基于創新能力培養的初中化學跨學科實踐活動開發研究

0 引言

《義務教育化學課程標準（2022年版）》提出，教師應注重基于核心素養來理解課程內容體系，合理組織化學教學內容，積極開展科學探究與實踐活動；在課程資源開發與利用方面，要建設和利用社會教育資源，加強與相關企業的聯系，協同設計和實施有特色的化學主題實踐活動[1]。

基于此，教學團隊借助淮鹽這一地方特色產業，通過巧妙整合豐富素材，開發和實施一項基于創新能力培養的初中化學跨學科實踐活動，使學生深刻認識化學與生活之間千絲萬縷的聯系，幫助學生樹立“化學源于生活、高于生活、服務于生活”的觀念[2]。

1跨學科實踐活動目標

教學團隊秉持發展學生化學學科核心素養的理念，帶領學生走進當地制鹽企業學習、探究，通過設計驅動性問題，引導學生認識化學學科的重要價值，力求在師生互動過程中切實鍛煉學生的創新思維，培養他們的實踐、創新素養[1，3]。

跨學科實踐活動將課程內容前后章節的知識緊密糅合。教學團隊通過創設真實問題情境，將課程目標貫穿跨學科實踐活動，凸顯學生的主體地位。重視啟發式、互動式、探究式教學，倡導學生“做中學、用中學、創中學”，開展以化學實驗為主，跨學科的、具有核心素養導向的多樣化探究教學[14]，促進學生核心素養的融合發展，使學生從整體上認識化學學科。

2跨學科實踐活動設計

1）設計和開展具有挑戰性的實踐任務，充分利用社會資源，促進校內外聯動。教學團隊以帶領學生參觀江蘇蘇鹽井神股份有限公司為先導，繼而展開教學任務，注重將問題解決線、知識邏輯線、素養發展線緊密結合，設計了“粗鹽提純實驗”跨學科實踐活動的內容和流程，見表1所示。

2）在跨學科實踐活動參觀地點方面，教學團隊選擇了地方特色企業江蘇蘇鹽井神股份有限公司，該公司本部位于淮安，是全國食鹽定點生產企業。在周邊眾多鹽礦中，蔣南鹽礦是該公司的自備礦山，作為接替礦源而建設，一般采用鉆井水溶法開采鹽礦（圖1）。教師團隊帶領學生參觀工廠采礦和制鹽的過程，并引導學生結合已有的化學知識解釋鹽場制鹽所運用的基本原理，就地獲取粗鹽提純實驗的核心原料。

表1“粗鹽提純實驗”跨學科實踐活動內容和流程

圖1鉆井水溶法開采工藝流程圖

3跨學科實踐活動實施

3.1粗鹽的初步提純實驗設計

【教師】閱讀以下材料，結合所學設計實驗方案。

1）蔣南鹽礦的石鹽礦石中礦物組成比較復雜，可見的礦物組分有可溶性鹽類礦物、難溶性礦物硬石膏和不溶性泥質、粉砂質等碎屑物。可溶性鹽類礦物以石鹽為主，其次為鈣芒硝、無水芒硝。不溶性礦物有石英、白云石、方解石、黏土礦物等。石鹽礦石的化學組成主要有NaCl、 CaS0₄ 、 MgS0₄. CaCl₂. ， MgCl₂ ， Na₂S0₄ 等。主要工業鹽群石鹽礦石中NaC1的平均含量為 46.72%～56.39% ，含量均勻。

2）鋇餐造影，即上消化道鋇餐造影檢查，是一種常見的影像學檢查方法。它利用硫酸鋇作為顯影劑，受檢者吞食糊狀硫酸鋇后，通過X線照射，醫生可以清晰觀察受檢者消化器官的情況，進行疾病診斷。硫酸鋇難溶于水和脂質，不會被人體吸收，因此對人體基本無毒性。

3）在實驗室制備二氧化碳實驗中，不使用稀硫酸與大理石或石灰石反應來制取二氧化碳。因為稀硫酸與碳酸鈣反應會生成微溶物硫酸鈣并覆蓋在反應物表面，阻止反應的進一步進行。

閱讀以上材料后，教師請學生以 3～5 人為一個小組，結合鹽的溶解性有關知識，利用課后時間嘗試自行設計實驗方案，選擇合適的試劑除去粗鹽中的雜質，尤其注意所加除雜試劑的先后順序對除雜效果的影響。請各小組學生展示自主設計的實驗方案并展開充分討論，判斷各方案中雜質是否成功除去，還有哪些雜質未除去，并填寫表格。已填寫樣表如表2所示。

【設計意圖】通過給出的參考資料，請學生合理進行知識遷移，發揮學生的創新思維。將“二氧化碳的制取與性質”“物質的溶解性”“常見的酸和堿”等章的內容有機組織起來，強化學生對化學學科的整體性認識。在學生學習粗鹽提純所加試劑先后順序時，給予學生足夠的自由度去探索和理解這一知識點，結合蔣南鹽礦的實際情況進行分析，讓他們經歷自主思考和深度互動、交流的過程，從而提升解決真實問題的能力。

3.2開展粗鹽提純實驗

【教師】常規操作中加速固體溶解的方法有很多，其主要目的大多是使固體溶質加速以分子或離子形式均勻分散到溶劑中，從而形成均一、穩定的溶液。玻璃棒攪拌是人力做功，將人體內的化學能轉化為玻璃棒的動能，在玻璃棒的傳遞下進而轉化為溶質與溶劑的不同微粒間共同運動的能量，從而加速溶質分散。加熱是熱傳遞的過程，溶液體系從外界獲得熱量后使溶質加速分散到水中。做功和熱傳遞正是改變內能的兩種方式。由此可見，物質的溶解與能量密切相關。那么，除了攪拌和加熱，加快溶解的方法還有哪些呢？請結合物理課上學習的有關知識并查閱相關資料，思考其他可能實現加速溶解的方法。

【學生】通過物理課程“聲現象”一章的學習，已經了解了超聲波具有方向性好、穿透能力強、易于獲得較集中的聲能等特點，據此猜測可以借助超聲波發生裝置來溶解物質。

【設計意圖】教育學生遇到困難不回避，從實際情況出發，在思考討論中增強知識運用和表達能力。學生在物理課程中學習了“聲現象”“機械能和內能”“電磁轉換”等章的內容，教師通過提出待解決的實際問題，引導學生結合所學并發揮創新思維，嘗試遷移知識并回答問題，從而培養學生的創新能力。

3.2.1 原料獲取

采集蔣南鹽礦的固體石鹽礦石作為原料。

3.2.2 實驗儀器與藥品

【儀器】研缽和研杵、托盤天平、燒杯、玻璃棒、藥匙、漏斗、量筒、超聲波清洗機、鐵架臺（帶鐵圈）、石棉網、蒸發皿、坩蝸鉗、酒精燈、豆漿機、漏勺。

【藥品】固體石鹽礦石、蒸餾水、黃豆、現成食鹽。

3.2.3 實驗步驟

實驗步驟見圖2所示。

粗鹽的初步提純實驗裝置見圖3所示。

【注意】溶解操作時玻璃棒順時針攪拌，蒸發操作時玻璃棒逆時針攪拌。

1）溶解。稱取約 120g 鹽礦石，研磨后慢慢加到盛有約 300mL 水的燒杯中，邊加邊用玻璃棒不斷攪拌，直至固體不再溶解，靜置片刻，觀察實驗現象。現使用超聲波清洗機作為超聲波發生裝置來溶解藥品。

表2蔣南鹽礦的鹽鹵水中可能含有的雜質

圖2逆用鹵水點豆腐方法提純粗鹽實驗流程圖

圖3粗鹽的初步提純實驗各步驟裝置圖

2）過濾。遵循“一貼二低三靠”原則，將溶解所得的鹽鹵水進行過濾。

【教師】我們知道，活性炭常用來吸附除去水中的顏色和異味從而達到凈水目的，明礬可使水中含有的懸浮固體小顆粒發生凝聚而沉降，從而達到凈水目的。在自行設計實驗方案的過程中，我們已經發現鹽鹵水中除了含有難溶性雜質以外還溶有一些雜質離子。請思考，除了添加常規試劑除雜以外，還有其他方法嗎？

【參考資料】在我國，隨處可見用豆腐做成的各種美食。豆腐是以大豆蛋白質為主體的乳白色凝膠，是大豆蛋白在凝固劑參與作用下相互結合形成的具有三維網絡結構的凝膠產品。生活中，傳統的豆腐是用鹵水點豆漿制成的。李時珍在《本草綱目》中記載了始于西漢淮南王劉安的制豆腐之法：“水浸碎，濾去滓，煎成，以鹽鹵汁或山礬葉或酸漿、醋淀就釜收之。又有入缸內，以石膏末收者。”大致意思是，將黃豆浸泡至膨脹，研磨磨碎，過濾除去渣滓，熬煮至沸，滴加適量鹽鹵水，靜置后即可制成豆腐。鹵水在這一過程中充當了凝固劑，其主要成分是氯化鎂 （MgCl₂） 、氯化鈣（ CaCl₂） 、硫酸鈣（ CaS0₄ ）等[5]。氯化鈉的凝固效果弱，一般不用來點豆腐[6]。

【教師】接著上面的問題，結合鹽鹵水中主要的雜質離子，你受到什么啟發？

【學生】豆漿中存在的大豆蛋白能夠結合 Ca²⁺ FMg²⁺ ，故可嘗試用豆漿吸附將之除去。在此過程中，Ca²⁺ 、 Mg²⁺ 作為凝固劑被除去了。

其實這是有史可考的。查詢資料可知，四川省自貢市的桑海井早在一百多年前就開始應用這一古法來提純井鹽。作為我國古代勞動人民智慧的結晶，桑海井目前已是全國重點文物保護單位。2021年7月14日，知名短視頻創作者李子柒發布的“柴米油鹽醬醋茶”系列視頻最后一期《鹽》介紹了古法豆漿制鹽。

現在嘗試逆用鹵水點豆腐的方法，用現磨豆漿將已經過濾除去難溶性雜質的鹽鹵水進一步提純。

【預實驗】實驗表明，飽和氯化鈉溶液也能夠使豆漿凝聚成細膩豆腐狀。在燒杯底部鋪墊一層氯化鈉固體后，如果鹵水中含有 Ca²⁺ 、 Mg²⁺ ，加豆漿后會分成三層，底層為氯化鈉固體，中層為澄清溶液，上層為豆花狀固體渾濁物。如果鹵水中 Ca²⁺ /Mg²⁺ 含量很低，甚至被除去時，加豆漿后只會分成兩層，下層為氯化鈉固體，上層為渾濁不透明豆漿層，不易分離。

【教師】下面請同學們分為幾個小組，嘗試使用現磨豆漿來提純粗鹽。

用豆漿機研磨浸泡膨脹的大豆，須先煮熟后過濾除渣，配制一定比例的豆漿以備使用[5。取過濾完成的 50mL 鹵水盛放在燒杯中，準備現成的江蘇蘇鹽井神股份有限公司生產的食鹽 30g 加入燒杯（目的是形成氯化鈉過飽和溶液以確保完成實驗），充分攪拌后煮沸。保持微沸狀態并趁熱加入適量豆漿，緩慢攪拌片刻后可見所加豆漿凝聚并漂浮在上層，用漏勺小心鏟除鹵水上層漂浮的渾濁物。少量多次重復以上操作，直至趁熱取的上層清液在加入豆漿輕微震蕩后不再分層。記錄此時所加豆漿與鹵水的體積比。需要特別注意的是，此實驗中使用的豆漿不宜過濃，煮沸后燒杯底部鋪墊的氯化鈉固體會翻滾，應當緩慢攪動。后續在計算產量時需要扣除此處添加的現成食鹽質量。由于豆漿濃度和除雜時所加比例不便進行精確定量控制，因此若加入豆漿后難以分離，則可先靜置，待明顯分層后再過濾。

參考預實驗所得數據，處理 200mL 的鹵水需要將豆漿用量和加入的現成食鹽質量擴大約4倍。

3）蒸發。為了讓學生更好地將理論聯系實際，將化學與生活相結合，設置簡單對比實驗，分別使用煮沸法和鹽田法制鹽，讓學生探究在不同情境下蒸發方法的選擇，引發學生積極思考實驗室制法與工業制法的異同。

【校內任務】運用煮沸法析出食鹽。取上述除雜完成的鹽鹵水約 50mL 倒入蒸發血中蒸發。粗略記錄用煮沸法蒸發完成 50mL 氯化鈉所消耗的時間。之后將另外 150mL 鹽鹵水用同樣的方法蒸發制鹽以備稱量產量。

【校外任務】請學生回家應用鹽田法析出食鹽。

選擇合適材料自制簡易水槽，鋪展一定量的飽和食鹽水，在陽光下晾曬至食鹽完全析出，每隔一定時間進行觀察。粗略記錄用鹽田法蒸發所消耗的時間。

【學生】實驗室制法與工業量產的原理基本相同，無論是煮沸法還是鹽田法都是通過蒸發溶劑析出溶質。煮沸法獲取食鹽的效率較高，但成本更大，且對環境有一定污染。鹽田法利用天然的太陽能獲取食鹽，綠色環保，但是生產時間長。

【教師】從環境保護和能源利用的角度分析鹽田法制鹽的合理性。

【學生】煮沸法制鹽需要提供大量熱，主要通過煤炭燃燒提供所需熱量。而煤炭燃燒會釋放溫室氣體二氧化碳，且伴隨不完全燃燒可能會產生有毒氣體一氧化碳，造成環境污染。而鹽田法制鹽使用清潔的太陽能，更加綠色環保，更具可持續發展性。

4）稱量。待校內煮沸法蒸發血中固體冷卻至室溫后稱量質量，減去先前加入的現成食鹽質量，通過計算來粗略估計固體石鹽礦石中氯化鈉的實際含量（平均礦石質量= 蒸發步驟溶液體積 ×溶解稱初始配制溶液體積取礦石質量，礦石中氯化鈉實際含量 Σ=Σ 氯化鈉產量 ×100%），并填寫表格。已填寫樣表平均礦石質量如表3所示。

表3氯化鈉產品分析表

【教師】本實驗中一般會用三次玻璃棒，分別起攪拌、引流、攪拌的作用。注意觀察在溶解和蒸發過程中玻璃棒攪拌的方向是否一致，為什么？

【學生】玻璃棒攪拌的方向不一致。溶解時，順時針攪拌；蒸發時，逆時針攪拌。聯想石墨與金剛石的關系，猜想這是由氯化鈉微觀晶體結構決定的[]。

5）思考與討論。讓學生進行市場調查，了解黃豆等商品的價格，說明日常生產活動中使用豆漿提純粗鹽是否可行，可以從生產成本、經濟效益、生產技術等方面展開論述。

3.3培養氯化鈉晶體

3.3.1 提出問題

【教師】玻璃棒在溶解和蒸發操作中攪拌順序

是不同的，這是由氯化鈉晶體的微觀結構決定的。那么氯化鈉晶體究竟是什么樣的？請學生自行查閱氯化鈉晶體結構的相關資料進行了解。

3.3.2培養氯化鈉晶體實驗

【儀器和材料】玻璃棒、燒杯、結晶皿、保鮮膜、橡皮筋。

【藥品】豆漿提純后的氯化鈉產品、熱水。

【實驗步驟】1）參考氯化鈉溶解度，用豆漿提純后的氯化鈉產品在燒杯中配制 100mL 氯化鈉飽和溶液。2）在安靜的地方準備結晶血，左手持玻璃棒垂直于結晶皿中央，盡量不觸碰結晶血壁和底部，右手將燒杯內飽和氯化鈉溶液通過玻璃棒引流緩慢傾倒入結晶皿，保留燒杯底部可能存在的固體殘留物，防止雜質影響結晶效果。3）小心地用保鮮膜蓋住結晶皿，用橡皮筋固定，靜置數天等待結晶，間隔觀察。4）待形成較大氯化鈉晶體時即可用鑷子小心地取出并用吸水紙吸干，收獲晶體。

4跨學科實踐活動成果

4.1培養學生的創新能力

借助跨學科實踐活動，鍛煉學生對跨學科知識的綜合運用能力，引導學生成功將想法轉化為實際操作。帶領學生回歸生活，從問題的思考與實際問題的解決中探尋可能的創新點，取得了良好的學習成果。

4.2結合地方特色充分發揮化學課程的育人功能

借助江蘇蘇鹽井神股份有限公司這一地方特色企業，帶領學生實地參觀化工生產的宏偉景象，并帶回鹽礦樣本作為核心材料。通過創設真實問題情境，依據常見物質的性質，初步分析和解決相關的綜合問題，促使學生形成元素觀和變化觀，并初步形成環境保護理念[1，8]。為學生提供團隊合作學習的機會，在確保安全的前提下，給學生布置簡單的課后任務，調動學生主動學習的積極性。

4.3讓學生切身體會“化學源于生活”

食鹽是人類生活必需的調味品，也是重要的化工原料。讓學生在探究學習中認識人與自然，在實驗操作過程中感受人與自我，在案例分析中發現人與社會。本次跨學科實踐活動以學生為主體，讓學生對食鹽的本質及其應用有了進一步的認識。

5 結束語

化學作為一門自然科學，其體系本身是通過不斷地探索和認識世界，在生活和生產過程中不停地實踐而構建起來的。通過開展本次跨學科實踐活動，讓學生在接受全新知識的過程中深刻領略化學的魅力。活動開展過程中受到一定的條件限制，教學團隊經過研究和討論作了適當調整。其中，豆漿除雜實驗的設計部分參考了四川自貢古法制鹽，由于所選用豆漿的品質、所配豆漿的濃度、鹵水的實際成分等因素可能對結果造成影響，因此無法做到絕對的科學嚴謹，但教學團隊始終追求為學生提供滿意的學習體驗，重點考查學生的基本實驗操作規范。立足課程標準，在“知道物質的性質與結構有關”的基礎上適當拓展。晶體化學是化學中的一個絢爛篇章，但相關內容在中學階段涉及不多。本次跨學科實踐活動借助簡單、美觀的氯化鈉晶體幫助學生較直觀地感受物質的微觀世界，進一步開啟化學之門。

6 參考文獻

[1]中華人民共和國教育部．義務教育化學課程標準（2022年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2022：2-9，40-45.

[2] 仇永紅，王春，劉曉娟.基于發展化學核心素養的概念教學：以“認識溶液”為例［J].化學教育（中英文），2020，41（19）：20-24.

[3] 趙映荷.初中化學與綜合實踐活動貫通初探[J].化學教育（中英文），2013，34（2）：42-44.

[4] 義務教育課程標準實驗教科書化學：九年級下冊修訂本[M].上海：上海教育出版社，2009：26.

[5] 宋偉.初中化學“鹽”復習課探究式教學：以“探究豆腐制作中的點鹵劑”為例[J].化學教學，2024（1）：58-64.

[6] 唐楠楠，濮江.豆腐中的化學[J].科協論壇，2007（5）：21-22.

[7] 范澗彬.淺談無機化學實驗：溶解與蒸發結晶過程中玻璃棒攪拌的方向[J].中國石油和化工標準與質量，2012，33（16）：34.

[8] 孔嘉盈，黃艷迎，潘紅.大概念統攝下的項目化學習：海洋資源的綜合利用與制鹽［J].化學教育（中英文），2023，44（21）：62-68.