初中化学跨学科实践的任务化设计与实施

摘 要： 以探究“汽车的发展历程”为情境，通过跨学科实践的任务化设计，引导学生从能源、环保和材料等角度探索汽车发展因素。综合运用化学、物理等知识，旨在减少污染、实现可持续发展，开发创新解决方案。这种跨学科实践不仅有助于学生理解跨学科概念，还能够通过实践培养学生的关键能力和必备品格，发展科学思维，强化创新意识，对学生核心素养的发展和课程育人功能的发挥具有重要作用。

关键词： 初中化学； 跨学科实践； 任务化设计； 核心素养

文章编号： 10056629（2024）08003006

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 研究背景

化学作为一门自然科学，与物理、生物等学科都有紧密的联系。当今世界，人类面临的许多问题，如能源的开发利用、环境的保护以及材料研究等，都涉及到多学科的协同参与，需要学生具备综合运用多学科知识解决实际问题的能力［1］。跨学科实践是一种学生围绕复杂真实的问题情境，整合不同的学科知识，探索问题解决方案的学习活动，具有综合性、实践性和生成性等特征，对学生核心素养的发展和课程育人功能的发挥具有重要的作用［2］。最新颁布的《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）中突出了“跨学科实践”活动，旨在帮助学生综合运用化学和其他学科知识去解决实际问题，并规定至少10%的总课时用于跨学科实践活动［3］。化学学科知识中常常出现的能量、结构、变化、平衡等，化学学科方法中经常使用的模型、推理、实验、实证等，与很多学科都是相通的，学科知识与学科方法的跨学科融合，能帮助学生提升科学理解能力和科学认知能力。因此，在化学教学中急需进行跨学科实践活动的研究以提升化学学科的育人效果。

2 跨学科实践活动的主题选择

“汽车的发展历程”的复习课设计是基于沪教版九年级《化学》教材下册第九章“化学与社会发展”的教学内容，属于“课标”中“化学与社会·跨学科实践”学习主题的相关内容，“课标”对其的要求为：能列举生活中常见的能源、材料，并了解其应用；能分析讨论资源综合利用、各种材料的选取和使用、生态环境保护等有关问题；在跨学科实践活动中，能综合运用各学科知识，运用可持续发展观来设计、评估、解决实际问题的方案，更多地体现创新意识等［4］。学生通过第九章的学习，已初步了解化学与能源、化学与材料、化学与环境之间的关系，但知识的掌握仍较为肤浅，也未具备综合应用这些知识解决实际问题的能力。

常州市拥有比亚迪、理想等整车生产企业，在汽车动力电池方面更是全国“拔尖”，占据了全国生产总量的五分之一，成为全国新能源领域的耀眼明星，所以常州提出了“打造新能源之都”的发展战略。基于常州的区域特色，本研究尝试以“汽车的发展历程”为主题，开展跨学科实践的任务化设计，整合并深化零散的知识，让学生理解汽车产业发展中的困难和挑战，引导学生关注绿色应用，树立可持续发展观。

3 任务化设计

跨学科实践任务化设计的核心在于将学科内容转化为具体的学习任务，通过由学生完成任务驱动的活动进行学习。本节课以“汽车动力装置的发展研究”为总任务，主要基于以下的考虑：动力装置是汽车的心脏，其发展直接影响汽车的性能和功能，也是汽车进步的重要体现，从蒸汽机到内燃机，再到电动和混合动力系统，这一进程不仅推动了汽车的性能提升，也反映了人类环保意识的增强；此外，新能源技术的应用契合了常州作为“新能源之都”的城市特色，有助于学生增加地域认同感。总任务下面设置三个子任务，分别解答了汽车动力装置“有什么变化”→“为什么变化”→“将怎样变化”，总任务和三个子任务之间存在逻辑关系和递进性，每个子任务都通过2～3个任务内容驱动完成。子任务一聚焦于细化研究主题，引导学生通过调研了解当前汽车的类型、数量以及汽车产业的发展历程，这是对现状和历史的探索；子任务二探究汽车动力装置演变的原因，引导学生深入研究蒸汽机汽车和内燃机汽车的工作原理及发展遇到的问题，并探讨电动汽车迅猛发展的原因，这是对现象背后深层原因的挖掘；子任务三讨论当前电动汽车所面临的挑战与机遇，进而探讨未来氢能源利用的相关事宜，同时研究报废汽车的资源回收问题，这是对未来趋势的预测和规划。具体的跨学科实践的任务化设计如表1所示。

本项目的总任务构建了一个宏观的背景和目标，三个子任务按逻辑顺序展开，从现状分析到历史回顾，再到未来展望，共同构筑了一个全面的研究框架。这使得总任务能够被高效地分解和执行，从而实现知识的螺旋上升和素养的形成。任务实施过程中对调查数据进行统计分析需要应用数学知识；汽车动力装置的研究涉及汽车的结构和工作原理，需要应用物理、技术与工程等知识；汽车动力装置的材料选择对其性能有很大影响，因此需要了解相关材料的化学与物理性能；电动汽车和氢能源汽车的发展与环保密切相关，因此需要了解化学、地理、生物等学科知识；汽车产业的发展要考虑市场需求、成本效益等，需要了解更多的有关历史、经济、道德与法治知识等。因此，本节课跨学科实践的任务化设计与实施，对于提高学生的实践能力与创新精神具有重要的意义。

4 教学流程

“汽车的发展历程”这节课以汽车动力装置发展研究为情境，用“蓄能而行，推陈出新”“环保接力，为车赋能”“与时俱进，物尽其用”三个环节将环境、能源、材料等知识进行了结构化梳理，巧妙地将第九章的书本知识串联到一起。具体教学流程设计如图1所示。

5 教学实录

5.1 环节一：蓄能而行，推陈出新

任务一：汽车动力装置在发展的进程中有什么变化？

［视频1］马路上川流不息的汽车。

师：汽车已经成为千家万户出行的选择，道路上的汽车常见蓝色和绿色车牌，它们分别代表哪种类型的汽车？

生：蓝色牌照是燃油汽车，绿色牌照是电动汽车。

［任务内容1］根据布置的调查任务，让学生谈谈通过实地考查得到的蓝牌和绿牌汽车的使用情况。

生：呈现各小区调查数据，汽油车和电动汽车的比例约为3∶1。

师：我市出现这么多电动汽车，跟理想、比亚迪等品牌电动汽车工厂落户常州有一定关系，常州市曾提出打造“新能源之都”的发展战略，大家一起来了解一下。

［视频2］常州市打造“新能源之都”宣传片视频。

师：市场上电动汽车数量不断增加，汽车从诞生以来动力装置到底经历了怎样的变化？

［任务内容2］根据布置的调查任务，学生展示世界汽车发展史。

［视频3］汽车发展历程。

［小结1］汽车动力装置从蒸汽机到内燃机再到电池驱动。

设计意图：学生通过观察家庭与学校周边的汽车使用情况，并结合文献和网络资源，了解汽车动力装置的发展历程，从蒸汽机到内燃机再到电池供电。同时，引导学生关注家乡常州如何适应时代潮流，发展新能源产业，并成功跻身GDP万亿城市行列。这样的学习经历使他们对祖国和家乡产生强烈的归属感和自豪感。

5.2 环节二：环保接力，为车赋能

任务二：汽车动力装置为什么会变化？

师：从18世纪到现在，汽车动力装置经历了三次革命，汽车的发展史其实是汽车动力装置的演变史。

［任务内容3］讨论18世纪蒸汽机汽车的工作原理及遇到的问题。

师：通过你们的调查研究谈谈蒸汽机汽车是如何工作的？

生：初期的蒸汽机为外燃机，一般以煤炭为燃料，外燃机中煤炭燃烧的过程中化学能转化成了热能，使得液态水变成水蒸汽从而推动活塞运动，活塞连接的连杆使飞轮转动起来，完成热能到机械能的转化。

师：结合能源和工作原理分析蒸汽机在使用过程中有什么不足？

生：煤炭为燃料有烟尘、SO2、 CO等产生，对环境污染比较大，外燃机的效率也很低下。

［任务内容4］分析19世纪内燃机汽车的工作原理及遇到的问题。

生：为了避免烟尘和提高效率发明了内燃机，以汽油、柴油为原料燃烧，将化学能转化为热能，再由内部热气流推动活塞运动，通过连杆使飞轮运转，完成热能到机械能的转化。

师：内燃机使用的汽油、柴油是怎样生产出来的？

生：通过石油分馏能得到汽油、柴油等产品。

［算一算］请同学们根据表2进行计算，谈谈感想。

生：人类面临能源危机，需要寻找替代品，所以出现了乙醇汽油、甲醇、天然气等。

师：内燃机的变化与蒸汽机相比，有哪些改善？又有哪些新问题？

生：少了烟尘，但是排放的汽车尾气中还有二氧化硫及氮的氧化物等。

师：对汽油车尾气不加处理排放会对环境造成什么危害？

生：有助长酸雨形成的隐患。

师：酸雨会带来哪些危害呢？

［分组讨论］（1） 改变河湖水质，影响生物繁殖；

（2） 导致土壤酸化，破坏农林生长；

（3） 增强雨水酸性，毁坏建筑桥梁；

（4） 加剧空气污染，危害人体健康。

［议一议］工业上有两种处理二氧化硫的工艺，如图2、图3所示。

（1） 分析两种处理方法分别应用了哪些反应原理，试着用方程式表示。

（2） 对比分析两种处理方法的优缺点。

［任务内容5］讨论电动汽车迅猛发展的原因。

师：自从世界第一辆汽车“本茨·卡尔”诞生后的137年来，动力装置一直依赖化石燃料。近几年来我国为何大力推广电动汽车？

［算一算］截止到2023年底我国汽车约4.35亿辆，如果这些汽车都燃烧汽油，则平均每辆车每年约排放2.7吨二氧化碳，计算一下我国的汽车每年会产生多少亿吨二氧化碳？

生：约为11.745亿吨二氧化碳。

［议一议］100多年来全球CO2的浓度变化和地表温度变化趋势如图4，能得到什么启示？

生：如果越来越多的人使用汽油车，排放尾气中的二氧化碳又无法被及时捕捉，会导致温室效应的加剧。

师：温室效应对全球会有哪些危害呢？

［分组讨论］（1） 气候反常，极端天气多；

（2） 气温上升，土地沙漠化；

（3） 全球变暖，病虫害增加；

（4） 冰川融化，海平面上升。

师：为了更好地应对气候变化，实现全球绿色低碳转型，2020年习近平总书记向世界承诺实现“碳达峰”“碳中和”的目标，使人民的生活环境更美好。中国十几年前就开始布局电动汽车生产，随着新材料研发和电池技术的成熟，电动汽车在历史的召唤下隆重登场。2023年9月德国慕尼黑车展上，中国生产的电动汽车震惊了世界。

［视频4］慕尼黑车展上中国品牌的电动汽车周围人山人海的视频。

师：随着我国电动汽车的崛起，世界汽车的动力装置正悄然发生质的变化。内燃机中燃料的改变还是无法彻底改变能源危机与环境污染问题，与汽油车相比电动汽车有哪些优点？

生：电动汽车使用时没有尾气排放，比较环保；开车时声音很小，噪声低不扰民；充电行驶价格比汽油车便宜很多；从国家的层面考虑，由于晚上充电更便宜，可以错开用电高峰，均衡使用峰谷电等。

师：电动汽车中能量如何转化？

生：将化学能转化为电能，再由电能供给电动机转动，完成了电能到机械能的转化。

［小结2］填写表3。

师：汽车动力装置的发展与使用的能源、环境都有关，从煤炭→石油→电池，人类正一步一个脚印向着美好的未来不断探索，而中国人民正用自己的勤劳与智慧实现着换道超车的理想。

设计意图：利用汽油车的排放和能源数据，帮助学生更深入地理解环境和能源危机的严峻性。探讨我国提出的“碳达峰”“碳中和”目标，引导学生从多学科视角分析能源与环境关系，理解我国从油汽车转向电动汽车的宏观原因，培养学生从物质和能量变化角度分析问题的能力。此外，学生认识到中国品牌电动汽车在海外的成功，会增强其社会责任感、参与意识和决策能力，感受到作为一个大国公民的骄傲和责任。

5.3 环节三：与时俱进，物尽其用

任务三：汽车动力装置未来将发生怎样的变化？

［任务内容6］探讨目前电动汽车面临的挑战与未来方向。

师：电动汽车在使用过程中不直接产生大气污染物，但电池的电能从何而来？

生：电能来自发电厂。

师：如果发电仍然使用化石燃料，环境问题能得到根本解决吗？

生：不能。

师：关于发电你有什么好的建议吗？

生：可以利用风能、太阳能、潮汐能等清洁能源进行发电。

［拓展视野］光伏发电、塔式熔盐光热发电。

师：以上新能源使用时往往受到时间、空间等因素的影响，不能彻底解决实际污染问题。氢能源到电能的转化成为目前科研人员研究的热门课题。

［议一议］氢气的热值为143kJ/g，是等质量甲烷的2.4倍，汽油的3倍，酒精的3.9倍。请结合所学知识，讨论氢能源的优点。

生：氢气燃烧放出的热量多，水资源不受限制，又绿色无污染。

师：你能用什么方法获得氢气？

生：锌粒与酸反应；电解水。

［实验］尝试制作氢氧燃料电池，并让小车动起来。

实验原理：通过电解水来获得氢气和氧气，再以电解产生的氧气和氢气作为原电池正负极气室中的化学物质，将其化学能转化成电能推动小车前进。

（1） 在塑料瓶中配制电解液。

（2） 正负极装好碳棒。

（3） 用鳄鱼夹连接碳棒，观察现象。

（4） 断开电源，连接小电车，观察现象。

实验现象：以氢气和氧气作为原料制作的电池让小车动起来了。

［任务内容7］探索未来氢能的主要来源及储氢问题。

师：目前氢能源为什么还没有普及使用？

生：电解水制取氢气成本高，而且用电还是发电厂来的，实际污染没有减少；另外储氢技术也不够成熟。

［议一议］科研人员正致力于太阳能光电分解水的研究（流程如图5）。

师：新能源汽车不仅是站在环境和能源的高度上进行动力方式革新，更是考虑了未来汽车的智能化、交互性。目前的充电式电动汽车也还不是终点，氢能源电动汽车已经在2008奥运会、2022冬奥会和2023年亚运会上初显身手，未来也将进入寻常百姓家。

［视频5］我国红旗汽车氢能源发动机面世视频。

师：现在科研人员正在攻克储氢材料问题，车用储存氢材料需要具备什么条件？

生：耐高压、轻便、经济、不可燃、稳定性好、储存量大等等。

师：图6是市场上已有的储氢缸，其中涉及到的物质分别属于什么材料？

［议一议］材料分类。

师：降低制氢成本，材料上保障储氢缸安全，“氢”车熟路必将是未来的大趋势！低碳行动的有效实施，需要政策支持、技术进步和产业创新［5］。

［任务内容8］探讨报废汽车的资源回收项目。

师：随着人民生活水平越来越高，汽车普及率将会逐年提升，报废的汽车也将越来越多。

［视频6］报废汽车处理视频。

师：垃圾是放错了位置的资源，了解一辆报废的汽车里涉及的材料，讨论材料的回收。

［议一议］材料回收。

师：材料是人类生存和发展的重要保障物资，材料的发展和应用推动了人类的进步。

［小结3］材料分类、选择与回收。

［作业布置］进行调查研究，为常州市新能源汽车产业未来更好的发展建言献策。

［结语］人类社会需要充足的能源、丰富的材料、良好的环境。化学学科像汽车的动力装置那样推动着历史车轮滚滚向前；它致力于能源的开发和利用，材料的创新和研发，环境污染的预防和治理，有力地推动着人类文明的进步！

设计意图：探讨电动汽车仍存在的污染问题，设计氢动力小车，体验能量储存与转化，讨论氢能源电动车的挑战与机遇。针对报废汽车提出资源回收项目，有助于学生学会材料选择、应用和回收，以及欣赏化学在改善人们生活和社会发展中的作用，关注社会议题，形成参与社会决策的意识。培养学生的可持续发展和绿色化学观念，增强社会责任感，提升育人的价值。

6 教学反思

在历史发展进程中，汽车动力装置的发展宛如一部无声的史诗，它不仅是科技进步的见证，更体现了人类与自然环境、能源利用及材料科学之间持续不断的交流与探索。这个过程充满了智慧与挑战，每一次变革都是社会问题的生动诠释，也是人类对未来的期许和追求。本节课鼓励学生在真实情境中学习问题的解决，通过完成三个子任务来达成总任务，这样的任务化教学有助于学生深入研究汽车动力装置的发展，进一步理解能源、材料与环境之间的相互影响和制约关系。因此，任务化教学是实施跨学科实践的一种有效方式。在教学过程中的史实再现和应用推演，需要学生综合运用化学以及数学、物理、工程等学科知识来解释和解决三大社会问题。因此，学生不仅能巩固已有的知识体系，还能深刻体会到化学学科的社会价值，激发他们创造美好未来的热情，从而培养学生的科学思维、科学态度与社会责任等核心素养［6］。

参考文献：

［1］宋歌， 王祖浩. 国际科学教育中的跨学科素养： 背景、定位与研究进展［J］. 全球教育展望， 2019， 10（48）： 30～35.

［2］田沛瑶， 丘月婷， 柏， 范艳花. STEM视域下初中化学跨学科实践活动的项目化设计与实践——以“走近污水处理厂”为例［J］. 化学教学， 2023， （6）： 40～46.

［3］［6］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］周钰萍. 上海市“新中考”政策下跨学科教学设计研究与实践探索［D］. 上海： 上海师范大学硕士学位论文， 2022： 9.

［5］王维臻. 学科课堂上的跨学科议题“低碳行动”——浅议科学学科的低碳教育责任［J］. 化学教学， 2023， （1）： 42～46.