基于实际问题解决的化学跨学科主题学习探究

摘 " "要：跨学科主题学习活动不仅强调多个学科的知识与方法，还强调主题。好的主题能给学生提供问题解决的空间，因此教师可以通过密切关注生活问题来发现相关问题中隐含的多学科知识，然后基于实际问题解决选取跨学科学习主题，并制订相应的学习目标及重难点，从而切实加强学科间的关联。具体实施时，教师可引导学生基于生活、激发兴趣来明确现象，团队合作、深度参与来探究现象，并通过仔细观察、及时访谈的方式横贯评价，帮助学生转变学习方式，发展核心素养。

关键词：实际问题解决；跨学科主题学习；高中化学

为了解决现实生活中的复杂问题，常常需要用到多学科的知识。《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“《高中化学课标》”）提倡开展学科内综合和跨学科综合的实践活动；《义务教育课程方案（2022年版）》也明确提出将不少于10%的课时用于开展跨学科主题学习。跨学科主题学习活动不仅强调多个学科的知识与方法，还强调主题（即实现知识整合的组织中心）。好的主题能给学生提供问题解决的空间，否则就只是“热闹有余而深度不足”的多学科活动。下面，笔者以“破冰行动——探秘霰的成因及影响”为例，阐述如何选取主题并实施跨学科主题学习。

一、基于实际问题解决选取跨学科学习主题

在跨学科教学中，知识的组织依赖于真实的情境，真实情境的选取又依赖于核心素养目标的设计。基于实际问题的解决，跨学科学习内容的选取可以是将同一学段不同学科原本交叉或不交叉的知识点进行整合，而在实际教学中要依据教学目标有所取舍，以突出主体学科的地位［1］。

2024年初，我国出现了大范围的雨雪过程，波及20余省市，其中在江苏等地出现了霰这一天气现象。霰是冬季固态降水的一种形式，不同于冰雹，但较少被人们区分和关注，而中央电视台对冻雨、冰粒和霰专门做了科普，向大众展示了此次冬季降水的复杂多样性。这触发了笔者的灵感，因为霰这一罕见的天气现象能实现地理、化学和物理学科知识的整合，能够很好地促进学生思维方式的转变，发展学生的综合素养。

通过查阅资料，笔者发现2022年高考化学全国甲卷中有一道题要求“用硫化钠粗品中存在的煤灰和重金属硫化物代替沸石”，但多数学生未能提取其题干中的信息“硫化钠易溶于热乙醇，重金属硫化物难溶于乙醇”，从而也就无法正确完成试题的解答。究其原因，是学生仅仅机械性地记忆了“加入沸石防止暴沸”，而不理解背后的原理：液体加热时加入沸石的目的是为了引入“气化中心”，防止液体因为过热而产生暴沸。其实，过饱和蒸汽、过冷液体、过热液体和过饱和溶液等均是亚稳态，即一种不稳定的状态，而对亚稳态进行扰动，如大气中的过饱和蒸汽遇见大气中的灰尘，则容易发生“成云致雨”的转变。

同时，学生在地理学科中学到了逆温层的概念，对由逆温层引起的天气现象也会有侧重地进行学习；而雨雪天气安全出行，防滑必不可少，这与物理学科中的摩擦力有所关联。

基于以上分析，笔者通过密切关注生活问题来发现相关问题中隐含的多学科知识，然后通过思考、分析，确定以“破冰行动——探秘霰的成因及影响”作为学习主题，并整合地理学科（“什么是霰”）、化学学科（“霰的成因”）和物理学科（“雨雪天气如何安全出行”）相关知识，设计此次跨学科主题学习。

二、制订跨学科主题学习的学习目标及重难点

笔者以化学学科为主，以地理、物理学科为辅，通过研读《高中化学课标》相关要求及教材相关内容，与地理、物理教师共同备课，制订了跨学科主题学习的学习目标及重难点。

学习目标：（1）通过查阅资料认识到冻雨、霰和冰晶的形成不仅仅是温度的作用，还包括大气微粒，了解大气微粒的组成，理解大气微粒是形成诸多天气现象的关键因素；通过过饱和的醋酸钠溶液析出结晶的实验，认识到溶液的过饱和是一种高能状态，受到外界诱发会析出结晶；建立物质溶解和晶体析出的模型；理解撒盐抗冰的原理。（2）理解摩擦力的定义、形成条件，通过实验探究摩擦力的影响因素，得出安全出行的具体措施。（3）了解人类在道路除冰方面作出的努力，思考可以继续改进之处，并利用多学科知识为抗击冰雪天气出谋划策。

学习重难点：（1）认识到大气微粒是冰晶的形成关键；（2）理解撒盐抗冰的原理；（3）理解摩擦力的影响因素。

三、跨学科主题学习的实施路径

我们将跨学科实践活动的核心特征，即跨学科性、情境性、体验性和挑战性作为教学的设计原则。现阶段，关于学生核心素养的培养路径主要有两条：一是学科教学；二是跨学科教学，即设置特定的情景，将不同学科的知识融入学生日常生活中的“现象”。笔者关注到，芬兰以建构主义为理论基础，于2016年提出了“现象教学”课程改革，其实施包含教、学、评三要素，实施过程则分为明确现象、探究现象和横贯评价三步［2］。当然，“现象教学”不是要取代“学科教学”，而是要求将“学科教学”的一部分集中到“现象教学”中，二者既不对立，也无所谓优劣。“现象教学”可以为学生提供多角度的思考方式，而严密的学科概念体系则是学生向高阶认知层次迈进的必由之路。经与相关教师商讨，我们所选的主题比较适合运用“现象教学”的方式进行。在教学中，我们还邀请了无锡市气象台台长来现场指导，为学生在课堂上的生成性问题作第一时间的专业性解答，真正实现了将社会资源引入课堂，赋能教学。

（一）明确现象——基于生活、激发兴趣

明确现象主要是对教学内容而言的，即应选取来源于具体生活情境、能引起学生兴趣的问题。明确现象主要有以下几种策略：一是由现象而不是学科开始；二是现象需要建立在学生好奇心的基础上；三是现象可以基于本地事件；四是现象可以基于正在发生的事件。

【环节一】明确学习对象

师1：同学们有没有见过霰？（待学生回答后）请见过的同学说说，霰是什么样的？

生1：小冰球，落在地面上有声音，还会反弹，和雪不一样。

师1：刚开学时我们迎来了一次降温，那个时候天上下的就是霰。霰对我们来说比较陌生，不少人甚至不知这个字的读音，但霰在古诗词中有着较高的出镜率，如陶渊明《归园田居·其二》中有“常恐霜霰至”，张若虚《春江花月夜》中也有“月照花林皆似霰”等。那么，霰是如何形成的呢？（播放关于霰的解说视频）

设计意图：选择贴近日常生活的问题，既能激发学生的学习动机，使学生更容易体会到知识学习的价值，又能营造轻松、包容的学习氛围，使学生能够以毫无压力的状态投入学习。

（二）探究现象——团队合作、深度参与

探究现象主要是对学习方式而言的，需要采用团队合作的学习方式。教师要引导学生根据个人的现有学习水平、优势特长和个性特征进行分组，重点是让每个学生在团队合作的过程中都能够自我表达并相互启发，从而实现参与度和学习效果的双重提升。

【环节二】霰的形成初探

师1：相信看完这个视频，同学们都在脑海中建立起了自己对霰的认识。那么，同学们有没有困惑呢？

生1：我还是不太明白。请问周台长，逆温层是什么？

师2：大气可以分为对流层和平流层等。其中，对流层离我们最近，会影响天气。对流层的大气有一个特点：一般情况下，随着海拔的升高，温度会降低。逆温层位于对流层，是出现逆温现象的一层气体，指随着海拔的升高，温度反而升高的现象。除此之外，逆温的形成有好几种类型，比如在冬季，辐射逆温比较常见，因此我们经常会在早上看见大雾。

生2：请问周台长，有的人习惯晨练，那么逆温现象会对晨练造成影响吗？

师2：逆温会阻碍空气的对流运动，妨碍污染物的扩散。逆温层在我们生活中是很普遍的，一般不会有太大的影响，但是如果一连几天都出现了逆温，空气污染物就会大量积累，不能有效地扩散，这样人在户外运动就会受到影响。

师1：感谢周台长为我们解释逆温层。实际上，逆温层结构的细微差别就是冬季降水形态不同的原因。霰是固态小颗粒，而水是流动性很好的液体，同学们是否思考过，为何说霰是降水的一种形式？

生3：因为温度低于0 ℃，液体被冻成了固体。

师1：真的这么简单吗？实际上，如果大气非常纯净没有杂质，则由水汽分子凝聚自发生成云雾微滴及冰晶是极为困难的。因为产生这种同质凝结过程的相对湿度需要高达百分之几百，纯净水滴冻结成冰晶则需要至少零下30 ℃的低温。显然，无锡的气温不会降到如此之低，因此冰晶的形成就不单单是气温下降这么简单。

设计意图：学生对“现象”有自己的认识，其中有正确的地方，也有不合理的地方，而教师与气象专家联合起来与学生进行充分的探讨，可使学生形成较为全面的认识。

【环节三】霰的形成关键

作为一种过程，实验探究可使学生在实验中经历观察、思考、实践、反思、再实践的流程；而作为一种结果，它可使学生对事物的认识由感性上升到理性，进而形成对事物的独特看法，使认知和情感都得到进一步的发展。

师1：实际上，霰的形成关键就是大气微粒，比如说固体粒子。这些固体微粒有多种来源，进入到空气就会形成直径1～100 nm的胶体，而其分散剂是气体，因此我们把它称为气溶胶。可以说，没有气溶胶粒子，冰晶几乎不可能形成。接下来请各小组观察桌面上的溶液，它是什么颜色的？

生1：无色透明的。

师1：请各小组思考讨论，结合霰的形成关键，想一想，溶液中如果要析出晶体，需要哪些条件？

生2：需要有固体粒子。

师1：很好。这里我们把固体粒子换一个名称，称为“凝结核”。你们知道还需要什么条件吗？

生3：减少水。

生4：降低温度。

……

师1：请同学们预测白糖晶体会出现在哪里，接着认真观察，看看你们的预测是否正确。

［学生活动］观察、讨论，说出预测。

师1：白糖晶体出现在细绳上。绳子充当了固体凝结核的作用，白糖粒子不断地在“核”上凝结，直到长成我们肉眼可见的晶体。桌面上放的是一杯饱和溶液，请同学们动手试试，要怎样才能利用你们手边的工具使得溶液中析出固体？

［学生实验］不同的小组采取了不同的方案。A组使用药匙向其中添加固体；B组使用玻璃棒搅拌。

设计意图：先让学生回忆初中学过的溶液的知识，再通过实验让学生认识到凝结核对“溶液析晶”的重要性，以便更好地将新知识进行“同化”。

【环节四】霰对日常生活的影响

探秘的过程不仅包括霰的形成，还有其对日常生活的影响，教师要引导学生学会利用其积极影响，以及利用所学的知识来降低其负面影响。

师3：今年，苏州市工业园区发生了一起严重的车辆追尾事故，起因就是道路结冰。我们知道，冰雪路面行驶，往往要求降低车速，但其背后的原因是什么呢？

生1：因为冰雪路面摩擦力小，容易打滑。

师3：对，那么摩擦力是如何形成的呢？请一个同学上台配合实验。（学生上台）这个同学现在拿着一个保温杯，这个杯子的受力情况如何？

生2：重力和摩擦力，且二者相等。

师3：为什么会有摩擦力？这是因为他握紧这个杯子，这个杯子还受到了弹力。现在我们给他的手上涂一点护手霜，看看会发生什么。

生3：杯子不断向下滑动。

师3：由此我们可总结出摩擦力的产生条件，包括相互接触、相互挤压、接触面粗糙、有相对运动或者相对运动趋势。接下来，让我们用一组实验探究摩擦力的影响因素。

［学生实验］学生先猜想物块受到的滑动摩擦力的大小可能与接触面上压力的大小有关，或与接触面的粗糙程度、材质有关等，然后分组实验，检验猜想，最后得出结论：对同一接触面来说，滑动摩擦力的大小与压力的大小成正比。

师3：由摩擦力的影响因素，我们总结出安全出行可以采用道路去冰、增大地面对交通载具的摩擦力等措施。针对去冰，同学们应该听说过撒盐可以化冰，这是如何做到的呢？

生4：因为盐可以降低冰的熔点。

设计意图：要让学生对霰形成更深刻的认识，还需回到日常生活中，探究霰的影响及如何利用物理学科知识来防止霰的危害。

【环节五】融雪剂的未来

向学生介绍现阶段所面临的困境，鼓励学生积极发表自己的观点，并给出具体的理由进行论证，这个过程也能促进学生思维的发展。

师1：以盐为代表的融雪剂虽然好，却不可忽略它们的腐蚀性。科学家正在加紧对路面材料的研发改进，比如向沥青路面材料中加入一些抗结冰的成分，从源头上防止道路结冰。解决道路结冰还有很多方法，有些方法现在看似乎“异想天开”，但未来则可能“轻而易举”。同学们可以查阅资料，寻找现阶段融雪剂的问题以及未来的发展趋势，并据此提出自己的想法。

生1：为什么汽车在雨雪天气受到的影响较大，而地铁几乎不受影响呢？这个可以作为道路的改进方向吗？

设计意图：学生的学习、技能和行为表现都是教师需要关注的，而根据所学内容进行批判思考，或从问题本身引发对生活中现象的思考，都能促进学生跨学科能力的形成性发展。

（三）横贯评价——仔细观察、及时访谈

教学中需要对学生的表现进行形成性评价，如在学生进行实验探究时，教师需要仔细观察学生能否在表达自己主张的同时给出具体的理由，并就他人的主张提出支持或反驳的证据，还要观察学生能否以积极合作的态度克服困难等。为此，笔者从认知、技能、态度等维度设计了评价方案（如表1所示），以对学生的课堂表现作出准确的评估。

当然，一节课上完后，教师也需要及时对学生进行访谈，了解并反思教学效果。笔者拟订了如下访谈提纲。

（1）这节课用了哪些学科的哪些知识？

（2）你喜欢这样的课堂吗？理由是什么？

（3）生活中有没有类似这节课运用多学科知识解决问题的例子？

（4）这节课还可以如何改进？

通过及时访谈，笔者比较客观地了解到了学生对课堂教学的接受情况，知道哪些策略对学生有用，哪些方面还需要改进，这就为后续教学的设计与实施指明了方向。

四、反思与展望

化学、地理、物理等学科包含丰富的知识和方法，在对学生进行辩证唯物主义教育、增进学生的好奇心和求知欲、提升学生的社会责任感等方面有突出的贡献，有助于实现全面育人。将这些学科相关知识整合进行跨学科主题学习，不仅能加强学科间的关联，还能促进学生学习方式的转变，有助于培育学生的核心素养。同时，实践探索不应局限于课堂实验，还应包括社会真实问题的解决，并延展至课外，这样才能更好地促成学生的知识理解和素养发展。

参考文献：

［1］黄满霞，秦晋，杨燕，等.核心素养导向下的“跨学科-项目式”教学设计：以“我帮稻农选好种”为例［J］.化学教学，2020（10）：50-55.

［2］冉源懋，罗旎兮，翟坤.“现象教学”在芬兰：理念、实施与经验［J］.教育学术月刊，2022（4）：81-86，105.