基于大单元设计理念下的跨学科学习实践*——以“基于特定需求设计和制作简易制氧机”的项目式教学为例

申明睿

（江苏省昆山开发区青阳港学校 江苏 苏州 215300）

一、问题的提出

近年来，制氧机成为许多教材编写者和中考命题专家所青睐的经典情境素材，分析《义务教育化学课程标准（2022年版）》关于该内容的描述可知：“基于特定需求设计和制作简易制氧机”实践项目是在大单元设计理念的统领下，以氧气的知识为核心内容，将沪教版化学九年级上册第二章“身边的化学物质”第1节“性质活泼的氧气”和“氧气的制取与性质学生必做基础实验1”融合，并结合工程制作技术，使学生初步建构起产品制作的一般过程和方法。学生在完成任务的过程中，不仅需要综合考虑使用环境和使用对象的特定需求，还要选择具体的技术与工程方法完成简易制氧机的设计和制作，在不断实践和反思中优化产品，提升团队合作和自主解决问题的能力，激发创造力。

分析新课标关于本实践项目的描述可知：本项目体现了“物质的性质与应用”“物质的化学变化”学习主题的大概念及核心知识，涉及“化学与社会·跨学科实践”学习主题中化学与材料、化学与健康的相关内容，承载发展学生化学学科核心素养的任务。但在常态化教学中，教师们往往是直接呈现真实制氧机产品并粗略分析相关的试题，无论是知识、能力还是素养的培养，都达不到预期的效果。

基于我校中学生关于产品设计和制作相关知识技能薄弱的事实，在学习完“身边的化学物质”“性质活泼的氧气”和“氧气的制取与性质学生必做基础实验1”后，以“基于特定需求设计和制作简易制氧机”为主题开展项目式教学，旨在帮助学生建构元素观、变化观等化学观念，促进“系统与模型”“比例与定量”等跨学科大概念的进一步发展，提升化学学科核心素养。

根据最近发展区理论，课堂教学要着力于学生的最近发展区。初三上学期，学生已有的能力和知识水平是：已初步学习实验室制取氧气的反应原理和实验装置；具备一定收集、整理、分析、处理信息的能力；初步具备观察实物，拆解组装实物，绘制简单装置图的能力。同时，九年级学生爱动脑，爱动手，乐于动手操作具象的物体，对化学实验很感兴趣，对周围世界有着强烈的好奇心和探索欲，而我们的实践项目贴近学生生活，与生命健康息息相关，符合九年级学生的特点。

二、项目教学目标

根据以上课标分析、教材分析和学生学情，笔者确立了以下教学目标：

（1）通过制氧机与实验室制取氧气装置对比，感受到产品设计与实验室装置区别联系，同时也进一步巩固实验室制取氧气仪器、药品及反应原理等知识。

（2）通过对制作简易制氧机设计思路的讨论，能正确选取试剂、材料等，建立制氧机的简单模型，能从跨学科角度初步分析问题，提升系统思维和创新思维能力。

（3）通过对制氧机使用环境和对象的特定需求的考虑，学会选择具体的技术与工程完成制作，提升了运用化学知识对生活及社会实际问题作出判断和决策的意识。

（4）通过展示制氧机作品，学会用科学语言和信息技术手段合理表述，同时，发展了好奇心、想象力和探究欲。

三、项目任务及教学流程

氧气对维持人的生命活动十分重要。当人体缺氧时，可以通过制氧机来获取氧气［1］。以“基于特定需求设计和制作简易制氧机”总任务为驱动，按照任务逻辑学生需要解决3个大问题和8个子任务。学生通过查阅资料、收集信息、拆解实物、分析比较、实践验证等学习策略，最终以成果汇报的形式进行作品展示，通过初步规划、初步设计、产品制作、测试优化、组间评价和总结交流等方式逐步落实项目目标。本实践项目的逻辑线、知识线、活动线和素养线的对应关系如图1所示。

图1 “基于特定需求设计和制作简易制氧机”项目教学思路及流程

四、项目实施过程及学生学习成果

第1步是项目分析［2］：引导学生将任务拆解，并列出每个子任务需要解决的问题。第2步是学生以小组为单位完成各个子任务并将研究成果整理汇总，在此过程中教师可针对不同小组的特点进行个性化指导。第3步是集中展示，每经过一段时间的开放性准备和学习，分小组进行各子任务研究成果的分享交流和组间评价。第4 步是通过产品发布会进行成果展示。本项目共经过了约5个课时的教学实践，活动由简单到复杂，知识由理论到实践，学习由浅层到深度，素养和能力要求逐渐进阶。积累了包含PPT、课堂实录、学生作品等丰富的课程资源，能够在不同学校、不同县区的班级推广。为了呈现简洁的教学流程，本文仅呈现部分关键对话与行为。

1.制氧机是什么？（任务1、2）

这一部分是本实践项目的导引阶段，任务1 中学生通过阅读文献、网上查阅资料、完成一份手抄报、图片展示、PPT 讲解等方式，了解了制氧机的定义、分类、制氧原理等。通过比较不同类型制氧机的优缺点，分析讨论出了接下来自制简易制氧机的类型——化学制氧机。部分学生手抄报作品如图2所示。

汇报过程中，较为精彩的是下面这个小组同学的汇报。

【某小组成果展示】2016年，深圳市举办了一场名叫“绿航星际”的实验活动，让四名受试人员在一个密闭环境仅通过绿植光合作用产生氧气的地方生存180 天。这个实验其实就是模拟人在地球上的生活。我们知道，地球上有许多绿色植物，能通过光合作用获得人和动、植物所必需的氧气，因此地球其实也是一个大型的制氧机，太空的生活离我们还是很遥远的。希望大家可以保护环境，从我做起，保护好我们的地球家园。

【师点评】同学们说得真好。习主席说过，“绿水青山就是金山银山”。只有保护好地球这个大型的制氧机，才能更好地保护我们人类自己。与此同时，我们还要善于利用文献、网络等资源，学会查找和收集信息，主动了解我们感兴趣的话题或知识，尝试自主解决问题，不断丰富和拓展自己的知识体系。

为了让学生感受真实产品设计与所学知识间的区别与联系，任务2中引导学生以小组为单位，通过实物展示、PPT 讲解等方式，对氧立得和氧烛制氧原理及装置结构进行分析，并与实验室制取氧气的原理及装置作对比。

【某小组成果展示】学习了实验室制氧气后，我们小组对学生能否自制一台制氧机产生了兴趣，于是我们在市场上搜集了很多制氧机，发现其中的氧立得制氧机与我们学过的实验室制氧在原理和装置上有很多相似之处。为什么说它们相似呢？两者的原理都是过氧化氢在二氧化锰的催化下制取氧气。除了原理，装置上也有许多相似之处。氧立得中的密封盖就相当于实验装置中的橡皮塞；氧气通道与导管类似；吸氧导插座相当于导管口，是氧气出来的地方；反应仓的作用和锥形瓶一样，药品就在这里面发生反应；过滤加湿仓和水槽都起到一个净化空气的作用。除了相似，两者之间还有一些不同点，氧立得用的是固体过氧化氢，也就是过碳酸钠，是一种白色颗粒状固体，比较容易保存，而实验室所用的过氧化氢溶液是无色透明的，比较容易分解，不太好保存。再从装置上来说，氧立得制氧机的设计是一体化的，便于携带，而实验室的制氧装置则需要组装，不太便捷，但它有一个分液漏斗可以用来控制反应速率，方便观察。所以我们小组对如何自制制氧机有了进一步想法，我们小组接下来将按照氧立得制氧机的原理，自制一台制氧机。

【某小组成果展示】老师、同学们大家好，现在就由我来向你们汇报我们组的调查成果，在我们调查之前，老师带我们在实验室做了一次制氧的实验，用的是高锰酸钾加热生成氧气的这套装置。而最近几天，我们在市场上发现了一款与其很像的装置，它的名字叫做氧烛。氧烛是一种小巧的制氧装置，因其工作时像蜡烛燃烧而得名，它的原理是氯酸钠在催化剂的催化作用下生成氯化钠和氧气。与我们学过的氯酸钾在二氧化锰的催化作用下加热生成氯化钾和氧气原理类似：首先它们的药品都是固体，便于携带。其次都是要在加热和催化剂的催化下生成氧气。在装置上它们也有许多相似处：火帽类似于酒精灯，用来加热；氧烛的外壳就像试管，用来作为药品的反应容器；氧气出口类似于导管口；气体过滤装置类似于右边水槽中的水。以上就是我们小组的调查成果，感谢各位聆听！

这一部分教师最重要的是对各小组研究学习的个性化指导，鼓励学生类比迁移，推理论证。

2.为什么需要制氧机？（任务3）

任务3 中学生以小组汇报的形式，通过对制氧机使用环境和对象的特定需求的分析，体会制氧机的意义和价值。在此过程中，同学们还扩展延伸出自制制氧机对学生的现实意义：具有实践性，培养学生动手能力；能加深对化学知识的理解，便于消化、牢记知识；用脑过度时还能缓解疲劳，减少失眠，增强免疫力，使上课更有精神，身心舒畅，提高学习效率。

【师反思】同学们有关“学生自制制氧机的意义”的拓展使课堂更具生成性和趣味性，任务3的实施加强了学生对自制制氧机项目的好奇心和探索欲。

3.如何设计和制作制氧机？（任务4-7）

任务4 引导学生思考：基于特定需求设计和制作简易制氧机需要考虑哪些问题？使同学们在交流讨论中，初步建立起“基于特定需求设计和制作简易制氧机”的一般程序和方法，形成模型，如图3所示。

图3 “基于特定需求设计和制作简易制氧机”的一般程序和方法

任务5 和6 要求学生在任务4 的框架结构下，应用模型和方法，从实际需求出发，多角度分析对比选择出最优的制氧原理，并绘制了制氧机的设计图，小组成员分工合作，共同动手完成了制氧机产品的制作。图4是部分小组的设计图及实物产品。

图4 部分小组的设计图及实物产品

任务7要求学生结合特定环境和使用人群，对自制制氧机进行优化。表1 为同学们对部分自制制氧机产品的问题和改进分析，经过同学们不断的反思总结和多轮次的改进优化，最终都制作出了较为合理的成品，并用自制的制氧机制取并收集了三瓶氧气，做了氧气性质的实验。

表1 部分自制制氧机产品的问题和改进分析

【师反思】交流研讨过程中，根据学生讨论的内容创设开放性的问题，让学生互相评价装置上设计的不足之处并想办法改进，拓展了学生的思维，课上学生对装置的互评使各种问题都暴露出来。在实践课上，学生主动地对制氧机进行测试，体验成功的喜悦，并在不断地探索下总结经验，积极发言分享心得［3］。

值得一提的是，在任务7中，同学们结合之前的学习经验，还自然地想到了可以利用氧气传感器来测量自制制氧机的产氧浓度，以此作为比较不同制氧机性能优异的指标之一。图5是同学们用氧气传感器做实验时的精彩瞬间。

图5 同学们用氧气传感器做实验时的精彩瞬间

下面是该组同学的成果展示。

【某小组成果展示】为了更好地发展产品，取其精华，去其糟粕，我们小组从众多的样品中选择了三个出类拔萃的制氧机进行实验对比，在其他条件都相同时，通过比较产氧的浓度（氧气浓度为第15秒开始收集150 mL的氧气所测数据），选择最优的那个。实验数据见表2。

表2 用氧气传感器测量三款不同制氧机的产氧浓度的实验数据

由表2 中可知，第一个制氧机制氧的浓度已经达到了46%，第二个制氧机的产氧浓度达到了72%，第三个制氧机的产氧浓度达到了惊人的99.5%。最终，综合制氧浓度、美观性、便捷性等多方面综合评价，我们选定了第三款制氧机。

还有的小组同学设计实验方案，探究了药品的用量和温度对反应速率的影响。下面是该小组的成果展示。

【某小组成果展示】为了更好地发展产品，推陈出新，我们做了多组实验来研究对于不同人群及不同环境的药品用量。实验数据见表3。

表3 药品用量和温度对反应速率的影响

对比第①、②次实验，我们可以发现，当二氧化锰用量、温度保持相同时，过碳酸钠用量越大，收集相同体积氧气所用时间越短，反应速率越快。

对比第①、③次实验，我们可以发现，当二氧化锰用量、过碳酸钠用量保持相同时，温度越高，收集相同体积氧气所用时间越短，反应速率越快。

表3 的实验数据给了我们很好的启示：当我们为了保健目的吸氧时，供氧速度可稍慢，而当紧急缺氧时，速度应稍快。所以，针对不同的速度要求，我们可以通过实验以及计算，分装不同的过碳酸钠质量，对于吸氧速度的不同要求提供不同的用量。而季节或天气不同时，温度也不同，此时也应改变药品的用量，所以我们也可通过实验以及计算分装不同质量的过碳酸钠药包，根据不同的温度放入不同的用量。我相信，在不断的实验与改进下，我们的产品能越来越好。

【师反思】手持技术助力学生开展实验活动，不仅为学生提供了定量证据与多样的可视化数据，提高了实验结论的信度和效度，还为学生的学提供了认知支持，降低了学习难度。有利于提高学生的预测力、洞察力、探究力及数字化实验能力，促进学生自主学习，助推课堂教学向深度进发［4］。

4.产品发布会（任务8）

任务8以产品生产流程的步骤将班级学生划分为市场部、产品部、研发部、测试部、营销部、策划部共计六大部门，九个小组。让学生以每个小组的工作职能，对制氧机的生产过程进行讲解，分享经验和方法。产品发布会的呈现方式是师生角色扮演，教师以主持人的身份主持一场公司产品发布会活动，学生以公司各部门岗位职员的身份参与其中，真正目的不止于学生讲授知识，更希望通过一个真实的社会场景，激发学生的学习动机，唤起学生的求知欲望，让他们兴趣盎然地参与教学全过程中，积极地表达和交流，经过自己的思维活动和动手操作获得各方面能力的提高，并且能够了解一个产品从0到1的过程。

【师反思】这次教学方式的变革，一个方面是改变学生被动学习的状态，从“学会”学习，到享受成功的喜悦。强化学生的学习动机，从而爱上化学。另一方面也改变了老师的教学模式，从生活中出发，布置具体的岗位任务，会让学生更自然也更真实，促使学生的情感和兴趣始终处于最佳状态，从而保证施教活动的有效性和预见性。

五、项目教学反思及改进建议

本实践项目历经5 个课时的教学实践，通过课前让学生利用课余时间线上查阅资料、线下调查研究、制作PPT 和课上做实验、汇报交流，把主动权交给学生，让学生能全身心地投入、多样化地表达。任务活动设计由简单到复杂，知识由理论到实践，学习程度由浅层到深度，素养和能力不断生成，逐渐进阶，实现了学生积极动脑，主动参与，从听到讲的转变。

项目实施过程中，笔者发现：班上有的学生动手能力不强，有的学生分析问题的能力不足，有的学生理解能力缺乏，有的学生语言表达能力不够，有的学生对学习没有主动性，不愿意参与任何活动，有的学生对待作业和任务态度敷衍了事，上交的作业质量不高，还有的学生存在着严重的拖拉现象。

本实践项目完成后，笔者最大的获得感就是看到学生能力上犹如火箭般飞速提升的变化：从刚开始对学习任务的陌生到发布会上的侃侃而谈；从刚开始不会制作PPT到最后能制作出画面精美、排版合理、动画丰富的PPT；从刚开始害怕表达到后期的主动举手、踊跃发言；从刚开始不会做实验到后期能将手持技术应用于实验探究、自主设计实验方案；从刚开始的一盘散沙、各自为营到后期变成一个个有凝聚力的学习小组……在看到同学们因为自己的制氧机能制备出氧气浓度大于99.5%的氧气而脸上洋溢出得意的笑容时，在看到同学们因为自己设计出严谨、合理、体现控制变量的实验方案获得阵阵掌声而流露出喜悦的神情时……这些都让笔者感觉准备阶段所有的辛苦和付出是值得的，疲惫感一扫而光，只剩下由衷地为孩子们的成长和变化感到开心和骄傲的愉悦心情。

后续的改进和研究将侧重于关注以下三个方面：一是探索如何更加紧密地结合手持技术数字化实验，将实验现象以图表与数据等形式同步呈现，推进项目式教学的实施，助力学生深度学习，提高学生的学科核心素养［5］。二是思考解决项目式教学与传统教学在课时安排、实践场地等方面的矛盾［2］。三是尝试如何将“教、学、评”一体化的教学策略更好地融入到本实践项目中来，科学地评价学生阶段性的项目学习成果［6］。

古语有云，“授人以鱼不如授人以渔”。课堂时间是有限的，教师不可能在一节课上面面俱到。因此，作为一名新时代的教师，在课堂上教给学生的就不能仅仅是学科知识，更重要的是要教授给学生研究问题的思维和方法，让学生自觉、主动地完成更多的探究活动，最终培养出“有理想、有本领、有担当”的全面发展的时代新人。