大概念引领的跨学科实践活动设计与实施

摘 要： 以北京版初中化学教材“常见的液体——水”单元知识为载体，设计主题为“大运河水的净化与元素组成研究”的跨学科实践活动，探索大概念引领的跨学科实践活动的设计与实施策略，以激发学生对新授课化学知识的学习兴趣，帮助他们在解决实际问题的过程中整合多学科知识，形成合理的知识结构和良好的核心素养。

关键词： 初中化学； 跨学科实践； 大概念； 单元核心知识结构

文章编号： 10056629（2024）12005706

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

《义务教育化学课程标准（2022年版）》（以下简称“课程标准”）强调，教师应注重基于大概念组织单元教学内容，发挥大概念的统摄作用；还应重视跨学科内容的选择和组织，加强化学与物理、生物、地理等学科的联系［1］。大概念是一种概念性工具，用于强化思维，连接不同的知识片段［2］。充分发挥大概念对跨学科知识的整合功能，对设计跨学科实践活动及发展学生的核心素养有很强的现实意义。

跨学科实践学习是一种以解决真实问题为核心的深度学习，其基本理念是为理解而学、为生活而学、为学科而学［3］。实施跨学科实践学习要坚持教育的根本立场，明确教育的要求和底线，真正发挥其整体育人的教育功能［4］。其中，发挥其教育功能的重要手段之一就是在大概念的引领下融合多学科知识解决真实问题。为此，不少研究者对基于大概念的跨学科实践活动进行了设计或实施。总体来看，基于大概念设计跨学科实践活动的重要策略之一就是要用结构化知识促进学生形成结构化认识。但是，大部分研究仅聚焦在学生已学化学知识的应用上，而如何以跨学科实践活动方式讲授新课，既满足学生运用知识解决实际问题的需求，又能落实新授课中的化学知识，是一线化学教师更为关注的问题。

基于上述分析，以北京版初中化学教材中“常见的液体——水”单元知识为载体，设计“大运河水的净化与元素组成研究”为主题的跨学科实践活动，探索大概念引领的新授课跨学科实践活动的设计与实施策略。

1 前期分析

1.1 教学内容分析

在教材中，“常见的液体——水”单元主要包括“水的净化”“水的变化”和“水资源的开发、利用和保护”三部分内容。在“课程标准”学习主题2“物质的性质与应用”学业要求中提出要“对水体保护等社会性科学议题展开讨论，积极参与相关综合实践活动”［5］。为了帮助学生更好地理解本单元知识内容并达成课标学习要求，以北京城市副中心的重要景观资源京杭大运河的水为真实情境，以解决“如何获得纯净的大运河水并研究其元素组成”这个真实问题，设计“大运河水的净化与元素组成研究”为主题的跨学科实践活动，旨在让学生了解大运河水质及保护要求，学习有关水的化学知识和相关实践技能，提升综合运用多学科知识解决实际问题的能力，感悟化学学科知识在认识和解决实际问题中的价值。

本单元的知识内容不仅涉及化学学科知识（如混合物、纯净物、元素、沉淀、过滤、吸附、蒸馏、硬水、软水、电解水装置等），也涉及部分生物学（如微生物、显微镜等）、环境科学（如水资源、水质检测、水体保护等）和工程技术（如制作净水器）等相关知识，为开展跨学科实践活动奠定了丰富的知识与技能基础。跨学科实践活动的核心要义是让学生综合运用知识解决实际问题，但这些学科知识不能拼盘式地堆放在一起，需要借助大概念的结构化功能进行整合。

1.2 教学内容结构化设计

通过上述分析，本跨学科实践活动主要涉及的跨学科大概念为“结构与功能”，学科大概念为“物质的组成影响其性质”和“装置的结构决定其功能”。在此基础上，结合跨学科实践知识内容和化学学科视角，将大概念进一步分解为“化学上研究物质组成的前提需获取纯净物，可通过物质分离来获取纯净物、可通过化学反应研究纯净物的组成”的单元大概念（注：为便于术语表述，将本跨学科实践活动整体看作一个教学单元），以此来统领本跨学科实践活动的设计和实施。为了帮助学生建立单元大概念，进一步将其分解为“自然界的水是一种混合物”“利用混合物中各组分之间的性质差异进行分离”和“纯水是由氢元素和氧元素组成的”三部分认识，作为教学单元的核心知识内容。

在各级大概念的引领下，构画了教学单元的单元核心知识结构图（见图1）。大概念的教学内容结构化既为学生学习大概念提供了认识路径，也为教师基于大概念进行化学教学提供了技术路径［6］。通过图1可以看出，单元核心知识结构是对跨学科大概念、学科大概念、单元大概念的具体化表征，为教师设计跨学科实践活动目标、问题线索、实践任务和评价措施等提供了蓝图。

1.3 学情分析

本节课的教学对象是刚刚接触化学学科的初三学生，经过初一、初二生物学科和物理学科的学习，学生已具备一定的科学观念、科学思维和实验能力，能从“结构与功能”的角度认识实物装置，能够完成一些简单的实验操作。但总体上学生的实验设计、实验操作、证据推理等能力还比较薄弱，学过的物理、生物和化学知识也比较零散，缺乏有机整合。虽然对自然界中的水有一定认识，但尚未形成从化学视角认识和解决生活中与水相关的实际问题的能力。

2 教学目标设计

通过图1可以看出，为解决“如何获得纯净的大运河水并研究其元素组成”这一真实情境问题，本跨学科实践活动有三个重要的实践任务：调查大运河水质、自制净水器净水、探究水的组成及变化。通过三个任务的实践体验，学生将获得相关事实证据，亲身体验和深刻理解单元大概念的内涵及价值。结合学生核心素养发展要求，将跨学科实践活动的主要学习目的聚焦为获取新知识、促进概念理解、提升实践能力和感悟化学价值。所以，本跨学科实践活动学习目标设计如下：

目标1：通过自然观察和水质检测活动，了解自然界（大运河）中的水资源及水质情况，感悟保护水资源的重要性。

目标2：知道化学研究物质组成的前提是要获取纯净物，体验净水器的制作过程和净水过程，深化对“装置的结构决定其功能”的理解。

目标3：通过水的组成与变化实验探究，了解化学研究物质组成的方法，认识到水是由氢元素和氧元素组成的，深化对“物质的组成影响其性质”的理解。

目标4：通过设计实践方案和体验实践活动，提升综合利用化学及其他学科知识解决实际问题的能力，感悟化学学科知识在认识和解决实际问题中的价值。

3 教学思路

为了突出学生的主体性和学习任务的挑战性，在实践活动整体思路设计中参照项目式教学的相关环节和要素，遵循如下过程：提出跨学科的真实问题、选取用于问题解决的不同学科视野、综合探索解决问题、整合形成跨学科成果［7］。按照“教学评”一体化的理念，以开展“调查大运河水质”“自制净水器净水”和“探究水的组成与变化”三个实践任务为核心，每个核心实践任务为一个课时，整体为3个课时，并以学习目标、驱动性问题、实践任务及过程和评价措施为要素，整体设计了单元教学思路（见图2）。驱动性问题的设计紧扣单元核心知识结构的形成过程，并与实践任务和评价措施对应起来，成为落实学习目标的重要载体。

4 主要教学实施过程

本班共有学生30人，在“调查大运河水质”任务中，分为3个大组，每个大组提交一份水样；在“自制净水器净水”和“探究水的组成与变化”任务中，30人分为5个小组，每个小组自制一个净水装置和完成一份实验报告单。

4.1 调查大运河水质

第1课时以落实目标1和目标4为主，重在汇报取样过程和检测水样。

［教师］能否直接用自然界的水来研究水的组成与变化，为什么？

［学生］自然界的水有很多杂质，可能影响研究结果，不能直接研究。

［教师］大家的猜想是否正确呢？先来回顾十一假期前给大家布置的水样采集任务。请每组各选一名同学汇报采样情况，其他组按照“调查大运河水质任务标准”（见表1）进行评分。

［学生活动1］展示水样，汇报采集过程，对其他小组进行评分。

［教师］各组代表汇报都很清楚，大运河的水质到底怎样？请各组从3份水样中分别取100mL，用显微镜和水质检测仪进行观察和检测。

［学生活动2］观察与检测，填写调查报告。

［学生活动3］分组汇报实验过程、现象和结论（见表2示例）。

［教师］各组的调查报告都比较详细，组员分工明确，通过观察与检测，我们知道大运河的水确实是一种混合物，不仅有微生物，还有我们看不到的物质，这些都有可能干扰我们的研究结果。为了研究水的组成，我们要想办法获取纯净的水。

4.2 自制净水器净水

第2课时以落实目标2和目标4为主，重在自主设计模型图，制作净水器。

［播放］自来水厂净水过程的视频。

［教师］请大家想想混合物分离的方法有哪些？

［学生］沉降、过滤和吸附。

［教师］如何设计一个简易的净水器？需要考虑哪些因素呢？

［学生］所用材料、价格、净水顺序、净水效果。

［教师］发布自制净水器任务，并明确任务标准（见表3）。

［学生活动1］设计净水器模型图（见图3），并派代表展示。

［教师］提供实验用品矿泉水瓶、棉花、纱布、活性炭、石英砂、小卵石和鹅卵石。

［学生活动2］制作净水器（见图4），进行效果检测，并记录实验结果。

［学生活动3］根据净水效果，组内讨论反思。

组1：本组净水器水流速度很快，但流出的水依旧浑浊，要加固出口处的棉花层和活性炭层起到更好的净化效果，只能达到“中”等级。

组2：本组净水器活性炭用量较少，没有起到吸附效果，等级为“差”。

组3：本组净水器水流速度太慢，所用石英砂太多，应减少它的用量，但净水效果较好，达到了“好”等级。

组4：本组净水器选用矿泉水瓶的高度太低，导致每一层的材料高度也低，未达到净水效果，等级为“差”。

［教师］大家都发现了本组净水器的优点与不足，今天我们化身工程师，将工程技术与化学知识融合起来制作简易净水器，感受装置结构与功能的关系。在此项任务中，大家都参与制作过程，并提出好的想法，且在看到其他组净水效果后能及时改进本组装置的不足，这类似于科学家们在科学探索中经历的一次次改进过程。

4.3 探究水的组成与变化

第3课时以落实目标3和目标4为主，让学生通过实验来探究水的组成。

［教师］简易净水器得到的水依然不是纯净水，我们还可以利用蒸馏方法对净化后的水进行蒸馏获得更加纯净的蒸馏水。

［教师演示实验］制取蒸馏水。

［教师］大家想一想，在蒸馏过程中水发生了哪些变化？我们怎样从化学的角度研究水的组成与变化呢？

［学生1］水受热变成水蒸气，水蒸气冷凝后又变成了液态水。

［学生2］网上有视频将电极插到水里后有气泡产生。

［教师］你们知道这些气泡是什么吗？水发生了什么变化呢？我们来进行实验探究。

［教师］提供学生电源、导线、电解水装置、纯净水（含电解质），并给出“电解水实验任务标准”（见表4）。

［学生活动1］完成电解水实验，记录实验现象，汇报实验结果。

［教师］2、 4、 5组电解水的时间长，顺利看到实验现象，正确填写实验报告，记为“好”等级；3组同学看到了带火星的木条复燃，对于氢气的现象描述不太准确，记为“中”等级；1组同学因操作不当没有看到现象，只能记为“差”等级，请课后再完善实验。

［播放］“氢气在氧气中的燃烧实验”的视频。

［教师］无论是将水进行电解（分解法）还是将氢气进行燃烧（合成法），都可以得到“水是由氢元素和氧元素组成”的这个实验结论。

最后，为了检验学生对电解水实验和水的元素组成的理解，教师布置了如下练习题：

用下图装置探究水的组成及变化。

（1） 检验管b中气体的操作是 。

（2） 用上图装置验证水的组成。下列说法不正确的是

A. 水发生了分解反应

B. 用燃着木条检验a管气体，观察到气体燃烧

C. b管气体能使燃着木条燃烧更旺，说明水中含有氧气

D. 该实验证明水由氢元素和氧元素组成

检测结果显示，93.9%的学生能够答对问题（1），90%的学生能够答对问题（2）。

5 教学反思

为了解教学效果，课后进行了学生访谈、同行评议，各方给出了较高评价。总体来看，大概念引领的新授课跨学科实践活动的设计与实施，相比以往讲授式教学，更能够激发学生的探究热情，增强学生的学习参与度和获得感。特别是在真实情境问题和挑战性任务的驱动下，学生根据实验观察和实践体验生成了新的化学知识，基于证据推理深度理解了“自然界的水是一种混合物”“利用混合物中各组分之间性质的差异进行分离”和“纯水是由氢元素和氧元素组成的”三大单元核心知识；根据问题解决需要调用与整合其他学科知识，形成了较合理的知识结构，较好地达成了核心素养发展要求。

参考文献：

［1］［5］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， 2022：13～42.

［2］格兰特·威金斯等著. 闫寒冰等译. 追求理解的教学设计（第二版）［M］. 上海： 华东师范大学出版社， 2017： 70～77.

［3］张华. 跨学科学习： 真义辨析与实践路径［J］. 中小学管理， 2017， （11）： 21～24.

［4］郭华， 袁媛. 跨学科主题学习的基本类型及实施要点［J］. 中小学管理， 2023， （5）： 10～13.

［6］王钦忠. 用结构化的教学内容引导学生建构知识［J］. 化学教学， 2023， （4）： 33～37.

［7］夏雪梅. 跨学科项目化学习： 内涵、设计逻辑与实践原型［J］. 课程·教材·教法， 2022， 42（10）： 78～84.