初中化学跨学科项目式学习的设计与实践

《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称《标准》）提出“科学探究与实践”是核心素养的四个维度之一，这体现了“做中学”的教育理念。学习主题5“化学与社会·跨学科实践”要求实践活动要具有跨学科性、实践体验性等特点，这充分体现了本次课程改革强化化学学科实践、推进综合学习的要求。化学作为一门实践性强的学科，需要在教学中重点培养学生的动手实践能力，让学生在学习学科理论知识的同时，真正具备开展学科知识动手实践的能力，推动学生化学核心素养的全面提升。初中化学是学生接受化学知识教育的初始阶段，这一时期学生的学科学习质量将直接影响今后的学科学习水平与对学科知识体系的根本认知。而在初中化学教学中，教师开展跨学科项目式学习活动，可以为学生提供面对现实的问题，让学生以自主探究、合作学习等方式完成具有挑战性的学习任务，有助于学生化学学科关键能力与核心素养的提升，也是初中化学教学中践行跨学科教学理念最为有效的途径。对此，本次研究中具体结合“制作简单的制氧机”活动实例，探讨初中化学跨学科项目式学习真正可行的设计与实践路径。

一、问题提出

最近几年，制氧机是中考考试命题中的高频情境素材。根据《标准》中的相关描述了解到：这一实践项目中以氧气部分知识为核心内容。因此，在活动设计中，教师可以将人教版九年级化学“身边的化学物质”单元中“氧气”知识与“氧气制取实验”相结合，在此基础上融入其他学科中涉及的工程制作技术，突出活动设计中的跨学科理念。

从学情分析的角度来看，九年级学生现有的知识水平与实践能力具备开展此项活动的能力。九年级学生已经初步了解了氧气实验室制备的基本原理与需要使用的装置，也具备了一定的信息收集、分析与处理能力，能够通过观察掌握实物的结构，并根据已知的实物结构进行实物拼装与拆解。九年级学生刚刚接触化学学科，对于化学知识比较感兴趣，有较强的动手实践意愿。本次研究中提及的项目式学习项目十分贴近学生生活，在确保学生参与积极性的同时充分满足学生核心素养提升的需求。

二、项目式学习活动目标

根据《标准》中对初中化学教学的新要求，开展“制作简单的制氧机”活动需要实现以下目标。

1.在活动中通过制氧机实物与学校实验室中使用的氧气制备设备的对比，深入了解投入市场的产品与相同功能的实验室装置间的区别与联系，进一步提高对实验室氧气制备装置、试剂与化学反应原理知识的掌握水平。

2.借助活动中制氧机设计制作的探讨过程，让学生充分了解氧气制备中需要使用的试剂、材料，建立能实际运行的简单制氧机模型，形成跨学科视角分析问题的能力，促进学生系统思维与创新思维的发展。

3.通过活动中对制氧机环境与使用对象适应性的讨论，提升学生在化学学习中的动手实践能力与应用化学知识分析、解决实际生活问题的能力。

三、项目式学习活动设计与实施

（一）项目式学习活动整体结构设计

“制作简单的制氧机”活动设计实施的第一个步骤是活动整体结构设计。活动整体结构的完善与否对活动开展效果有着根本性的影响。该项活动中的知识核心为“氧气与氧气制备”。基于活动知识核心以及活动内容的实践性质，活动中以调查日常生活中使用的制氧机实验设备原理与结构，研究实验室制备氧气时应用的方法与使用装置，深入了解化学反应中的物质定量关系，综合考虑反应速度、产氧量、方便操作等方面的要求，选择合适的制氧剂和材料，应用技术与工程的方法完成简易供氧器的设计和制作。活动内容结果具体如下。

（二）项目式学习活动过程设计与实施

“制作简单的制氧机”活动中根据各层级学习任务的设置推进活动进程，以四项核心活动内容让学生在项目式学习中完整经历用化学知识解决实际问题的过程。活动的各环节设计与实施中紧紧围绕“以学生为中心”的理念，依托活动的各环节内容充分激发学生在化学知识实践学习中的主观能动性。活动过程设计与实施中重点强调活动中核心知识内容学习的交融，让学生能够通过此次活动真正做到对活动核心知识的“学以致用”。整个活动具体融合了化学、物理、数学等多个学科的知识内容，由此充分体现此次活动的跨学科理念，更有力地促进了学生核心素养的提升。

▲活动1：调查制氧机工作原理，确定待解决问题

任务驱动：

学生对市场上常见的几种型号的制氧机进行调查研究，分析各型号制氧机的工作原理，并根据工作原理的差异对调查的制氧机进行分类，形成调查报告。

活动具体实施：

教师说明活动要求，组织学生根据个人意愿分为若干学习小组，以小组为单位，借助互联网、线下制氧器材用品经销商等途径开展调查活动，搜集相关资料。学生根据了解到的资料信息汇总整理撰写调查报告，详细说明调查结果。学生从市场中流通的各种型号的制氧机的调查了解到：目前市场上流通的制氧机设备工作原理可分为物理方法制备氧气与化学方法制备氧气两大类。使用物理方法制备氧气的制氧机具体采用分离空气的方法制备氧气。使用化学方法制备氧气的制氧机一般通过过氧化钠与水反应或过氧化钠与二氧化碳反应制备氧气。

活动中，为了进一步丰富形式，学生除了撰写调查报告之外，还可以选择绘制手抄报的形式进行成果汇报。以下是部分学生根据调查结果绘制的成果汇报手抄报。

在学生提交手抄报之后，教师可以让该生面向全班学生讲解手抄报中绘制的内容，从而锻炼其化学语言使用能力。

（设计意图：此环节让学生完整经历问题调查、问题相关资源搜集与问题分析的过程。以此培养学生获取、搜集、整理繁杂信息的能力。该环节活动实施中，学生以小组为单位，有助于培养学生之间的协作能力，激发学生的团队意识，促进学生学习活动实践效果的提升。）

▲活动2：深入了解实验室制备氧气的方法及化学反应原理

任务驱动：

学生进入实验室，具体观察与使用实验室中的氧气制备装置与试剂，充分掌握实验室制备氧气的原理与注意事项。

活动具体实施：

教师使用学校实验室，从实验室中取用高锰酸钾、氯酸钾、过氧化氢（双氧水）等各种可以用于氧气制备的试剂，以及不同试剂对应的氧气制备方法需要使用的装置。之后，教师分别使用不同的试剂与装置向学生演示不同的氧气制备过程。接着，教师向学生提问。

师：刚刚老师演示的各种制备氧气的方法中使用了不同的试剂，那么为什么老师使用不同的试剂都能够得到氧气呢？

生：因为这些试剂的分子结构中都含有氧元素。

教师根据学生的回答，给学生介绍各种实验室制备氧气的基本原理——置换反应。同时以化学式的形式给学生展示各种实验室制备氧气的化学反应原理。

师：在了解了各种实验室制备氧气的原理后，根据现有条件，应该选择哪一种制备氧气的方法，既能保证氧气制备过程中的安全与操作简便，又能使用最少量的试剂得到更多的氧气？选择依据是什么？

学生根据教师的问题，以小组为单位依次开展高锰酸钾制取氧气、氯酸钾制取氧气及双氧水制取氧气的实验。实验过程中，学生根据问题要求使用各种反应物质的质量应相等，反应催化剂不直接参与反应，催化剂使用量设置只需考虑实验具体需求即可。根据三次实验结果，学生能够发现以下现象。

1.等质量产生氧气最多的是过氧化氢（双氧水），其次是氯化钾，最少的是高锰酸钾。

2.等物质的量产生氧气最多的是氯化钾，另外两个一样大。

3.等量电子产生氧气最多的是过氧化氢（双氧水），另外两个一样大。

到此，学生形成问题：为什么不同的反应方式在使用反应物质量相同的情况下制取得到的氧气质量会有明显差别？教师根据学生的疑问，给学生具体讲解化学反应中的质量守恒原理，让学生加深对实验室氧气制备中置换反应与氧化还原反应原理的了解。

该环节的最后，教师要求各小组学生选派代表面向全班学生详细说明各种实验室制备氧气的方法、化学反应原理、化学反应过程条件等，并根据小组成员在实验过程中的真实感受进一步说明个人认为的各种实验室制备氧气的方法的优势与劣势。教师应详细记录学生的回答内容与表现。

（设计意图：在此环节中，通过关联活动内容与以前所学知识，一方面带领学生回顾以前所学的化学知识，引导学生将活动内容与学科知识紧密连接到一起，为学生活动中动手实践提供理论知识支撑。另一方面有助于学生进一步认识到学科理论知识对实践活动的影响，以激发学生对学科知识学习的意愿。在该环节中设置实验室氧气制备试剂、装置与反应原理对比分析内容，能够有效培养学生在化学知识学习中的分析评价及解释说明能力，让学生在该环节中生成比较、分类等科学性思维，及元素观、转化观、守恒观等化学学科中重要的思想理念，为学生今后的化学学习奠定扎实的基础。）

▲活动3：设计制作简易制氧机，验证简易制氧机实际运行效果

任务驱动：

学生根据上一活动环节中了解的实验室制备氧气的反应原理设计制作可实际运行的简易制氧机。

活动具体实施：

教师从学校器材室中取用各种可用于制作简易制氧机的材料与试剂，供学生活动中选择使用。

师：制作简易制氧机需要考虑哪些方面的问题？如何让制作的制氧机既漂亮，又具备实用价值？

学生根据教师的提问，按照活动中既定的分组进行简易制氧机的制作。各组学生根据小组内部建议确定简易制氧机制作中应用的化学反应原理，并根据化学反应原理选择合适的材料设计并制作简易制氧机，并画出装置运行的原理图。之后，各组学生依次向教师与其他小组的学生介绍本组制作的简易制氧机。介绍环节中，学生首先使用简易制氧机设计环节绘制的装置原理图详细说明简易制氧机的设计思路与科学依据。然后，学生启动简易制氧机向教师与其他学生具体展示简易制氧机的工作状态。

所有小组制作的简易制氧机展示完毕之后，教师可以让各小组学生在不选择自己小组的前提下向自己认为外观最美观、运行机制最合理、实用效果最好的简易制氧机投票，选出该环节中的优胜小组，由教师给予该小组特定的奖励。

（设计意图：该环节中，教师首先通过提问，引导学生在简易制氧机设计与制作中明确美观、实用的大方向，让学生尽可能在活动中完成简易制氧机的制作。在学生完成简易制氧机的制作后，再开展各组学生制作成果的评选，真正构成完整的活动流程。这一环节的设计，旨在通过学生实际动手制作简易制氧机与对应的评选活动锻炼学生的动手实践能力、分析评价能力与审美素养。）

▲活动4：活动成果最终展示，开展项目式学习整体评价

任务驱动：

在教师评价的基础上，各组学生进一步细化对其他小组简易制氧机制作各个方面的评价，根据评价结果对简易制氧机制作水平进行分级。

活动具体实施：

教师编制制作简易制氧机成果评价表，每个小组一份（见文末表1）。

各组学生按照要求填写表格，根据表格内容进行制作成果分级，以分级结果确定各个作品的展示位置，评分越高的作品展示位置越靠近中心展位。之后的简易制氧机作品展览活动的筹备由教师与学校协调进行。

（设计意图：通过展览活动让项目式学习活动的实践性得到凸显，借助表格中的各项内容完成活动流程回顾与活动整体评价两项内容，最终形成完整的项目式学习过程。）

四、反思与建议

“制作简易的制氧机”项目式学习活动设计与实施，整体以“从理论到实践”的思路进行，以此带动学生各个维度学科核心素养的提升。根据上述活动设计与实施内容，本次研究最后就初中化学中开展跨学科项目式学习提出以下几点建议。

1.从教学内容出发关联多学科知识，促进学生跨学科思维发展。鉴于化学学科知识与生活实践的联系，跨学科项目式教学活动中教师要依托教学知识关联的生活实际，以此作为载体引入其他学科知识，充分体现跨学科教学内涵。

2.从学生学习实际情况出发，科学安排课时。从以上活动设计与实施内容中能够看到，初中化学跨学科项目式学习活动开展需要大量的课时支撑。教师在实际教学中要重视活动开展与其他教学活动课时协调的问题，保证活动开展有足够的课时，让项目式学习活动效果得到充分的体现。

（作者单位：天津市军粮城中学）

编辑：赵文静