面向高階思維培養的跨學科項目化教學微流控芯片的制作及應用

中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

世界經濟合作與發展組織（OECD）在“學習框架2030”（LearningFramework2030）中將批判性思維、創造性思維、問題解決思維等視為高階思維類屬[1]。高階思維是發生較高認知水平上的心智活動或較高層次的認知能力[2]，是核心素養的關鍵要素。高階思維的培養不是一蹴而就的，一般在系統要素、迭代優化、問題識別、數據量化、溯因推理、實驗設計、證據收集等思維基礎上發展，它們是通往高階思維的“鑰匙”[3]

學生思維從基礎到高階的發展是以具體學科為橋梁逐步通達的。集開放性、綜合性、實踐性于一身的跨學科項目化教學恰好滿足思維的生長條件，可為高階思維的發展搭建手腳架。跨學科項目化教學使學習者親歷科學發生的真實場景，基礎思維方式在活動中排列組合、進階分化出科學建模、科學推理、科學論證三個維度，它們共同構成了科學高階思維[4，科學高階思維在思維實踐中進一步發展為高階思維。結合化學核心素養導向下的學科育人理念，提出高階思維培養的實踐新路徑：以跨學科實踐活動為抓手培養基礎思維，圍繞化學建模思維、化學推理思維、化學論證思維三個維度螺旋進階為高階思維。

1跨學科項目內容分析

1.1 微流控芯片

早在20世紀60年代，JCE上就出現了關于微型技術的研究[5]，但直到20世紀80年代，人們的目光才真正開始聚焦在微型化學實驗上[。1990年，曼茲和威德默首次提出“芯片實驗室（lab-on-a-chip）\"的概念，將化學實驗的多個功能單元微型化，把基本操作集成在一個小至幾平方厘米的芯片上，用以完成多種類型反應的分析[7]。發展至今，用于專業領域的微流控芯片一般由上、下兩層片基組成，上層片基由二甲基硅氧烷（PDMS）固化劑（鉑金催化劑）以 10：1 配比調和而成，將其澆筑入陽模①后經歷真空泵消泡、恒溫箱干燥成型，下層片基多選擇載玻片，借助等離子鍵合儀將兩層片基鍵合密封后即可投入使用。近些年將微流控芯片投入教育領域的例子屢見不鮮，但由于陽模對光刻技術的依賴使其多出現于大學生實驗課程，很少被用于中學化學教學。本項目為了確保高中生在短時間內制作成功，將其結構簡化為圖1（a）所示，用3D打印制作陽模，對于沒有3D打印機的學校也可利用鋁絲、亞克力珠、移液器吸頭手工制作陽模，如圖1（b）所示，利用鋁箔紙在四周制成圍欄再進行澆筑，大大降低制作成本。

圖1微流控芯片陽模設計圖

1.2跨學科項目內容及高階思維分析

化學計量知識是有關化學方程式計算的基礎性內容，教師應該不斷設計實驗來強化其概念，以便學生能夠從實踐的角度更好地理解[8]。實驗可以選擇生成沉淀、氣體或顏色發生變化的反應。沉淀反應對沉淀物量化很耗時；顏色變化的反應通常需要使用分光光度計來完成，增加了實驗成本；有氣體生成的反應可以采用排水法測量體積[\"，但是需要產生大量氣體，并且經常會遇到一些有毒氣體（如二氧化硫、氨氣等）。微流控芯片適用于小劑量反應，并且能夠實現氣體的可視化與定量測量，將其應用于碳酸氫鈉和醋酸的反應，可以實現化學計量概念的強化。此外，硫代硫酸鈉與稀硫酸反應是高中化學探究化學反應速率影響因素的典型實驗，其產物二氧化硫有毒，確定計時終點所用的“十字標記法”雖操作簡單，但主觀性較強、易受光照條件的干擾，將微流控芯片應用于該實驗，當二氧化硫體積不再變化時立即停正計時，可大大提高測量的精確度。

微流控芯片承載的多學科視角、現代化技術和結構化知識，可以實現單一學科無法實現的復雜目的。它的制作是一個精益求精的過程，化學建模思維在陽模設計、上下片基粘合方案的持續優化中得到發展；卡尺的計量校準要求方法科學、思維嚴謹，化學推理思維始終活躍在刻度標識、不確定度計算的全過程；實驗探究任務以碳酸氫鈉和醋酸的反應驗證“化學計量數之比等于物質的量之比”，以硫代硫酸鈉和稀硫酸的反應探究化學反應速率的影響因素，化學論證思維在話語論證、科學尋證中得以完善。每項任務除了占主導地位的思維，也離不開其他思維的輔助作用，創造性、批判性、問題解決等高階思維在三個維度的相輔相成中得以養成。結合前文的高階思維培養的實踐路徑，將本項目化教學結構設計如圖2所示。

圖2“微流控芯片的制作及應用”項目化教學結構

2跨學科項目化教學目標

本項目安排在人教版化學必修一第三章結束之后，此前學生已經熟悉物質的量等化學計量概念，并能利用它們之間的關系進行簡單計算，已經知道不同的化學反應在不同條件下的反應速率不同，依據新課標制訂教學目標如下：

（1）能根據實驗特點合理布局微流控芯片的微通道，能在合作交流中反思優化設計方案，能根據材料設計簡單實驗確定上下片基粘合方案，能通過化學建模思維實踐發展批判性思維、創造性思維、問題解決思維。

（2）能從提供信息中獲得解決問題的方法并能進行遷移運用，會收集、整理、分析數據，并能根據數據概括出一般性結論，能通過化學推理思維實踐發展批判性思維、問題解決思維。

（3）能運用物質的量、摩爾質量、氣體摩爾體積、物質的量濃度之間的相互關系進行較為復雜的計算，能運用控制變量法設計并實施實驗，能根據實驗現象和數據得出合理結論，能通過化學論證思維實踐發展批判性思維、問題解決思維。

3項目實施主要過程及學習成果

3.1 設計制作

[問題1]回顧此前利用物質的量及相關概念計算化學反應產生沉淀、氣體的量，思考如何將它們在化學實驗中直觀顯示出來？

[學生]沉淀通過過濾、洗滌、干燥、稱量來確定質量，氣體則需要收集起來測定體積。

［過渡]對沉淀定量很耗時，收集大量氣體又很浪費試劑，有時甚至會遇到有毒氣體。走在技術最前沿的微流控芯片能以最少的反應物獲取氣體，同時實現氣體的定量測量。

[創設情境]播放視頻“微流控芯片在癌癥檢測中的最新進展”，簡單介紹微流控芯片的結構、制作材料及方法，說明本項目需借助微流控芯片，以碳酸氫鈉和醋酸反應驗證“化學計量數之比等于物質的量之比”，以硫代硫酸鈉和稀硫酸反應探究化學反應速率的影響因素。

[問題2]第一個驗證實驗需要氣體的定量測量，如何布局進樣口、微通道、反應腔方便測量生成氣體？

[活動1]設計微流控芯片陽模，收集代表性作品如圖3所示。

YL WP[問題3］這些方案中哪一種最適合碳酸氫鈉和醋酸呢？[活動2]小組討論確定最優方案，并進行3D打印。

[小組匯報]匯報陽模設計存在的問題、迭代優化及操作說明（見表1）。

表1設計存在的問題、迭代優化及操作說明

[問題4]沒有等離子鍵合儀，怎樣實現上、下層片基的粘合呢？

[學生]在載玻片上滴水密封；用透明膠把上下兩層片基粘起來；用雙面膠把它們粘起來；厚度 2mm 的納米雙面膠可以直接作為下層片基等。

[活動3]微流控芯片制作：利用PDMS制作上層片基，優化上、下層片基粘合方案（見表2）。

表2優化上、下層片基粘合方案

[成品展示]最終制得成品如圖4所示。實驗結束后可以將上、下層兩層片基撕開用水沖洗干凈，上層片基可循環使用，下層片基需要重新粘貼納米雙面膠，兩層片基粘合后即可再次使用。

圖4微流控芯片成品

思維進階分析：通過系統要素思維綜合考慮碳酸氫鈉與醋酸在微流控芯片中的反應過程，對進樣口、反應腔、微通道進行布局，通過分析陽模設計、上下層片基粘合優缺點，對方案進行迭代優化。通過化學建模思維實踐使批判性思維、問題解決思維、創造性思維得以生長。

3.2 計量校準

[問題1]假設碳酸氫鈉和醋酸反應得到 50μL 的二氧化碳，如何測量氣體？

[學生]可以將氣體用移液器推入蛇形微通道測量其長度。

[問題2]直尺可以實現體積的測量嗎？有更好的辦法嗎？

[學生]做一把尺子，刻度線借助移液器在蛇形微通道中注人固定體積的水來確定。移液器量程可以選擇 25μL ，那么卡尺的1刻度即為 25μL

[活動1]為了增強視覺效果，在水中加入紅色素，制作透明卡尺（見圖5）。

[問題3]如何盡可能地減小注入液體體積的誤差？

[學生]多制作幾張卡尺，對度量蛇形微通道的刻度進行計量校準。

[活動2]參考資料卡片，小組討論：如何校準透明卡尺的刻度線。

[資料卡片]測量刻度線的不確定度（uncertainty）是將多個自制卡尺重疊，測量某個表示同一數值的刻度線的寬度，這個寬度即為這一刻度線的不確定度，不確定度都是相似的；相對不確定度是不確定度對應的體積占測量體積的百分比，即用不確定度對應體積除以測量體積[]

[小組匯報]用相同方法制作三張透明卡尺。計量校準可分為三步：第一步將三張透明卡尺重疊放置；第二步選擇四條紅線刻度（ 50μL， 100μL ， 150μL 、200μL ）作為校準刻度，用直尺量取這四條刻度的寬度；第三步四條刻度寬度的平均值即為卡尺刻度的不確定度。經計算卡尺不確定度約為 0.22cm 。

[問題4]怎樣計算不確定度 0.22cm 所對應的體積呢？

[學生]還需要通過測量 25μL 增量的長度（除去彎道部分），計算單位長度對應的體積。

[活動3]測量相鄰 25μL 的長度，計算單位長度的體積。

［小組匯報]平均長度為 2.03cm ，則單位長度的體積約為 12.32μL/cm ，因此， 0.22cm 的不確定度所對應的體積為 2.71μL 。

[活動4]試著計算相對不確定度，并思考其意義。

[小組匯報] 25μL 體積的相對不確定度為 10.84% 50μL 體積的相對不確定度約為 5.42% ， 75μL 體積的相對不確定度約為 3.61% 100uL 體積的相對不確定度約為 2.71% …可見，測量體積越大，相對不確定度越小。說明要盡可能將卡尺應用于較大體積氣體的測量。

思維進階分析：學生通過思考一系列環環相扣的問題，溯因推理出自制透明卡尺定量測量氣體的方案；通過問題識別思維從資料卡片信息中獲得用不確定度計量校準的方法；借助數據量化思維計算不確定度、相對不確定度，并根據數據推理得到“將卡尺應用于較大體積氣體的測量”的結論。通過化學推理思維實踐促進批判性思維、問題解決思維的發展。

3.3 實驗探究

[問題1]已知生成二氧化碳是 50μL ，請計算需要0.1molL 相同濃度的碳酸氫鈉、醋酸溶液的體積是多少（為防止生成的二氧化碳溶于水，碳酸氫鈉和醋酸均使用市售蘇打水配制）？

[活動1]計算實驗需要碳酸氫鈉、醋酸溶液的體積。

[小組匯報]可以利用理想氣體狀態方程 PV=nRT 計算得到二氧化碳的物質的量是 2.06×10^-6mol ，那么需要碳酸氫鈉、醋酸的物質的量也各是 2.06×10^-6mol 通過 計算出需要碳酸氫鈉 醋酸溶液的體積均約為 22μL 。

[問題2]計算是基于“化學計量數之比等于物質的量之比”，那么我們能否用實驗來驗證這個結論呢？

[活動2]設計實驗并驗證“化學計量數之比等于物質的量之比”。

[小組匯報]實驗方案、現象、結論如表4所示。

表4實驗驗證“化學計量數之比等于物質的量之比”

[問題3]硫代硫酸鈉和稀硫酸反應也會產生氣體，能用來驗證“化學計量數之比等于物質的量之比”嗎？

[活動3]實驗探究 44μL 0.νmol/L 硫代硫酸鈉與等濃度的稀硫酸反應，并匯報實驗現象（見圖6）。

[問題4]理論上應該產生約 100μL 二氧化硫，為什么實際遠小于 100μL 呢？

[學生]因為二氧化硫易溶于水。

[問題5]溶液怎么變成乳白色了呢？為什么變色如此緩慢呢？

［學生］計算該反應約生成 1.41×10^-4g 硫單質，由于量少，顯示乳白色而不是淡黃色；變色緩慢說明反應速率比較慢。

[問題6]試猜想化學反應速率的影響因素有哪些？

[學生]濃度、溫度、催化劑等。

[問題7]如何利用硫代硫酸鈉、稀硫酸探究化學反應速率的影響因素呢？

[活動4]利用 0.1mol?Ω ！ 0.2mol/L 的硫代硫酸鈉和稀硫酸設計實驗探究化學反應速率的影響因素。

[小組匯報]微流控芯片中充滿 0.1mol?L 的一種反應物溶液條件下，加人 22μL 不同濃度的另一種溶液，探究不同溫度下的反應時間（見表5），分析數據發現硫代硫酸鈉和稀硫酸的反應速率隨反應物濃度的增大而增大，隨溫度的升高而增大。

表5不同濃度硫代硫酸鈉、稀硫酸在不同溫度下的反應時間

[問題8]對比不同濃度稀硫酸在不同溫度下的反應時間還能發現什么？

[學生]與硫代硫酸鈉的濃度提升一倍相比，將稀硫酸的濃度提升一倍，其反應時間變化不大。說明改變不同反應物濃度對化學反應速率的影響程度不同。

思維進階分析：通過生成的二氧化碳的體積溯因推理反應所需碳酸氫鈉與醋酸溶液的體積；運用實驗設計思維設計小組實驗；利用證據收集思維為驗證“化學計量數之比等于物質的量之比”、探究化學反應速率的影響因素尋求證據支持；通過比較分析對實驗現象、結果作出合理的解釋，等等。學生在上述的化學論證思維實踐中問題解決思維、批判性思維得以發展。

4 項目教學反思

本項目以微流控芯片為載體，通過設計制作、計量校準、實驗探究三大任務，有效融合化學、數學、工程等學科知識，為高階思維的培養提供了實踐場景。從實施效果看，通過任務驅動的活動設計，學生的思維實現了從基礎思維到高階思維的過渡。例如，在優化陽模設計時，學生運用系統要素思維兼顧化學反應的特性與結構布局的可行性，體現的是創造性思維與批判性思維的逐步完善；在計量校準環節，學生通過溯因推理思維提出透明卡尺方案，通過數據量化思維推導出“測量較大體積氣體可降低相對不確定度”的結論，體現了批判性思維與問題解決思維的螺旋式發展；在實驗探究時，學生通過證據收集發現控制稀硫酸濃度不變，將硫代硫酸鈉濃度提升1倍，反應時間縮短近1.7倍，控制硫代硫酸鈉濃度不變，稀硫酸濃度提升1倍，反應時間縮短的幅度遠小于改變硫代硫酸鈉濃度帶來的影響，從而溯因推理出“改變不同反應物濃度對化學反應速率的影響程度不同”的結論，體現的是創造性思維、批判性思維與問題解決思維的協同作用。

微流控芯片的綠色化、可視化、跨學科等特性使其在教育領域中有巨大的開發潛力，除了將其應用于碳酸氫鈉和醋酸、硫代硫酸鈉和稀鹽酸的反應外，還可考慮將其應用于其他顏色變化、沉淀生成等研究化學反應機理的實驗教學，具體實施有待一線教育工作者們進一步探討。

參考文獻：

[1］Organization for Economic Cooperation and Development（OECD）. The future ofeducation and skills：Education 2030[Z].OECD Education Working Papers，2018.

［2］鐘志賢．促進學習者高階思維發展的教學設計假設[J]．電化教育研究，2004，（12）：21～28.

［3］詹澤慧，李通德．科學高階思維的本質探尋與分層解構[J].遠程教育雜志，2024，42（3）：41～51.

［4］王晶瑩，周丹華，楊洋等．科學高階思維：內涵價值、結構功能與實踐進路[J]．現代遠距離教育，2023，（2）：11～18.

[5]Rhodes R P.High pressure techniques for microscalereactions[J].J.Chem.Educ.，1963，40（8）：423～424.

[6]DuarteRC，RibeiroMGT，amp;MachadoAAS.Reactionscaleand green chemistry：Microscale or macroscale，which isgreener[J].J.Chem.Educ.，2017，94（9）：1255～1264.

[7]Manz A，GraberN，WidmerHM.Miniaturized total chemical

［10］喻俊，葉佩佩．滬科版化學新教材“項目學習活動”的實踐探索——以“如何測定氣體摩爾體積\"為例[J]．化學教學，2025，（1）：32～37，43.

[11]VeltriLM，LAHolland.MicrofluidicsforPersonalizedReactions to Demonstrate Stoichiometry [J].J.Chem．Educ.，2020，97（4）：1035～1040.