 優化方案

在優化方案階段，各組均進一步對核心問題2有關氣體的混合方式進行分析。A組在初始方案中，采用直接在含空氣的硬質水桶中收集氧氣的方式。經過改進，將收集方法優化為用排水法收集一定體積的純氧的方式；B組將在軟質自封袋中同步鼓入純氧和空氣的方式優化為異步操作，通過同一打氣筒向自封袋中鼓入空氣；C組拆除了在自封袋中收集氧氣的裝置，將其優化為將純氧導出后與呼吸面罩連接的方式。

在解決核心問題2有關混合后氣體濃度問題時，各組都進行了定量分析。A組首先確定所需純氧的體積，然后將純氧與空氣混合。通入純氧的體積由硬質水桶的容積決定，存儲裝置的容積為20L，需要先用排水法收集約1.8L的純氧，可控制混合氣濃度為適宜值；B組在軟質自封袋混合氧氣和空氣，為了控制混合氣濃度為適宜值，氧氣和空氣的體積比需要控制約為1∶7；C組采用收集與排出裝置一體化的設計方式，小組成員需要結合用戶單次吸氧所需的時間、流速、濃度，計算所需純氧的體積，從而確定3%過氧化氫溶液的體積。

2.4? 成果展示

在成果展示階段，教師引導學生從裝置的功能、原理、創新點和未來改進方向四個方面進行匯報，裝置的功能可通過實物和實驗視頻來展示，裝置的原理可結合方案圖講解。學生全面展示作品成果后，教師對各組在解決核心問題時的不同表現進行評價，并通過提問的形式，引導學生開展組間交流。比如在解決核心問題3有關混合氣的排出時，A組和B組雖然都借助外界壓強促使混合氣的排出，但操作方式不同。A組通過注入自來水排出混合氣，B組通過用手擠壓自封袋促使混合氣排出，C組利用反應自然產生的壓強推動氣體排出，學生在展示匯報時，逐步呈現方案的細化與優化過程。各組的初始、優化方案如圖1所示。

3? 跨學科實踐的教學策略

教師可以采用“問題變換”“范例啟發”“思維設計”等策略激發學生的靈感，助推實踐活動的順利開展。本文以“供氧器的制作”為例，具體闡述三種教學策略的含義，以及在跨學科實踐中的運用。

3.1? 問題變換

供氧器的制作是一項具有較強綜合性和開放性的跨學科實踐活動，因此在解決問題的過程中需要學生整合化學、物理、工程學等多學科知識。問題變換不只是在相同情境下的簡單變換，而是需要教師提供跨學科支持，運用明晰問題、探討提問、提供思路等方式助推學生進行問題變換，逐步解決來源于外部需求或內部生成的問題。問題變換的主體是學生，目的是實現從情境問題到學科問題的轉化，在實踐中提高科學思維能力。在各組啟動或優化方案階段，學生提出的問題相對龐雜、抽象。運用問題變換的教學策略，可幫助學生將復雜情境的問題逐步變換成學科問題，實現從抽象到具體、從龐雜到簡約、從定性到定量的認知轉變。

第一，從抽象到具體。在A組優化方案階段，學生提出“制得的氧氣是否可以直接給孕婦使用”，實際上該問題比較抽象，教師便通過提問“孕婦吸入的氧氣是純氧嗎”，引導學生將問題變換為“如何控制氧氣和空氣的比例以及混合氣的流速”。經過第一輪變換，抽象的問題已逐步轉為具體，但仍不具備操作性。教師在此基礎上進一步提問“思考怎樣的裝置，可以實現該功能”，引導學生將問題進一步變換為“是否可以運用水流來實現”。經過第二輪變換，學生提出的問題已逐步具備可操作性，最終選擇運用水流來實現對混合氣排出速率的控制，按照1～2L/min的流速注入自來水，使氣體以相同的速率從另一根導管導出到孕婦鼻腔。

第二，從龐雜到簡約。在B組優化方案階段，學生提出的問題“裝置比較復雜，密封性難以保證，如何簡化方案”，該問題較為龐雜，無法給予明確的回答。于是教師通過提問“相同功能的裝置是否可以精簡”，引導學生從裝置設計角度進行分析。學生經過思考后將問題變換為“是否可以在自封袋中直接制取氧氣”“儲存空氣的自封袋似乎沒必要存在，能否拆去”等，經過變換后的問題更加簡潔明了，學生對方案的可行性進行判斷后，選擇拆去多余的分液漏斗、1個自封袋以及1個打氣筒，實現了方案的簡約化，進一步保證裝置的密封性。

第三，從定性到定量。在C組啟動任務階段，學生提出問題“分液漏斗容積較小，自制儲液容器的容積該如何選擇”，該問題體現了學生的思考角度仍停留在定性層面上。教師通過引導學生查閱孕婦吸氧需求的相關資料，幫助學生實現對問題的變換。學生計算出所需反應物的量后，提出問題“如何控制過氧化氫溶液的滴加速率調節氧氣的流速”，教師也通過提問“能否假設反應物滴落下來后迅即參與反應”，幫助學生將所需反應物的量與流速建立聯系，從定量角度對問題進行進一步變換。學生經過思考后提了“能否通過估算并調節每分鐘需要消耗過氧化氫溶液的體積來控制流速”的問題，經過變換后的問題已由定性提升到定量，有利于推動方案的形成。

3.2? 范例啟發

范例啟發是通過典型的內容和方式，使學生從個別到一般掌握具有規律性的知識和方法。已有研究側重探討“范例啟發”在教學中的應用，但較少基于分類的視角，系統闡述“范例啟發”策略在跨學科實踐活動中的應用。從類型上分，本研究提供的范例主要包括學科概念范例、工程設計范例和同時具備學科屬性、工程設計屬性的綜合型范例。在初步形成與優化方案階段，學生對于反應物用量的確定以及裝置的改進感到頗為困難。教師可為學生提供范例進行啟發，通過所給范例，學生聯想到來源于物理、工程學等跨學科領域的原型，并能夠從原型升華到解決問題的一般模型。本文以三種類型的范例為典型，具體闡述范例啟發教學策略在跨學科實踐活動中的應用。

第一，基于學科概念的范例。B組形成方案階段，學生對如何確定過氧化氫溶液的取用量存在疑問。教師通過給學生提供“流速”這一來源于物理學科的概念范例，引導學生聯想到“密度”“化學方程式”等相關概念原型。學生綜合運用數學、化學等跨學科知識，通過氧氣的質量推算出純凈物過氧化氫的質量，結合濃度、密度，推算出所需要的過氧化氫溶液的體積，并構建出基于跨學科的理論運算模型（見圖2），逐步解決反應物的用量問題。

第二，基于工程設計的范例。裝置的設計需要考慮藥品的儲存以及流速的控制，在C組優化方案階段，學生提出分液漏斗的容量較小，加入液體操作不適宜，自制裝置又無法保證密封性。基于工程設計視角，教師以“注射器”為范例，提出問題“是否有類似的常見用品，可實現家用供氧器的制備”。學生通過啟發后，聯想到橡膠手套、輸液袋等來自生活的裝置原型，并運用工程與技術知識對原型進行加工，比如在橡膠手套上戳個小孔，通過擠壓的方式使液體勻速滴落以及改進配有流速調節器的輸液袋等，形成同時具備儲存液體和控制液體滴加速率的一般模型。工程設計型范例的提出，為進一步培養學生的工程思維奠定了基礎［10］。

第三，基于綜合型的范例。在A組優化方案階段，學生提出問題“水桶中的混合氣體如何排出”，教師為學生提供了“給予一定壓強的自封袋”這一同時具備學科屬性和工程設計屬性的綜合型范例。學生結合范例聯想到“給予一定壓強的氣球”“打開的水龍頭”等原型。通過比較發現，氣球的尺寸較難符合要求，而且難以固定，運用一定速率的水流排出混合氣體的方式更為合適。通過范例啟發，可以培養學生敢于提問的意識以及跨學科知識的調動能力，學生在實踐中不斷尋找問題解決的多種方法，逐步構建出可以隨時控制氣體的排出與停止，而且能夠提供穩定壓強的恒速排氣模型。

3.3? 思維設計

思維設計是致力于培養學生設計思維的一種教學策略，通過為學生提供適當的思維支架與方法支持，培養學生設計思考的能力，提高思維的效率和準確性。供氧器的制作屬于設計類跨學科實踐活動，教師在實踐過程中需要重視對學生設計思維的培養。斯坦福設計研究院提出的EDIPT模型是一種思維設計策略，主要包括五個階段：同理心（Empathize）：指站在用戶的立場上體會他人情緒和需求的能力；定義問題（Define）：是對看似無序、雜亂的信息進行思維加工的過程；構想（Ideate）：指通過各種方式激發靈感的過程；原型（Prototype）：指調動身邊材料快速進行問題解決的過程；測試（Test）：指對設計方案進行實踐的過程，在過程中獲得更多潛在的信息［11］。跨學科實踐活動具有較高的難度，EDIPT模型為教師提供了比較系統的方法策略，教師可以根據實際需求，在任何時間段重復整個過程或特定的階段。

在方案的形成、優化階段，學生在解決核心問題２和３時，會提出較多的子問題，主要分為理解型、分析型、應用型、評價型、綜合型五個方面，教師可基于思維設計教學策略，運用EDIPT模型進行指導，培養學生的設計思維（見表2）。

4? 反思與啟示

跨學科實踐活動是分科設置背景下實現課程綜合化、實踐化的重要方法，也是提升人才質量的重要舉措。通過實踐活動，學生能夠像科學家一樣參與知識的發現、發展和應用過程，自發地從多角度思考問題，綜合運用多學科知識制作簡易、可操作性強的產品。在實踐活動中，師生關系遵循主體間性交互關系，不存在優先性或主導性的問題，雙方都是積極的、能動的，在解決問題過程中將知識共享升華為責任和情感的共享。

發揮主體間性交互關系，必須遵循平等性、共享性的原則，平等性意味著真誠和理解。在啟動任務階段，學生會提出一些生成性問題，設計的方案也存在明顯的缺陷，教師要真誠地傾聽學生提出的設想，通過問題變換、范例啟發、思維設計等多種教學策略，培養學生實踐的自發性和能動性。同時啟發學生運用輸液袋、注射器、打氣筒、水桶、自封袋等生活中的常見材料，將其設計為制備氧氣的發生裝置或收集裝置。運用醫用流速調節器、熱熔膠、高溫導管等材料，保證裝置的可調控性和密封性，最終實現整體裝置的可調控設計。除化學學科外，基于跨學科實踐的教學策略，也可有效促進基于其他學科的跨學科活動實施。在實踐過程中，學生的評價、創造、質疑、駁斥等高階思維能力得到進一步的發展。

參考文獻：

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