數智化背景下化學跨學科主題情境教學實踐

摘 要：跨學科主題學習是提升學生綜合素養和創新能力的重要途徑，但存在“學科割裂導致不愿跨”“知識淺薄難以支撐跨”“缺乏有效策略低效跨”等問題，在跨學科教學中引入數智化技術能夠有效優化資源配置，從而走出上述教學困境。課題組以高中化學學科“水的電離和溶液的pH”與地理學科“水循環”的內容為基礎，設計了“‘水’與爭鋒”跨學科主題情境教學。在數智化背景下開展跨學科主題情境教學，教師應明確主題的選擇是基礎、創設情境是關鍵、任務驅動是核心、綜合評價是保障，基于學科知識內在聯系確定主題，結合數智化工具創設真實或虛擬情境，設計凸顯跨學科特點的學習任務，遵循全面性、過程性、多元性等評價原則。

關鍵詞：數智化；化學；地理；跨學科；主題；情境教學

中圖分類號：G63 文獻標識碼：A 文章編號：0450-9889（2025）05-0087-04

隨著教育改革的深入推進與信息化的高速發展，跨學科教學、數智化教學以及主題情境教學已然成為當前研究的熱點內容。《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》強調普通高中的培養目標是進一步提升學生綜合素質，跨學科實踐被明確列為實現這一目標的重要途徑之一［1］。然而，關于高中化學跨學科教學的實踐研究并不多，在如何巧妙地利用數智化技術與精心創設主題情境方面，仍存在諸多亟待解決的問題。本研究旨在利用數智化技術，構建一種化學學科與地理學科跨學科主題情境教學方式，并以具體教學案例“‘水’與爭鋒”進行實踐驗證。這一研究不僅能推動教育理念革新，豐富教學理論體系，還能激發學生的學習興趣，提升學生的綜合素養，對提高教學效果具有重要意義。

一、數智化背景下化學跨學科主題情境教學的特征

（一）數智化特征

數智化是數字化和智能化的融合體，即在數字化的基礎上引入智能化的高級技術，從而提高生產效率，優化資源配置，提升管理水平和創新能力［2］。在教育領域運用在線學習平臺、虛擬實驗室、地理信息系統（GIS）等數智化手段能夠提供個性化教學設計和高效的學習資源分配，并提供即時反饋和數據分析功能，支持精準教學，讓教學實現從“教師主導型”向“學生主體型”轉變。比如，在化學實驗教學中，通過運用虛擬實驗室，學生能夠突破傳統實驗室的時空限制與安全風險約束，安全、高效地開展各類化學實驗；可以直觀地觀察到微觀粒子的反應過程，深入理解化學原理的本質內涵，這將極大地增強學生的學習體驗，提升學生的實踐能力。

（二）跨學科主題情境教學特征

跨學科主題情境教學，是指圍繞一個具有高度綜合性與現實意義的核心主題，有機整合多學科知識體系，精心構建一個真實、生動且富有啟發性的教學情境，以充分激發學生主動探究的欲望，切實培養學生綜合運用多學科知識解決實際問題的能力，發展學生的學科核心素養。其主要特征有三個：一是主題統領——通過主題化情境，將不同學科的核心知識點有機結合，形成整體性知識框架；二是實踐導向——以真實問題為載體，鼓勵學生通過實踐操作和探究活動深入學習；三是多維評價——注重跨學科知識掌握、能力提升和多學科核心素養融通的全面發展。跨學科主題情境教學流程圖如圖1所示。

跨學科主題情境教學以“素養立意、主題引領、情境探究”為核心，由多個步驟構成一個循環系統。確定跨學科教學的主題是整個教學的起點，即選擇與多個學科內容相關的知識以確定主題，主題的確定能為后續的教學設計提供明確方向。隨后，制訂跨學科教學目標以指引教學過程。在確定目標后，創設相應的跨學科主題情境，確保這一情境貫穿整個教學過程。基于創設的情境，設計具體的跨學科學習任務，以驅動學生的學習。實施跨學科教學過程，就是將設計好的學習任務付諸實踐，實施跨學科教學。

在教學過程中，學生通過合作探究的方式，深入學習知識。同時，通過評價機制了解學習的效果。課堂教學結束后，通過跨學科作業進行拓展，進一步鞏固和深化學習成果。這些步驟相互銜接，形成一個完整的跨學科教學閉環。

教師在研究化學跨學科主題情境教學路徑時，需高度重視“主題融入”“目標融合”“教法融通”“學法融創”“評價融升”等環節，關注知識的綜合性和應用性、案例的典型性和可操作性、教學策略的精細化以及評價的多元化，確保跨學科教學實踐活動順利進行。

二、數智化背景下化學跨學科教學“‘水’與爭鋒”設計及實施

（一）主題的選擇是基礎：基于學科知識內在聯系確定主題

在高中化學學習中，水是一個極為重要的研究對象，它涉及豐富的化學知識與廣泛的社會應用。同時，水資源的保護與利用也是地理學科關注的重點領域之一，與生態環境、人類社會發展密切相關。因此，結合高中化學中關于水的相關知識及地理學科中的水資源分布、生態等內容，確定“‘水’與爭鋒——水資源保護與利用”作為跨學科教學主題，具有重要的現實意義與教育價值。

從化學學科角度來看，該主題涵蓋了水的凈化方法、污水處理的化學原理、水的化學性質及化學反應等重要知識點。例如，學生需要了解不同水凈化技術，如沉淀、過濾、吸附、消毒等背后的化學機制，掌握電解水涉及的化學反應方程式，以及理解溶液pH值的測定方法和水在化學反應中的作用等。

從地理學科層面而言，該主題涉及水資源的時空分布規律、水循環的地理過程及其生態影響等方面的知識。學生需要學習全球及區域水資源的分布特點，分析影響水資源分布的地理因素，如氣候、地形、植被等；同時，要深入理解水循環在維持地球生態平衡、物質與能量循環中的關鍵作用，以及人類活動對水循環過程的干擾與影響。

基于對以上主題的分析，教學目標設定為學生能夠深刻理解水的化學性質與溶液pH值的測定方法，熟練掌握水資源的地理分布規律及自然界中水循環的過程與意義，學會運用跨學科知識綜合分析水污染的成因與防治策略，培養強烈的環保意識與綜合思維能力，顯著提升實踐能力與創新能力。這些教學目標緊密融合了化學學科與地理學科的核心素養，充分體現了跨學科教學的綜合性與實踐性特點［3］。

（二）情境創設是關鍵：結合數智化工具創設真實或虛擬情境

為使學生能夠更加直觀、深入地理解“‘水’與爭鋒——水資源保護與利用”這一主題，充分利用數智化技術創設豐富多樣的教學情境至關重要。

地理信息系統（GIS）軟件是一種強大的地理信息技術工具，可以在教學中發揮重要作用。教師可以利用GIS軟件展示本地水資源的分布地圖，通過不同的顏色、符號等直觀地呈現出水資源的豐富程度與分布差異；同時，還可以標記出本地水污染的熱點區域，展示污染物的類型與濃度分布情況，使學生對本地水資源的現狀有一個全面、清晰的認識。此外，利用GIS軟件的動態演示功能，可以展示水循環的完整過程，包括蒸發、水汽輸送等六個環節，以及在不同地理環境下水循環的特點與變化規律，幫助學生深入理解水循環的地理意義與生態影響。

虛擬實驗室在化學教學中具有獨特的優勢。借助專門的虛擬實驗室軟件，教師可以模擬水的電離化學實驗過程。學生在虛擬實驗室中可以自主調控實驗變量，如不同取樣水廠中水的成分、反應溫度與時間等，觀察不同實驗條件下水的電離效果，并通過虛擬儀器獲取數據分析結果。對于可能存在污染的水，學生還可以模擬利用化學沉淀法處理含重金屬離子的廢水，觀察重金屬離子與沉淀劑反應生成沉淀的過程，以及感受沉淀的過濾、分離與回收等操作步驟，深入理解污水處理過程中涉及的化學原理與實驗技術。

在線學習平臺也是數智化教學的重要資源之一。教師可以通過在線學習平臺發布與水資源保護相關的專題紀錄片、專家講座視頻及研究文獻資料等。例如，播放關于全球水資源危機的紀錄片，讓學生了解到不同地區水資源短缺的現狀與當地人民面臨的嚴峻挑戰；分享專家關于新型水處理技術的講座視頻，使學生接觸到前沿的科學研究成果與技術應用知識；提供相關的研究文獻資料，培養學生的文獻閱讀能力與信息提取能力，激發學生的探究興趣與創新思維。通過以上數智化手段創設情境，為學生營造一個沉浸式的合作探究學習氛圍，從而充分激發學生的學習積極性與主動性。

（三）任務驅動是核心：設計基于跨學科融合的學習任務

在“‘水’與爭鋒——水資源保護與利用”主題教學中，設計一系列具有挑戰性與綜合性的跨學科學習任務是促進學生深度學習與能力提升的關鍵環節。

例如，設計“城市最優礦泉水PK賽”的學習任務，將學生分為若干小組進行合作探究。在這個任務中，化學小組的學生主要負責對本組采集的水樣進行詳細的化學分析。他們需要運用所學的化學知識與實驗技能，測定水樣的酸堿度、溶解氧、化學需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）以及各類污染物的成分與含量等指標。通過分析這些數據，確定水質優劣；如果存在污染物，還需明確主要污染物的類型與污染程度，為后續設計治理方案提供科學依據。同時，化學小組還要根據可能存在的污染物的性質，設計具有針對性的化學凈化流程，如利用氧化還原反應去除水中的重金屬離子、通過混凝沉淀法降低水中的懸浮物與膠體物質等，并開展模擬實驗驗證方案的可行性。

地理小組的學生則側重對取水地流域的地理環境進行深入調研。他們需要運用信息技術與實地考察相結合的方法，分析取水地流域的地形地貌特征，如取水地所在流域的落差、流速、流域面積等，這些地理因素會影響污染物的擴散速度與范圍；研究河流周邊的土地利用類型，判斷是否存在農業面源污染、工業污染及其分布情況等；同時，還要分析當地的氣候條件，如降水、氣溫、風速等對水循環與污染物遷移的影響。通過收集與分析這些地理信息，地理小組可以繪制出取水地周邊地理環境圖，并標注出可能的污染源位置與影響范圍，為制訂污染治理方案提供地理背景支持。

綜合小組的學生則需要在化學小組和地理小組工作的基礎上，整合各方信息，制訂全面、可行的城市最優礦泉水推廣方案。在制訂方案的過程中，他們需要綜合考慮環境效益、經濟效益與社會效益等多方面因素。最后，綜合小組需將方案制作成詳細的匯報PPT，并在班級內進行展示與交流，接受其他小組的提問與建議，進而完善推廣方案。

這樣的跨學科學習任務設計，促使學生在解決實際問題的過程中深度融合化學與地理知識，鍛煉團隊協作、信息處理、實驗探究與方案設計等多方面的能力，切實實現跨學科知識的應用與能力的提升。

（四）綜合評價是保障：通過多元化方式評價學習成果

評價設計應遵循全面性、過程性、多元性等原則。全面性原則指的是關注學生的知識掌握、能力提升、情感態度等多方面的表現；過程性原則要求關注學生在學習過程中的表現和努力程度，而不是只關注學習結果；多元性原則就是采用多種方式和手段，如作品展示、口頭報告、實驗操作等，全面反映學生的學習情況。同時，教師還應鼓勵學生進行自我評價和同伴互評，以提升學生的自我反思能力和團隊協作能力。為此，本案例配套開發了“核心素養評價導航單”“學習小組評價量表”和“個性化學習評價表”等學習工具。通過多元化的評價方式，能夠全面、客觀地評估學生的學習效果，為持續改進教學提供有力的依據，同時也能夠促進學生反思與成長，培養學生的自主學習能力，提升學生的綜合素質。

三、研究結果與反思

在本次研究中，學生學習前后的數據對比揭示了數智化背景下跨學科主題情境教學的顯著效果。課題組對參與“‘水’與爭鋒”課程的學生進行前測和后測，數據收集涵蓋了化學學科和地理學科知識掌握情況、跨學科知識綜合運用能力以及學習興趣等多個維度。

在化學和地理學科知識的掌握方面，后測結果顯示學生的平均得分較前測提高了約16.80%。特別是在解決水循環、化學性質與地理特征等綜合性問題方面，學生的正確率明顯上升。這表明跨學科主題情境教學有效促進了學生對復雜知識點的理解與記憶。

在跨學科綜合運用能力方面，學生解決實際問題的能力有顯著提升。通過設計包含實際情境的問題，如如何通過化學手段改善水質、分析水資源分布對當地經濟的影響等，學生在后測中展現出更強的分析和解決問題的能力，得分提高了約20.40%，這顯示出該教學方式對提升學生批判性思維和創新能力產生了積極的影響。

在學習興趣方面，調查結果顯示，參與“‘水’與爭鋒”課程后，86.70%的學生表示對化學課程和地理課程更感興趣。數智化技術的引入，如虛擬實驗室、交互式地圖和多媒體資源，極大地提高了課堂的吸引力和學生的參與度，激發了學生的學習熱情。

數智化背景下高中化學跨學科主題情境教學是一種具有重要教育價值與實踐意義的教學方式。但在實施過程中，需要不斷地反思與改進，以充分發揮其優勢，提高教學質量，為學生的發展奠定堅實的基礎。課題組今后將進一步優化數據收集與分析，增加更多樣本，進行長時間跟蹤研究，以提升研究結果的說服力；擴展學科范圍，將跨學科教學運用于其他學科組合，如化學與生物學、化學與物理等；提升學生主體性，進一步發揮學生在學習過程中的主體作用，探索更靈活的教學形式。

參考文獻

［1］胡久華，張愷琦.《義務教育化學課程標準（2022年版）》解讀：化學與社會·跨學科實踐［J］.化學教育（中英文），2022，43（15）：13-18.

［2］《咬文嚼字》編輯部.2024年十大流行語［J］.咬文嚼字，2025（01）：4-7.

［3］陳文方，王茜，何永德，等.基于UbD理論的地理單元教學設計：以“地球上的水”為例［J］.地理教學，2023（24）：20-23.

注：本文系廣西教育科學“十四五”規劃2023年度專項課題“指向核心素養的信息技術與學科情境教學深度融合行動研究”（2023ZJY622）的研究成果。

（責編 劉小瑗）

作者簡介：伍代剛，1977年生，本科，高級教師，主要研究方向為跨學科教學、中學化學教育、情境教學。