基于核心素养的“跨学科主题”实践活动与思考

杨砚宁　张巍

摘要： “简易吸碳机的制作”项目教学是基于“碳中和”理念的跨学科主题实践活动，通过“捕风”“捉碳”“释碳”“用碳”四个项目子任务，探讨“跨学科主题”实践活动发展学生的核心素养的途径与方法。并提出“跨学科主题”实践活动有关选题、发展多学科知识的系统思维、促进师生共同成长等教学启示。

关键词： 跨学科； 项目教学； 碳中和； 吸碳机； 核心素养

文章编号： 10056629（2023）08004907中图分类号： G633.8文献标识码： B

1 研究背景

最新颁布的《义务教育化学课程标准（2022年版）》在围绕落实立德树人的根本任务、深化课程改革、强化育人功能方面明确指出：“整体规划学生核心素养的协调发展”，“既强调化学学科及科学领域的核心素养，又反映未来社会公民必备的共通核心素养”。在完善课程内容结构上的最为突出的亮点是设置“跨学科主题”学习活动，引导学生在更宽广的学科背景下综合运用化学和其他学科的知识分析和解决真实问题的能力［1］。《义务教育课程方案》同时规定，各学科用不少于本学科总课时的10%开展跨学科主题学习（实践）活动。因此，“跨学科主题”实践活动的研究迫在眉睫。

笔者尝试基于“碳中和”理念下设计跨学科主题实践活动，帮助学生运用跨学科知识，亲身经历创意设计、动手制作“简易吸碳机”以解决CO2过度排放造成的环境问题。在实践过程中，学生通过整个项目的系统规划和实施，体验科技创造价值的过程，感受合作、协同创新解决问题的重要性。

2 项目主题分析及育人价值

“简易吸碳机”的制作项目源于环境问题所引发的社会性议题，具有重要的现实意义，属于化学与环境领域的作品制作类综合实践活动，具有综合性、学科融合性和任务驱动性等特点。

该项目聚焦“物质的化学变化”学习主题，探究二氧化碳的性质与转化、碳酸盐的性质及复分解反应，承载学生必做实验“二氧化碳的实验室制取与性质”，涉及“化学与社会·跨学科实践”主题中“资源、环境”的部分内容，促进学生发展元素观、变化观等化学观念，增进“系统与模型”“比例与定量”“可持续发展”等跨学科大概念的进一步发展［2］。

该项目要求学生有意识地应用化学核心知识，自主调用物理和数学等多个学科的相关知识，应用技术与工程的方法解决实际问题，通过设计、评估解决“捕集和利用CO2”的方案，制作项目作品并进行改进和优化。不仅能提升学生对化学学科价值的认同感和综合的科学素养，而且能很好地培养他们的合作意识，形成学科观念和低碳生活的理念。该项目学科育人价值如图1所示。

3 项目任务及目标

“简易吸碳机”虽然只是模拟工业吸碳工厂的简易作品，但也是一个综合、复杂、开放的实践活动。学生在完成任务过程中，需要关注“碳中和”这样一个社会热点话题，学习化学、物理等学科的相关知识，还要遵从作品制作的一般过程和方法，要在整体设计的基础上

进行制作，在多次试验基础上优化方案并完善作品。按照工程实践过程，将项目拆解成两大任务，分别是碳捕集和碳利用，再进一步拆解为四个具体子任务：捕风（自制简易吸风机）、捉碳（探寻适宜的二氧化碳吸收剂）、释碳（设计碳释放与吸收剂再生途径）、用碳（碳及其化合物的相互转化）。项目任务、活动内容、课时和任务目标见表1。

核心素养导向的化学教学，倡导基于主题整合教学内容，发展学生化学课程核心素养［3］。因此，在进行该项目主题设计时，将二氧化碳的性質与制备、碳酸盐的性质及复分解反应等新授课内容纳入其中，让学生学习“有用的化学”。共设计了9课时的教学计划，完成了课程标准提出的“跨学科主题”活动的课时要求。

4 项目学习的实施过程及成果展示

项目学习实施过程以子任务2“捉碳”（1课时）为例，记录活动中的师生行为和成果展示。本节课的内容是在回顾“捕风”的吸风机的基础上重点完成“捉碳”的任务，即探寻适宜的二氧化碳吸收剂，具体学习流程如图2所示。本节课在2021年江苏省初中化学优秀课评比暨观摩活动中荣获一等奖。

［课堂调查］你采用哪种交通方式上学？你们知道什么是“碳中和”吗？

［学生汇报］碳中和就是指碳的排放与吸收达到平衡，基本实现碳的零排放。自从工业革命以来，全球二氧化碳排放量每年以惊人的速度增长，远远超出了大自然所能吸收的上限。碳循环失去平衡，全球变暖，气候异常，实现碳中和已经刻不容缓！

［教师小结］碳减排和碳捕集利用是实现碳中和的两条途径。

设计意图：从低碳出行这一身边的小事引出“碳中和”这一大概念，提高学生对于绿色、低碳发展转型的理解和认识。

［项目任务］特斯拉创始人马斯克就直接发布1亿美元的悬赏令，寻找“最佳”碳捕集利用技术。教师带领学生组建“碳捕集”攻关小组，将“碳捕集”拆解为“捕风”“捉碳”“释碳”三个活动。设想自制一台能够捕捉烟气中的二氧化碳的装置，能使空气中的二氧化碳被滤网上的物质吸收固定，吸满后只需拆下滤网，借助一定工艺释放出纯净的二氧化碳，就能封存或再利用。这个能够捕风捉碳再释碳利用的装置，我们把它称为“吸碳机”。前期，已完成了简易吸风机的制作。

活动一回顾简易吸风机的制作

［展示阶段成果］小组同学利用小马达、扇叶、电池、废弃饮料瓶、雪糕棍等材料和物理学知识完成捕风装置——简易吸风机（如图3所示）。左侧是利用负压吸风动力装置、右侧是滤网。打开开关通电，吸风机开始工作，风扇旋转产生内外压强差将空气自右向左吸进简易吸风机，完成捕风任务。

［问题1］吸风机如何“捉碳”呢？

［学生讨论］要在吸风机的滤网涂上适宜的CO2吸收剂，便形成一款简易的吸碳机。

设计意图：以学生熟悉的物品——捕蚊拍为情境做类比，激趣的同时有助于学生理解吸风机的组成结构、工作流程，并引出本节课所要完成的项目子任务。

活动二探寻适宜的CO2吸收剂之初寻

［问题2］你们已经知道哪些能做吸收CO2的试剂？如何设计实验比较吸收剂的效果？

［讨论与汇报］根据学生的知识基础，可选的吸收剂有水和澄清石灰水，通过两种方案比较吸收的效果（如表2所示）。

［学生实验1］采用振荡吸收法比较不同吸收剂的吸收效果。

实验试剂：30mL水、澄清石灰水［30mL水+0.05g Ca（OH）2］、石灰乳［30mL水+2g Ca（OH）2］、 2g Ca（OH）2固体、CO2气体（2瓶）、无色酚酞试剂。

实验方法：分别向吸收剂中先滴入2～3滴无色酚酞试液，然后再将吸收剂倒入装有CO2气体的塑料瓶中充分振荡，观察实验现象（见表3）。

［问题3］由酚酞退色的软塑料瓶不再继续变瘪的现象推测：试剂具有怎样的性质更有利于吸收CO2气体？

［学生］碱性溶液有利于对二氧化碳的吸收。

［展示］用氢氧化钙固体吸收二氧化碳、放置一天后完全变瘪的塑料瓶。

［结论］从吸收速率与吸收效果来看，上述吸收剂中效果最好的是石灰乳。

［设疑］石灰乳适宜于吸碳机吗？

设计意图：以任务驱动，在探究多因素问题时，通过控制变量法，不断找到吸收效果更好的吸收剂，引导学生在实验过程中找到影响吸收效果的因素。

活动三初探吸碳机吸碳性能

［学生实验2］将吸风机过滤网倒扣在石灰乳中，蘸取一定量的石灰乳后，观察吸风效果，并结合吸收反应的生成物分析吸风效果变差的原因（见图4）。

［结论］微溶的氢氧化钙和生成物碳酸钙会堵塞过滤膜，导致吸风效果变差。

［过渡］显然对这款简易吸碳机而言，石灰乳还不是最適宜的吸收剂，我们还要继续寻觅。

设计意图：让学生在真实的情境中解决现实的问题。一方面，学生在项目学习中体会到知识的简单运用往往不能满足现实的需要。另一方面，学生对找到其他替代物解决碳酸钙堵塞过滤膜的问题充满了探究欲望。

活动四适宜的CO2吸收剂之再觅

［问题4］适宜的吸收剂应具有什么性质？从产物的角度分析，应具有什么性质？根据下列资料预测更为适宜的CO2吸收剂。

［提供资料］（1） 常见物质的溶解性（20℃）和碱性性质表。（2） 常见物质与CO2反应的产物情况：

［交流汇报］阅读资料，交流讨论，找出可能的吸收剂：KOH、 K2CO3、 NaOH、 Na2CO3、 Ba（OH）2、 （NH4）2CO3。再根据产物溶解性及稳定性，进一步排除Ba（OH）2、 （NH4）2CO3。

［方法小结］我们发现从物质类别角度进行筛选，能够让我们的研究事半功倍！

设计意图：培养学生根据研究方向收集资料、利用资料获取信息的能力。引导学生采用分类比较的思维模式，根据物质类别合理筛选吸收剂，同时也为后续碱类物质的学习打下基础。

［问题5］如何比较KOH、 K2CO3、 NaOH、 Na2CO3这四种物质的溶液谁更适宜用于吸碳机？

［交流讨论］与吸碳机吸收过程最相似的是动态吸收法，需要运用该方法对上述物质进行对比实验，所用装置如图5所示。

［展示装置］将气瓶中CO2先经过稳压分流器分成等速等量的四股气流再通入四个雾化吸收管中，吸收CO2后的剩余气体通入澄清石灰水中，通过观察烧杯中石灰水变浑浊的快慢判断吸收剂的吸收效果。

［实验视频］对比等浓度、等体积KOH、 K2CO3、 NaOH、 Na2CO3溶液的动态吸收效果（见图6）。

［结论］KOH更适合用于简易吸碳机。

活动五成果展示——再测吸碳机吸碳性能

［设问］KOH溶液的实际吸收效果如何？

［演示实验］借助CO2传感器测定装置内气体中CO2浓度的变化（见图7）。

［实验结果］400s时CO2浓度已经减少了600ppm，随着时间增加，还有减少趋势。

设计意图：利用数字传感器定量论证吸碳机的实际捕碳能力，培养学生的证据推理意识和实事求是的科学精神。

［阶段成果］通过本节课的课堂活动，我们认识到CO2能与碱性溶液反应的化学性质，找到了适宜的吸收剂氢氧化钾溶液，初步完成了简易吸碳机的制作，并成功捕集了空气中的CO2。

［展望世界］这种碳捕集方法与哈佛大学Keith教授的研究非常相似。他正是利用氢氧化钾作为大型吸碳机的吸收剂，成立了吸碳工厂（见图8）。看来大家已基本学会像科学家一样思考了。

设计意图：通过总结提升，将项目研究内容与学科知识体系联系起来，让学生体会到化学学科在资源保护和改善人类生存环境等方面的重要作用和意义。同时，通过项目学习的完整过程，学生慢慢学会像科学家一样进行深度思考，培养科学精神和社会责任感。

5 实践反思与启示

通过跨学科主题实践活动——“简易吸碳机”的制作，将“碳中和”这一热点话题在课堂中落地，培养学生的化学学科核心素养和跨学科能力。

（1） 跨学科实践活动选题要接地气。明确该主题的教学定位，选择密切联系学生的生活经验和社会热点问题，体现跨学科知识内容的运用，激发学生探究的兴趣，帮助学生了解科学、技术与社会的相互关系，对某些社会问题作出积极的思考和决策，为学生的终身发展奠定基础。

（2） 跨学科实践活动是发展思维的重要途径。完成一个具有挑战性的实践任务，通常运用逆向思维来拆解问题，将复杂的问题转化为简易问题。本项目拆解的逆向思维过程如图9所示。让学生经历调研、创意设计、动手制作、展示表达、方案评价、反思改进等多样化活动，促进学生形成运用多学科知识、技术、工程等融合解决问题的系统思维。

（3） 跨学科实践活动设计体现大单元思想。每个学习主题以大概念为统领，注重多维度选取课程内容，既包括核心知识，又包括对思维方法、探究实践和情感态度价值观等方面的要求，充分发挥跨学科实践活动对课程内容和教学实施的整合功能。

（4） 跨学科实践活动促进师生共同成长。“简易吸碳机”的制作中用到了空气动力学、气压差等物理知识，设计产品用到了机械工程知识，“捉碳、释碳和用碳”则需要用到物质转化与守恒的化学学科观念。如果进一步分析，吸碳机适用于风能资源丰富的地区，则需要借助地理知识。这就给师生提供了发展实践、创新综合素养的空间，同时也带来了巨大的挑战。

在实践过程中发现，对比常规课堂，跨学科主题实践活动更能有效激发学生的学习兴趣，提高学生的课堂参与度和学习效果。在“双减”背景下，跨学科主题实践活动是一种以发展学生核心素养为导向的学习方式，具有推广价值。同时需要关注的是，这种完整的学习研究过程需要协调各学科的教学计划，合理分解学习任务，安排教学内容，对师生提出了更高的要求。

参考文献：

［1］［3］中华人民共和国教育部制定. 义务教育化学课程标准（2022年版）［S］. 北京： 北京师范大学出版社， 2022： 4.

［2］王祖浩， 王磊主编. 全日制义务教育教科书·化学（九年级上册）［M］. 上海： 上海教育出版社， 2012： 41～45.

［4］David W. Keith， Geoffrey Holmes， David St. Angelo， and Kenton Heidel. A Process for Capturing CO2 from the Atomosphere ［J］. Joule， 2018， 1016（10）： 1573～1594.

*苏州市教育科学十四五重点规划课题“学科融通的‘化学技术社会项目化学习的创享实践”（2021/LX/01/041/10）阶段性研究成果。