大概念引領(lǐng)的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

摘 要： 以北京版初中化學(xué)教材“常見的液體——水”單元知識(shí)為載體，設(shè)計(jì)主題為“大運(yùn)河水的凈化與元素組成研究”的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，探索大概念引領(lǐng)的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施策略，以激發(fā)學(xué)生對(duì)新授課化學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣，幫助他們?cè)诮鉀Q實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中整合多學(xué)科知識(shí)，形成合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)和良好的核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞： 初中化學(xué)； 跨學(xué)科實(shí)踐； 大概念； 單元核心知識(shí)結(jié)構(gòu)

文章編號(hào)： 10056629（2024）12005706

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）強(qiáng)調(diào)，教師應(yīng)注重基于大概念組織單元教學(xué)內(nèi)容，發(fā)揮大概念的統(tǒng)攝作用；還應(yīng)重視跨學(xué)科內(nèi)容的選擇和組織，加強(qiáng)化學(xué)與物理、生物、地理等學(xué)科的聯(lián)系［1］。大概念是一種概念性工具，用于強(qiáng)化思維，連接不同的知識(shí)片段［2］。充分發(fā)揮大概念對(duì)跨學(xué)科知識(shí)的整合功能，對(duì)設(shè)計(jì)跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)及發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

跨學(xué)科實(shí)踐學(xué)習(xí)是一種以解決真實(shí)問(wèn)題為核心的深度學(xué)習(xí)，其基本理念是為理解而學(xué)、為生活而學(xué)、為學(xué)科而學(xué)［3］。實(shí)施跨學(xué)科實(shí)踐學(xué)習(xí)要堅(jiān)持教育的根本立場(chǎng)，明確教育的要求和底線，真正發(fā)揮其整體育人的教育功能［4］。其中，發(fā)揮其教育功能的重要手段之一就是在大概念的引領(lǐng)下融合多學(xué)科知識(shí)解決真實(shí)問(wèn)題。為此，不少研究者對(duì)基于大概念的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)或?qū)嵤？傮w來(lái)看，基于大概念設(shè)計(jì)跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的重要策略之一就是要用結(jié)構(gòu)化知識(shí)促進(jìn)學(xué)生形成結(jié)構(gòu)化認(rèn)識(shí)。但是，大部分研究?jī)H聚焦在學(xué)生已學(xué)化學(xué)知識(shí)的應(yīng)用上，而如何以跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)方式講授新課，既滿足學(xué)生運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的需求，又能落實(shí)新授課中的化學(xué)知識(shí)，是一線化學(xué)教師更為關(guān)注的問(wèn)題。

基于上述分析，以北京版初中化學(xué)教材中“常見的液體——水”單元知識(shí)為載體，設(shè)計(jì)“大運(yùn)河水的凈化與元素組成研究”為主題的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，探索大概念引領(lǐng)的新授課跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施策略。

1 前期分析

1.1 教學(xué)內(nèi)容分析

在教材中，“常見的液體——水”單元主要包括“水的凈化”“水的變化”和“水資源的開發(fā)、利用和保護(hù)”三部分內(nèi)容。在“課程標(biāo)準(zhǔn)”學(xué)習(xí)主題2“物質(zhì)的性質(zhì)與應(yīng)用”學(xué)業(yè)要求中提出要“對(duì)水體保護(hù)等社會(huì)性科學(xué)議題展開討論，積極參與相關(guān)綜合實(shí)踐活動(dòng)”［5］。為了幫助學(xué)生更好地理解本單元知識(shí)內(nèi)容并達(dá)成課標(biāo)學(xué)習(xí)要求，以北京城市副中心的重要景觀資源京杭大運(yùn)河的水為真實(shí)情境，以解決“如何獲得純凈的大運(yùn)河水并研究其元素組成”這個(gè)真實(shí)問(wèn)題，設(shè)計(jì)“大運(yùn)河水的凈化與元素組成研究”為主題的跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，旨在讓學(xué)生了解大運(yùn)河水質(zhì)及保護(hù)要求，學(xué)習(xí)有關(guān)水的化學(xué)知識(shí)和相關(guān)實(shí)踐技能，提升綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，感悟化學(xué)學(xué)科知識(shí)在認(rèn)識(shí)和解決實(shí)際問(wèn)題中的價(jià)值。

本單元的知識(shí)內(nèi)容不僅涉及化學(xué)學(xué)科知識(shí)（如混合物、純凈物、元素、沉淀、過(guò)濾、吸附、蒸餾、硬水、軟水、電解水裝置等），也涉及部分生物學(xué)（如微生物、顯微鏡等）、環(huán)境科學(xué)（如水資源、水質(zhì)檢測(cè)、水體保護(hù)等）和工程技術(shù)（如制作凈水器）等相關(guān)知識(shí)，為開展跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)奠定了豐富的知識(shí)與技能基礎(chǔ)。跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的核心要義是讓學(xué)生綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，但這些學(xué)科知識(shí)不能拼盤式地堆放在一起，需要借助大概念的結(jié)構(gòu)化功能進(jìn)行整合。

1.2 教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)上述分析，本跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)主要涉及的跨學(xué)科大概念為“結(jié)構(gòu)與功能”，學(xué)科大概念為“物質(zhì)的組成影響其性質(zhì)”和“裝置的結(jié)構(gòu)決定其功能”。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合跨學(xué)科實(shí)踐知識(shí)內(nèi)容和化學(xué)學(xué)科視角，將大概念進(jìn)一步分解為“化學(xué)上研究物質(zhì)組成的前提需獲取純凈物，可通過(guò)物質(zhì)分離來(lái)獲取純凈物、可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)研究純凈物的組成”的單元大概念（注：為便于術(shù)語(yǔ)表述，將本跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)整體看作一個(gè)教學(xué)單元），以此來(lái)統(tǒng)領(lǐng)本跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)施。為了幫助學(xué)生建立單元大概念，進(jìn)一步將其分解為“自然界的水是一種混合物”“利用混合物中各組分之間的性質(zhì)差異進(jìn)行分離”和“純水是由氫元素和氧元素組成的”三部分認(rèn)識(shí)，作為教學(xué)單元的核心知識(shí)內(nèi)容。

在各級(jí)大概念的引領(lǐng)下，構(gòu)畫了教學(xué)單元的單元核心知識(shí)結(jié)構(gòu)圖（見圖1）。大概念的教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)化既為學(xué)生學(xué)習(xí)大概念提供了認(rèn)識(shí)路徑，也為教師基于大概念進(jìn)行化學(xué)教學(xué)提供了技術(shù)路徑［6］。通過(guò)圖1可以看出，單元核心知識(shí)結(jié)構(gòu)是對(duì)跨學(xué)科大概念、學(xué)科大概念、單元大概念的具體化表征，為教師設(shè)計(jì)跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)目標(biāo)、問(wèn)題線索、實(shí)踐任務(wù)和評(píng)價(jià)措施等提供了藍(lán)圖。

1.3 學(xué)情分析

本節(jié)課的教學(xué)對(duì)象是剛剛接觸化學(xué)學(xué)科的初三學(xué)生，經(jīng)過(guò)初一、初二生物學(xué)科和物理學(xué)科的學(xué)習(xí)，學(xué)生已具備一定的科學(xué)觀念、科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，能從“結(jié)構(gòu)與功能”的角度認(rèn)識(shí)實(shí)物裝置，能夠完成一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)操作。但總體上學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)操作、證據(jù)推理等能力還比較薄弱，學(xué)過(guò)的物理、生物和化學(xué)知識(shí)也比較零散，缺乏有機(jī)整合。雖然對(duì)自然界中的水有一定認(rèn)識(shí)，但尚未形成從化學(xué)視角認(rèn)識(shí)和解決生活中與水相關(guān)的實(shí)際問(wèn)題的能力。

2 教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

通過(guò)圖1可以看出，為解決“如何獲得純凈的大運(yùn)河水并研究其元素組成”這一真實(shí)情境問(wèn)題，本跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)有三個(gè)重要的實(shí)踐任務(wù)：調(diào)查大運(yùn)河水質(zhì)、自制凈水器凈水、探究水的組成及變化。通過(guò)三個(gè)任務(wù)的實(shí)踐體驗(yàn)，學(xué)生將獲得相關(guān)事實(shí)證據(jù)，親身體驗(yàn)和深刻理解單元大概念的內(nèi)涵及價(jià)值。結(jié)合學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展要求，將跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的主要學(xué)習(xí)目的聚焦為獲取新知識(shí)、促進(jìn)概念理解、提升實(shí)踐能力和感悟化學(xué)價(jià)值。所以，本跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)如下：

目標(biāo)1：通過(guò)自然觀察和水質(zhì)檢測(cè)活動(dòng)，了解自然界（大運(yùn)河）中的水資源及水質(zhì)情況，感悟保護(hù)水資源的重要性。

目標(biāo)2：知道化學(xué)研究物質(zhì)組成的前提是要獲取純凈物，體驗(yàn)凈水器的制作過(guò)程和凈水過(guò)程，深化對(duì)“裝置的結(jié)構(gòu)決定其功能”的理解。

目標(biāo)3：通過(guò)水的組成與變化實(shí)驗(yàn)探究，了解化學(xué)研究物質(zhì)組成的方法，認(rèn)識(shí)到水是由氫元素和氧元素組成的，深化對(duì)“物質(zhì)的組成影響其性質(zhì)”的理解。

目標(biāo)4：通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)踐方案和體驗(yàn)實(shí)踐活動(dòng)，提升綜合利用化學(xué)及其他學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力，感悟化學(xué)學(xué)科知識(shí)在認(rèn)識(shí)和解決實(shí)際問(wèn)題中的價(jià)值。

3 教學(xué)思路

為了突出學(xué)生的主體性和學(xué)習(xí)任務(wù)的挑戰(zhàn)性，在實(shí)踐活動(dòng)整體思路設(shè)計(jì)中參照項(xiàng)目式教學(xué)的相關(guān)環(huán)節(jié)和要素，遵循如下過(guò)程：提出跨學(xué)科的真實(shí)問(wèn)題、選取用于問(wèn)題解決的不同學(xué)科視野、綜合探索解決問(wèn)題、整合形成跨學(xué)科成果［7］。按照“教學(xué)評(píng)”一體化的理念，以開展“調(diào)查大運(yùn)河水質(zhì)”“自制凈水器凈水”和“探究水的組成與變化”三個(gè)實(shí)踐任務(wù)為核心，每個(gè)核心實(shí)踐任務(wù)為一個(gè)課時(shí)，整體為3個(gè)課時(shí)，并以學(xué)習(xí)目標(biāo)、驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題、實(shí)踐任務(wù)及過(guò)程和評(píng)價(jià)措施為要素，整體設(shè)計(jì)了單元教學(xué)思路（見圖2）。驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題的設(shè)計(jì)緊扣單元核心知識(shí)結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程，并與實(shí)踐任務(wù)和評(píng)價(jià)措施對(duì)應(yīng)起來(lái)，成為落實(shí)學(xué)習(xí)目標(biāo)的重要載體。

4 主要教學(xué)實(shí)施過(guò)程

本班共有學(xué)生30人，在“調(diào)查大運(yùn)河水質(zhì)”任務(wù)中，分為3個(gè)大組，每個(gè)大組提交一份水樣；在“自制凈水器凈水”和“探究水的組成與變化”任務(wù)中，30人分為5個(gè)小組，每個(gè)小組自制一個(gè)凈水裝置和完成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告單。

4.1 調(diào)查大運(yùn)河水質(zhì)

第1課時(shí)以落實(shí)目標(biāo)1和目標(biāo)4為主，重在匯報(bào)取樣過(guò)程和檢測(cè)水樣。

［教師］能否直接用自然界的水來(lái)研究水的組成與變化，為什么？

［學(xué)生］自然界的水有很多雜質(zhì)，可能影響研究結(jié)果，不能直接研究。

［教師］大家的猜想是否正確呢？先來(lái)回顧十一假期前給大家布置的水樣采集任務(wù)。請(qǐng)每組各選一名同學(xué)匯報(bào)采樣情況，其他組按照“調(diào)查大運(yùn)河水質(zhì)任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)”（見表1）進(jìn)行評(píng)分。

［學(xué)生活動(dòng)1］展示水樣，匯報(bào)采集過(guò)程，對(duì)其他小組進(jìn)行評(píng)分。

［教師］各組代表匯報(bào)都很清楚，大運(yùn)河的水質(zhì)到底怎樣？請(qǐng)各組從3份水樣中分別取100mL，用顯微鏡和水質(zhì)檢測(cè)儀進(jìn)行觀察和檢測(cè)。

［學(xué)生活動(dòng)2］觀察與檢測(cè)，填寫調(diào)查報(bào)告。

［學(xué)生活動(dòng)3］分組匯報(bào)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、現(xiàn)象和結(jié)論（見表2示例）。

［教師］各組的調(diào)查報(bào)告都比較詳細(xì)，組員分工明確，通過(guò)觀察與檢測(cè)，我們知道大運(yùn)河的水確實(shí)是一種混合物，不僅有微生物，還有我們看不到的物質(zhì)，這些都有可能干擾我們的研究結(jié)果。為了研究水的組成，我們要想辦法獲取純凈的水。

4.2 自制凈水器凈水

第2課時(shí)以落實(shí)目標(biāo)2和目標(biāo)4為主，重在自主設(shè)計(jì)模型圖，制作凈水器。

［播放］自來(lái)水廠凈水過(guò)程的視頻。

［教師］請(qǐng)大家想想混合物分離的方法有哪些？

［學(xué)生］沉降、過(guò)濾和吸附。

［教師］如何設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易的凈水器？需要考慮哪些因素呢？

［學(xué)生］所用材料、價(jià)格、凈水順序、凈水效果。

［教師］發(fā)布自制凈水器任務(wù)，并明確任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)（見表3）。

［學(xué)生活動(dòng)1］設(shè)計(jì)凈水器模型圖（見圖3），并派代表展示。

［教師］提供實(shí)驗(yàn)用品礦泉水瓶、棉花、紗布、活性炭、石英砂、小卵石和鵝卵石。

［學(xué)生活動(dòng)2］制作凈水器（見圖4），進(jìn)行效果檢測(cè)，并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

［學(xué)生活動(dòng)3］根據(jù)凈水效果，組內(nèi)討論反思。

組1：本組凈水器水流速度很快，但流出的水依舊渾濁，要加固出口處的棉花層和活性炭層起到更好的凈化效果，只能達(dá)到“中”等級(jí)。

組2：本組凈水器活性炭用量較少，沒(méi)有起到吸附效果，等級(jí)為“差”。

組3：本組凈水器水流速度太慢，所用石英砂太多，應(yīng)減少它的用量，但凈水效果較好，達(dá)到了“好”等級(jí)。

組4：本組凈水器選用礦泉水瓶的高度太低，導(dǎo)致每一層的材料高度也低，未達(dá)到凈水效果，等級(jí)為“差”。

［教師］大家都發(fā)現(xiàn)了本組凈水器的優(yōu)點(diǎn)與不足，今天我們化身工程師，將工程技術(shù)與化學(xué)知識(shí)融合起來(lái)制作簡(jiǎn)易凈水器，感受裝置結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。在此項(xiàng)任務(wù)中，大家都參與制作過(guò)程，并提出好的想法，且在看到其他組凈水效果后能及時(shí)改進(jìn)本組裝置的不足，這類似于科學(xué)家們?cè)诳茖W(xué)探索中經(jīng)歷的一次次改進(jìn)過(guò)程。

4.3 探究水的組成與變化

第3課時(shí)以落實(shí)目標(biāo)3和目標(biāo)4為主，讓學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)探究水的組成。

［教師］簡(jiǎn)易凈水器得到的水依然不是純凈水，我們還可以利用蒸餾方法對(duì)凈化后的水進(jìn)行蒸餾獲得更加純凈的蒸餾水。

［教師演示實(shí)驗(yàn)］制取蒸餾水。

［教師］大家想一想，在蒸餾過(guò)程中水發(fā)生了哪些變化？我們?cè)鯓訌幕瘜W(xué)的角度研究水的組成與變化呢？

［學(xué)生1］水受熱變成水蒸氣，水蒸氣冷凝后又變成了液態(tài)水。

［學(xué)生2］網(wǎng)上有視頻將電極插到水里后有氣泡產(chǎn)生。

［教師］你們知道這些氣泡是什么嗎？水發(fā)生了什么變化呢？我們來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

［教師］提供學(xué)生電源、導(dǎo)線、電解水裝置、純凈水（含電解質(zhì)），并給出“電解水實(shí)驗(yàn)任務(wù)標(biāo)準(zhǔn)”（見表4）。

［學(xué)生活動(dòng)1］完成電解水實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

［教師］2、 4、 5組電解水的時(shí)間長(zhǎng)，順利看到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，正確填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，記為“好”等級(jí)；3組同學(xué)看到了帶火星的木條復(fù)燃，對(duì)于氫氣的現(xiàn)象描述不太準(zhǔn)確，記為“中”等級(jí)；1組同學(xué)因操作不當(dāng)沒(méi)有看到現(xiàn)象，只能記為“差”等級(jí)，請(qǐng)課后再完善實(shí)驗(yàn)。

［播放］“氫氣在氧氣中的燃燒實(shí)驗(yàn)”的視頻。

［教師］無(wú)論是將水進(jìn)行電解（分解法）還是將氫氣進(jìn)行燃燒（合成法），都可以得到“水是由氫元素和氧元素組成”的這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

最后，為了檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)電解水實(shí)驗(yàn)和水的元素組成的理解，教師布置了如下練習(xí)題：

用下圖裝置探究水的組成及變化。

（1） 檢驗(yàn)管b中氣體的操作是 。

（2） 用上圖裝置驗(yàn)證水的組成。下列說(shuō)法不正確的是

A. 水發(fā)生了分解反應(yīng)

B. 用燃著木條檢驗(yàn)a管氣體，觀察到氣體燃燒

C. b管氣體能使燃著木條燃燒更旺，說(shuō)明水中含有氧氣

D. 該實(shí)驗(yàn)證明水由氫元素和氧元素組成

檢測(cè)結(jié)果顯示，93.9%的學(xué)生能夠答對(duì)問(wèn)題（1），90%的學(xué)生能夠答對(duì)問(wèn)題（2）。

5 教學(xué)反思

為了解教學(xué)效果，課后進(jìn)行了學(xué)生訪談、同行評(píng)議，各方給出了較高評(píng)價(jià)?？傮w來(lái)看，大概念引領(lǐng)的新授課跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施，相比以往講授式教學(xué)，更能夠激發(fā)學(xué)生的探究熱情，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度和獲得感。特別是在真實(shí)情境問(wèn)題和挑戰(zhàn)性任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀察和實(shí)踐體驗(yàn)生成了新的化學(xué)知識(shí)，基于證據(jù)推理深度理解了“自然界的水是一種混合物”“利用混合物中各組分之間性質(zhì)的差異進(jìn)行分離”和“純水是由氫元素和氧元素組成的”三大單元核心知識(shí)；根據(jù)問(wèn)題解決需要調(diào)用與整合其他學(xué)科知識(shí)，形成了較合理的知識(shí)結(jié)構(gòu)，較好地達(dá)成了核心素養(yǎng)發(fā)展要求。

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