信息技術(shù)賦能化學(xué)跨學(xué)科實踐教學(xué)

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）明確指出，應(yīng)“重視開展核心素養(yǎng)導(dǎo)向的化學(xué)教學(xué)”并強(qiáng)調(diào)“跨學(xué)科實踐活動”的重要性[1]。跨學(xué)科實踐是實現(xiàn)核心素養(yǎng)落地生根的關(guān)鍵路徑，其核心在于以真實情境中的問題為驅(qū)動，引領(lǐng)學(xué)生通過調(diào)研、設(shè)計、實驗、表達(dá)與評價等多元活動，融合多學(xué)科知識，發(fā)展系統(tǒng)性思維，提升解決復(fù)雜現(xiàn)實問題的綜合能力[2]。在這一過程中，信息技術(shù)扮演著不可或缺的角色，它不僅是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理工具，更是支持學(xué)生深度探究、科學(xué)建模與創(chuàng)新實踐的重要認(rèn)知伙伴。教師以“色彩中的化學(xué)”為項目主題，聚焦“從廢鐵中提取氧化鐵紅”這一兼具環(huán)保意義與工業(yè)價值的真實問題，開展項目式跨學(xué)科教學(xué)實踐。課程面向初三學(xué)生，有機(jī)融合化學(xué)、信息技術(shù)、物理等學(xué)科知識，引導(dǎo)學(xué)生在成分分析、流程設(shè)計、實驗探究等環(huán)節(jié)中，深刻理解物質(zhì)轉(zhuǎn)化的規(guī)律，切身體會化學(xué)在資源回收與工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用價值。本文系統(tǒng)引入大數(shù)據(jù)分析、互動教學(xué)平臺、電子顯微鏡、數(shù)字化實驗與思維導(dǎo)圖等信息技術(shù)手段，并深人剖析了如何借助技術(shù)優(yōu)化方案，促進(jìn)學(xué)生思維提升，最終形成解決真實問題的結(jié)構(gòu)化能力模型，為初中化學(xué)教學(xué)中深度融合信息技術(shù)、有效落實核心素養(yǎng)提供了可操作、可推廣的實施路徑。

一、跨學(xué)科實踐主題解析與活動設(shè)計

“色彩中的化學(xué)”項目以從廢鐵中提取氧化鐵紅為核心任務(wù)，其主題高度契合“垃圾的分類和回收利用”這一跨學(xué)科實踐活動要求。項目所涉核心知識緊密圍繞“金屬的性質(zhì)”與“應(yīng)用廣泛的酸、堿、鹽”等內(nèi)容，旨在引導(dǎo)學(xué)生深刻建構(gòu)“組成決定性質(zhì)、性質(zhì)決定應(yīng)用”以及“在特定條件下通過化學(xué)反應(yīng)可實現(xiàn)物質(zhì)轉(zhuǎn)化”的化學(xué)觀念，并著力發(fā)展“證據(jù)推理”與“模型認(rèn)知”等關(guān)鍵科學(xué)思維[3]。本項目內(nèi)容橫跨學(xué)科學(xué)習(xí)、日常生活、科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)等多個領(lǐng)域，對于指導(dǎo)學(xué)生科學(xué)認(rèn)知含鐵物質(zhì)、合理利用金屬資源、掌握化學(xué)方法實現(xiàn)垃圾資源化利用具有重要的教育教學(xué)意義。

（一）基于深度學(xué)情分析的目標(biāo)體系構(gòu)建

本項目面向初三學(xué)生，教學(xué)目標(biāo)體系涵蓋學(xué)科知識掌握、學(xué)科能力提升、科學(xué)思維與方法培養(yǎng)、社會責(zé)任感增強(qiáng)以及多學(xué)科融合解決真實問題能力塑造等多個維度。學(xué)生的知識儲備與能力基礎(chǔ)主要源于經(jīng)驗，因此，項目設(shè)計的首要前提是精準(zhǔn)把握學(xué)生的知識起點(diǎn)、發(fā)展需求、潛在學(xué)習(xí)障礙及相應(yīng)的教學(xué)支持策略。在充分研讀課標(biāo)、分析教材、深度診斷學(xué)情的基礎(chǔ)上，確立如下教學(xué)目標(biāo)（見表1）。

（二）錨定真實問題的實踐活動設(shè)計框架

跨學(xué)科實踐活動的設(shè)計遵循以下原則：一是學(xué)生主體性，即鼓勵學(xué)生從生活經(jīng)驗中主動發(fā)現(xiàn)問題、提出問題，并全身心投人實踐；二是情境真實性，即活動必須來源于真實的問題情境，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)對未來復(fù)雜不確定性的能力；三是學(xué)科中心性，即活動的終極目標(biāo)是提升學(xué)生解決問題的能力，最終指向?qū)W科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成；四是評價過程性，即在活動全程嵌入基于學(xué)生實際表現(xiàn)的及時性評價，精準(zhǔn)指導(dǎo)其達(dá)成學(xué)業(yè)目標(biāo)。

表1學(xué)情分析、教學(xué)策略與融合目標(biāo)

學(xué)科思維品質(zhì)的提升。

二、信息技術(shù)深度融入跨學(xué)科實踐的實施路徑分析

（一）大數(shù)據(jù)統(tǒng)計：賦能調(diào)查研究與主題聚焦

大數(shù)據(jù)作為新型生產(chǎn)要素與戰(zhàn)略資源，能夠全景式展現(xiàn)、精準(zhǔn)預(yù)測并智慧驅(qū)動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。當(dāng)前，信息技術(shù)與經(jīng)濟(jì)社會的深度融合催生了數(shù)據(jù)的爆發(fā)性增長，數(shù)據(jù)已成為國家基礎(chǔ)性戰(zhàn)略資源。國家統(tǒng)計局已將大數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于政府統(tǒng)計工作中。在教學(xué)領(lǐng)域，引導(dǎo)學(xué)生利用大數(shù)據(jù)開展調(diào)查研究，是提升其信息素養(yǎng)與數(shù)據(jù)分析能力的有效途徑。下面以“項目引發(fā)”階段的任務(wù)為例，介紹具體活動過程。

依據(jù)學(xué)科融合目標(biāo)與化學(xué)核心知識圖譜，本項目采用項目式學(xué)習(xí)（PBL）模式展開，其實施流程如圖1所示。

圖1“色彩中的化學(xué)”跨學(xué)科實踐活動流程

【驅(qū)動問題】廢鐵回收具有哪些重要的社會意義？

【學(xué)生活動】匯報調(diào)查研究成果：（1）展示

2016—2022年中國廢鐵回收總量與回收價值數(shù)據(jù)，并運(yùn)用圖表進(jìn)行可視化呈現(xiàn)；（2）闡述回收廢鐵的主要應(yīng)用途徑，如再生鐵冶煉、顏料制備、花卉肥料生產(chǎn)等。

【深化問題】含鐵礦物顏料與普通化學(xué)合成顏料在性能上有何本質(zhì)區(qū)別？

【學(xué)生活動】觀察敦煌壁畫色彩現(xiàn)狀（如圖2），結(jié)合拉曼光譜技術(shù)對古代紅色顏料成分的精準(zhǔn)分析結(jié)果（如圖3），探討顏料色彩持久穩(wěn)定性關(guān)鍵因素，從而明確活動主題一“色彩中的化學(xué)”，并確定核

在任務(wù)實施的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，信息技術(shù)在數(shù)據(jù)解析、原理探究、現(xiàn)象預(yù)測、模型構(gòu)建等方面發(fā)揮了核心支撐作用，顯著提高了問題解決的效率與心研究路徑：從廢鐵中提取氧化鐵并制備高性能紅色顏料。

【教學(xué)價值分析】學(xué)生通過權(quán)威政府機(jī)構(gòu)發(fā)布的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，深人洞悉了廢鐵回收的宏觀社會價值，不僅體現(xiàn)了調(diào)查研究的科學(xué)性與嚴(yán)謹(jǐn)性，更有效指導(dǎo)了學(xué)生如何高效利用公共數(shù)據(jù)資源，為項目主題的確立提供了堅實的數(shù)據(jù)支撐。

圖2敦煌壁畫色彩現(xiàn)狀

圖3敦煌壁畫色彩分析

（二）互動教學(xué)平臺：支撐方案協(xié)同設(shè)計與動態(tài)優(yōu)化

互動教學(xué)平臺以學(xué)習(xí)者為中心，通過線上交互構(gòu)建數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境，有效拓展課堂教學(xué)時空。該平臺支持網(wǎng)絡(luò)化、交互化、富媒體化的教學(xué)方式，有力推動教學(xué)模式的創(chuàng)新。在成分分析環(huán)節(jié)，教師利用希沃白板的手機(jī)投屏功能，將關(guān)鍵實驗現(xiàn)象實時同步至大屏幕，便于全班各小組進(jìn)行即時觀察與對比分析。在流程設(shè)計環(huán)節(jié)，教師利用交互式電子白板的拍照上傳功能，快速匯集各小組初步設(shè)計的工藝流程方案，便于集中展示、深人研討與多維評價。

【核心任務(wù)】暖貼廢渣來源廣泛、顆粒細(xì)小，是提取氧化鐵紅顏料的理想原料。其主要成分為氧化鐵、炭粉、蛭石、氯化鈉及少量未反應(yīng)的鐵粉等。由于炭粉等黑色物質(zhì)具有強(qiáng)遮蓋性，需有效去除方能獲得色彩純正的紅顏料。請結(jié)合資料，設(shè)計一條從該廢渣中高效提取氧化鐵的工藝流程，并進(jìn)行規(guī)范表達(dá)。

【學(xué)生活動】小組協(xié)作討論，初步設(shè)計氧化鐵提純工藝路線；展示設(shè)計方案并闡述設(shè)計思路；開展方案互評與自評，聚焦合理性、可行性與效率；基于反饋持續(xù)優(yōu)化流程。最終形成的優(yōu)化方案如圖4所示。

圖4優(yōu)化后的氧化鐵提取工藝流程方案

【知識結(jié)構(gòu)化任務(wù)】結(jié)合資料信息，在鐵元素的價類二維圖上清晰標(biāo)注本工藝流程所涉及的含鐵物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。

【學(xué)生活動】完成知識網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建（如圖5）。

鐵元素化合價

圖5學(xué)生在價類二維圖中建構(gòu)的含鐵物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

【教學(xué)價值分析】學(xué)生基于物質(zhì)性質(zhì)與變化規(guī)律自主設(shè)計工藝流程，并將復(fù)雜的含鐵物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表征，顯著提升了實驗探究的系統(tǒng)性與深度，深化了對學(xué)科核心概念的理解。在此過程中，教師扮演引導(dǎo)者與協(xié)調(diào)者角色，精準(zhǔn)調(diào)控交流節(jié)奏，及時點(diǎn)撥疑難問題，促進(jìn)學(xué)生開展高效互動；學(xué)生則依托學(xué)科經(jīng)驗與實驗證據(jù)，開展協(xié)作設(shè)計、清晰表達(dá)、深度互評與反思改進(jìn)，提升了對核心知識、工程設(shè)計原則與問題解決策略的認(rèn)知水平。

（三）電鏡技術(shù)：實現(xiàn)宏微結(jié)合的現(xiàn)象解析

電子顯微鏡憑借其超高分辨率優(yōu)勢，可將微觀世界清晰呈現(xiàn)，并實時傳輸圖像至計算機(jī)進(jìn)行分析。將電鏡技術(shù)引人跨學(xué)科實踐，能將肉眼不可見的微觀現(xiàn)象直觀放大呈現(xiàn)，使原本依賴抽象推理的問題可視化，大幅提升探究結(jié)論的科學(xué)性與說服力。

以“條件控制研究”任務(wù)中沉淀劑優(yōu)選環(huán)節(jié)為例：

【探究問題】沉鐵過程中可選用哪些物質(zhì)將Fe³⁺ 轉(zhuǎn)化為 Fe（OH）₃ 沉淀？哪種沉淀劑在實際操作中效果更佳？

【學(xué)生活動】理論分析常見沉淀劑：氫氧化鈉溶液、石灰乳、氨水等；分組進(jìn)行對照實驗：向等質(zhì)量、等濃度的氯化鐵溶液中分別定量加入上述沉淀劑，詳細(xì)觀察并記錄實驗現(xiàn)象（見表2）。

表2不同沉淀劑沉鐵效果對比實驗現(xiàn)象記錄

【深化問題】為何使用NaOH溶液沉鐵后未能獲得預(yù)期沉淀？

【學(xué)生探究活動】利用顯微鏡（或電鏡圖像）觀察濾紙纖維結(jié)構(gòu)及可能的細(xì)微殘留物，分析推斷原因可能是生成的氫氧化鐵膠體顆粒直徑小于濾紙孔隙；結(jié)合溶解性數(shù)據(jù)表，分析石灰乳沉鐵所得濾渣色淺量大的原因：石灰乳引入的 Ca²⁺ 可能生成硫酸鈣沉淀混雜其中，導(dǎo)致氫氧化鐵純度下降。

【學(xué)生結(jié)論】在當(dāng)前實驗條件下，氨水作為沉淀劑效果最優(yōu)。

【教學(xué)價值分析】學(xué)生通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶嶒炋骄颗c基于證據(jù)的分析反思，融合運(yùn)用物理（過濾原理及顯微觀察）與化學(xué)（物質(zhì)性質(zhì)及反應(yīng)原理）知識解決問題，有效培養(yǎng)了注重實證、嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度。宏微結(jié)合的觀察與分析方式，使學(xué)生深刻理解了過濾機(jī)制的本質(zhì)，并能科學(xué)解釋相關(guān)實驗現(xiàn)象。

（四）數(shù)字化實驗：實現(xiàn)精準(zhǔn)的條件控制研究

相較于傳統(tǒng)定量實驗手段，數(shù)字化實驗具有快速響應(yīng)、高精度測量、動態(tài)過程可視化等顯著優(yōu)勢。傳感器可靈活調(diào)整采集頻率，數(shù)據(jù)經(jīng)由計算機(jī)輔助處理，并以曲線圖形呈現(xiàn)，顯著降低了數(shù)據(jù)分析的認(rèn)知負(fù)荷。

以“條件控制研究”任務(wù)中沉淀pH窗口的確定為例：

【工業(yè)情境問題】文獻(xiàn)指出，蛭石雖不與硫酸發(fā)生顯著反應(yīng)，但在酸性浸出過程中會溶出少量 Mg²⁺ ，、 Al³⁺ 等離子[4。后續(xù)加人堿液沉淀鐵離子時，氫氧化鎂與氫氧化鋁可能同步沉淀，導(dǎo)致產(chǎn)品純度下降。如何精準(zhǔn)控制 pH ，確保 Fe³⁺ 完全沉淀而 Mg²⁺ 、 Al³⁺ 不沉淀？

【教師演示實驗】向硫酸鎂、硫酸鋁、硫酸鐵溶液中分別滴加氫氧化鈉溶液，使用磁力攪拌器確保混合均勻，pH傳感器實時監(jiān)測并記錄溶液pH變化過程（如圖6）。

圖6 不同金屬離子沉淀過程中pH變化曲線

【學(xué)生活動】結(jié)合實驗獲取的pH變化曲線進(jìn)行討論，得出結(jié)論：沉淀過程應(yīng)將pH嚴(yán)格控制在 3.3～3.6 ，可確保 Fe³⁺ 近乎完全沉淀，同時有效抑制 Mg²⁺ 和 Al³⁺ 沉淀的發(fā)生。

【教學(xué)價值分析】pH的精確調(diào)控是工業(yè)生產(chǎn)中的核心技術(shù)環(huán)節(jié)，對初中學(xué)生而言理解難度較大。為讓學(xué)生更真切地體會工業(yè)過程的控制原理，教師需要引導(dǎo)他們從直觀的實驗證據(jù)中歸納規(guī)律。實驗中磁力攪拌確保了反應(yīng)的均質(zhì)化，pH傳感器動態(tài)捕捉數(shù)據(jù)并形成變化曲線，清晰揭示了不同金屬離子沉淀的pH范圍差異。教師引導(dǎo)學(xué)生依據(jù)數(shù)據(jù)證據(jù)進(jìn)行推理，有效提升了其科學(xué)探究能力，并深化了“變化觀念與平衡思想”的學(xué)科素養(yǎng)。

（五）思維導(dǎo)圖：促進(jìn)科學(xué)方法的提煉與結(jié)構(gòu)化

思維導(dǎo)圖作為知識可視化的有效工具，其繪制方法主要包括手繪法、專業(yè)軟件繪制法（如MindManager、XMind和FreeMind）以及在線工具繪制法。表達(dá)形式涵蓋層次式、樹狀式和魚骨圖等。手繪法靈活但修改不便；軟件繪制法邏輯嚴(yán)謹(jǐn)、易于修改，但個性化表達(dá)相對受限。在項目總結(jié)與反思階段，鼓勵學(xué)生自主選擇繪制方式，對跨學(xué)科實踐活動過程中積累的經(jīng)驗、習(xí)得的方法、形成的認(rèn)知進(jìn)行系統(tǒng)性梳理與結(jié)構(gòu)化提煉，最終以思維導(dǎo)圖的形式呈現(xiàn)。這一過程有效促進(jìn)了知識的內(nèi)化、方法的遷移與學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

三、實踐反思與教學(xué)啟示

（一）踐行“教一學(xué)一評”一體化，全程嵌入表現(xiàn)性評價

素養(yǎng)導(dǎo)向的教學(xué)評價重心已從單純的知識記憶轉(zhuǎn)向真實情境中的知識遷移應(yīng)用與跨學(xué)科融合能力。素養(yǎng)為本的化學(xué)評價原則強(qiáng)調(diào)“以真實情境為測試載體，以實際問題為測試任務(wù)，以化學(xué)知識為解決問題的核心工具”[5]。因此，教師必須高度重視“教一學(xué)一評”的一致性，將表現(xiàn)性評價貫穿教學(xué)活動始終，通過量化或質(zhì)性記錄課堂關(guān)鍵表現(xiàn)，持續(xù)優(yōu)化教學(xué)設(shè)計，并促進(jìn)師生、生生之間圍繞目標(biāo)達(dá)成的高效反饋與交流。

（二）堅守學(xué)生中心立場，深化全程互動對話

跨學(xué)科實踐活動的本質(zhì)是以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)歷程。教師的主要職責(zé)在于搭建學(xué)習(xí)平臺、設(shè)計驅(qū)動性問題鏈、提供必要的資源支持與適時引導(dǎo)，從而促進(jìn)學(xué)生圍繞真實情境開展深度學(xué)習(xí)、基于復(fù)雜問題解決進(jìn)行深度協(xié)作、依托實驗探究實施深度評價[。例如，在流程設(shè)計環(huán)節(jié)，學(xué)生通過組內(nèi)頭腦風(fēng)暴、方案公開展示、組間批判性質(zhì)詢與互評，展開了多類型、多層次的交互對話，顯著提升了對核心知識本質(zhì)、工程優(yōu)化原則及問題解決策略的認(rèn)知水平。教師則作為協(xié)調(diào)者，精準(zhǔn)把握交流節(jié)奏，聚焦關(guān)鍵分歧點(diǎn)進(jìn)行引導(dǎo)，處理疑難問題，確保互動對話高效、深人、富有建設(shè)性。例如，針對價類二維圖和pH變化曲線等有一定難度的內(nèi)容，教師給予更具體的講解和指引。

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（作者系江蘇省蘇州文昌實驗中學(xué)校教師）

責(zé)任編輯：祝元志