初中化學金屬材料教學的三維創新實踐

在《義務教育化學課程標準（2022年版）》的推動下，初中化學教學正經歷從“知識本位”向“能力本位”的深層轉型。以“金屬和金屬材料”單元為例，其教學需突破傳統知識傳遞框架，將科學探究、跨學科思維與社會責任培養納入核心目標。然而，當前實踐存在三重矛盾：其一，碎片化實驗設計（如孤立探究金屬導電性或酸反應）割裂了學科知識與真實應用場景（如新能源電池研發）的關聯，導致學生認知系統性缺失；其二，學科壁壘阻礙了物理（電化學機制）地理（資源分布）與工程（材料優化）的深度融合，限制復合思維發展；其三，同質化作業依賴機械訓練，在加重學業負擔的同時抑制創新實踐能力。

項目式學習（PBL）依托情境驅動的知識整合特性，成為破解上述矛盾的可行路徑。研究表明，PBL不僅能提升問題解決能力，更契合“雙減”政策的結構性減負訴求。然而，現有研究多聚焦單一維度，對PBL與跨學科整合、作業優化的協同機制及其對學業效能的影響缺乏系統探索。

本研究創新構建“項自驅動一跨學科融合一作業重構”三位一體教學框架，以人教版“金屬和金屬材料”單元為載體，選取“新能源汽車電池金屬材料設計\"為項目主題，實現三方面突破：其一是知識建構場景化：將金屬的物理性質（如導電性、活動性）嵌入電池性能優化的產業問題鏈，通過虛擬仿真實驗建立“性質一功能\"關聯認知；其二是跨學科圖譜重構：融合物理（能量轉換效率）地理（鋰礦可持續開發）與生物學（可降解電解質）多學科邏輯，形成材料科學整體認知；其三是分層作業精準化：設計彈性任務（如基礎層流程圖繪制、拓展層成本一效益建模），借助數字化工具實現減負增效協同。

本模式首次系統性整合知識建構、能力培養與學業減負目標，為素養導向的化學教學提供可操作范式，其創新價值體現在：突破學科壁壘的深度整合機制、基于真實問題的認知腳手架設計，以及數字化賦能的差異化作業體系，對推進課程改革具有理論與實踐雙重意義。

一、項目式學習在金屬材料教學中的系統化實施

（一）項目式學習（PBL）的核心內涵

項目式學習（Project-BasedLearning，PBL）是一種以學生為中心的教學模式，引導學生積極探究、討論和協作，圍繞真實而復雜的驅動問題開展項目，并嘗試開發可證明的成果。其主要特點是：

1.真實情境驅動：以真實問題為中心進行學習，如金屬的防腐和材料選擇的優化。2.跨學科融合：化學、物理、工程、社會等多學科知識與技能的融合。3.持續探索：通過實驗、研究、設計等逐步提升解決問題的能力。

4.結果導向：最終開發出模型、原型或生成報告。

（二）項目式學習在金屬材料教學中的應用價值

項目式學習在金屬材料教學中的應用價值在于它突破傳統教學的痛點。傳統教學中，金屬材料的物理和化學性質以零散碎片形式呈現，學生難以建立系統性認知。項目式學習通過設計真實情境（如“新能源汽車電池金屬材料設計\"），引導學生評估材料性能，基于產品需求進行多維度對比，從而構建不同金屬性能之間的關聯網絡。例如，在“金屬導熱性大賽\"中，學生通過實驗比較銅、鐵、鋁的導熱系數，并繪制排序圖；在“金屬廢料回收價值評估\"中，學生通過實驗測定金屬與酸反應的氫氧生成量，分析其經濟性。這種教學方式將課本知識轉化為動態的解決問題工具，顯著提升了學生的知識遷移能力和深度理解能力。

（三）項目式學習與傳統教學的對比及優勢（如表1所示）

（四）項目式學習案例：基于金屬材料設計新能源汽車電池

驅動問題：如何基于金屬材料的性質，設計一種高性能、低成本且環保的新能源汽車電池？

1.項目設計框架，問題定義與背景研究（2課時）

（1）教學目標：

① 理解新能源汽車電池的基本結構與核心金屬材料需求。② 分析現有電池（如鋰離子電池）的性能瓶頸與環保問題。

（2）活動設計：

① 情境導入：播放視頻《新能源汽車的“心臟”電池技術挑戰》，展示電池爆炸、續航短、重金屬污染等現實問題。

② 文獻調研：分組查閱資料，整理常用電池金屬材料（鋰、鈷、鎳、鋁、銅）的優缺點。

③ 示例問題：

a.鈷的高成本與采礦的論理爭議。

b.鋰的高反應性引發的安全隱患。

c.為什么常規的鋰電池容易存在安全問題？

提出需求：制定電池材料的理想標準（如高能量密度、高安全、低污染和低成本）。

2.實驗探究與數據分析（3課時）

（1）教學目標：① 通過實驗對比金屬的導電性、密度、耐腐蝕性等關鍵性質。② 理解金屬活動性順序對電池穩定性的影響。（2）關鍵實驗設計（如表2所示）：

（3）數據分析任務：

繪制“金屬特性雷達圖”，綜合評估導電性、密度、成本、環保性等指標。

（4）示例結論：鋁的輕量化（密度 2.7g/cm³ 和銅的高導電性 （5.9×10⁷S/m） 可互補，但需解決兩者接觸時的電化學腐蝕問題。

3.方案設計與工程優化（2課時 + 課外）

（1）教學目標：

綜合實驗數據，設計新型電池金屬材料方案。培養工程思維（成本、環保、可行性權衡）。

（2）設計任務：

材料選擇：從以下方向任選其一：

a.合金優化：設計鋁一鋰合金，減輕質量b.結構創新：用銅箔涂層技術防止鋁腐蝕c.環保替代：用磷酸鐵鋰 LiFePO₄ 替代鈷酸鋰

（3）方案要求：

用概念圖解釋材料特性如何滿足電池需求（如高導電性 $$ 減少能量損耗），制作成本估算表（參考金屬現貨市場價格），提出廢舊電池回收方案。

4.成果展示與評價（1課時）

（1）展示形式：

① 模型/海報展示：用3D打印模型或手繪海報解釋材料結構設計。

② 模擬答辯：扮演“電池公司技術顧問”，回答評委提問：

a.如何解決鋁與電解液的副反應問題？

b.你的方案比現有技術環保在哪里？

（2）評價標準（如表3所示）：

5.項目總結

以新能源汽車電池設計為情境載體，除了金屬的物理性質（導電性、密度）和化學性質（活性、耐腐蝕性），更能深刻領悟材料科學的核心思想一一性質決定用途。當學生試圖用鋁的輕量化來彌補銅的高密度不足時，其實是在重走人類材料創新的經典路徑，即以情境問題為引導，以項目式學習的方式，關注材料科學知識的動態建構與遷移應用，讓知識在問題解決的發現過程中有機發展

二、跨學科視域下的金屬知識體系重構

（一）多學科滲透路徑（如表4所示）

（二）教學實施建議

本研究以“如何解決新能源汽車電池污染問題？”為貫穿性驅動問題，構建多維度探究框架。在項目實施中，通過角色模擬實踐深化跨學科協作：學生分組承擔“材料科學家”“環境工程師”“經濟學家”等職業角色，分別從材料性能優化、環境風險管控及經濟成本核算等視角展開論證，形成多學科協同解決方案。評價體系采用三級結構化指標：其一，科學嚴謹性維度建立數據驅動的結論驗證機制，要求實驗證據與理論推導形成閉環；其二，跨學科深度維度設置知識整合度評估標準，重點考察物理（電化學原理）地理（資源分布圖譜）與工程（工藝流程設計）等領域的有機融合；其三，創新性維度引入可持續發展導向的賦分規則，優先支持具備環境友好特征（如廢舊金屬電極再生技術）與成本可控優勢的原創方案。該模式通過真實問題引領、角色認知建構與多維度評估的聯動機制，有效實現了知識應用能力與系統思維能力的協同發展，為核心素養導向的STEM教育實踐提供新范式。

三、基于“減負增效”的初中化學項目式學習作業設計

傳統教學，機械訓練與知識碎片化加重學業負擔，抑制高階認知發展。本研究提出“減負\"需摒棄低效重復，“增效”應依托真實問題驅動知識遷移。以“新能源汽車電池設計\"項目為例，作業設計聚焦金屬材料核心屬性，構建分層實踐任務：如通過導電/環保性實驗對比鋁、鋅特性，或模擬礦產資源分布進行成本一效益建模。此類任務突破學科壁壘，整合化學（材料性能）物理（電導機制）與地理（資源可持續性）多維度分析框架，引導學生在解決“性能一成本一環保\"協同優化問題中實現深度學習。

（一）預習階段作業：知識導圖構建

初中化學課后作業采用結構化知識體系和分層任務設計實現減負增效。在“金屬材料物理性質與電池設計\"作業中設置兩大核心任務：

1.繪制金屬導電性、反應性、成本及環保屬性的關聯思維導圖（20分鐘完成），構建金屬特性與電池性能的認知框架。

2.基于材料物理性質分析推薦三種電池材料：鋁（輕質導電）鋅（易回收價優）鐵（儲量大低毒），并說明選擇依據。

該模式通過精簡體量、可視化思維和個性化設計，解決傳統作業負擔重、趣味性不足的問題

（二）探究階段作業：實驗記錄與數據分析

實踐導向的化學作業設計優化研究 一以“鋁—

檸檬電池實驗\"為例

本研究提出實踐性探究作業模式，通過自制“鋁一檸檬電池實驗\"實現減負增效。設計包含：

結構化實驗記錄：制作含電極組合、開路電壓、負載電流與LED發光時間的標準化記錄表，引導系統性數據采集。

變量分析任務：基于鋁/鋅/鐵電極實驗數據，繪制電壓差異柱狀圖并解析金屬特性（如活動性）對電池輸出的影響規律。

這種“實驗操作一數據分析”雙輪驅動框架，既可深化化學概念理解，又能平衡探究深度與學業負擔，為實驗類作業設計提供可推廣范式。

（三）深化階段作業：環保方案設計

跨學科融合視角下初中化學作業優化實踐一以廢舊電池金屬回收方案設計為例

本研究構建“跨學科一彈性化\"作業模式，通過“廢舊電池金屬回收方案設計\"任務實現效能提升。核心設計包含：

流程可視化表達：繪制金屬回收工藝流程圖（酸浸溶解 $$ 電解提純），整合化學（電化學提純）工程（工藝設計）知識。

綠色創新提案：提出如\"植物提取液替代化學電解質\"等環保方案，結合生物（有機酸提取）原理闡釋環境效益。

此設計通過學科交叉與任務彈性化，在深化金屬回收原理認知的同時，強化可持續發展素養，為化學作業改革提供可遷移范式。

（四）總結階段作業：成果展示與反思

多元表達與精準反饋融合的化學作業設計研究一以新能源汽車電池設計項目為例

本研究構建“多元一精準\"型作業模式，通過“新能源汽車電池設計\"項目實現效能優化。核心設計包含：

多模態成果展示：采用PPT或手抄報整合電池設計方案、實驗數據及環保策略

靶向反思撰寫：要求100字以內，聚焦“設計創新點\"與“核心挑戰”，形成結構化自評報告。

該設計通過表達形式多元化與反饋機制精準化的協同，在減輕作業負擔的同時強化高階思維能力，

為項目式學習評價體系創新提供實證案例。

（五）作業設計優化策略總結（如表5所示）

為提升作業設計的實施效能，本研究提出以下策略：首先，通過課程整合實現課內外協同，將實驗數據記錄與分析納入課堂教學環節，有效壓縮課外任務時長，減輕學生學業負荷。其次，依托數字化資源支持，開發結構化模板（如思維導圖框架、PPT設計指南），為學生提供標準化工具，以優化任務執行路徑，降低技術性操作門檻。此外，引入小組協作互評機制，鼓勵學生通過同伴評估與反饋迭代優化方案，既強化合作學習能力，又分散教師批改壓力。上述策略通過任務情境化、資源可視化與評價多元化，促使作業從傳統機械訓練轉向項目式學習的有機延伸。學生在完成適量且富有挑戰性的實踐任務過程中，不僅能緩解學業壓力，還能通過跨學科探究深化知識理解與能力遷移，契合“雙減\"政策下減負增效的核心訴求。

四、總結

總之，通過項目式學習構建深度學習場域，借助跨學科整合打破知識壁壘，依托精準作業設計促進知識內化，這種三維聯動的教學模式，不僅深化了學生對金屬材料的本質理解，更培養了核心素養時代的復合型問題解決能力。后續研究可進一步探索多元評價體系構建及教師跨學科教學能力發展路徑。

（作者單位：貴港市港南區教師培訓中心）

編輯：孫守春