跨学科学习在高中化学实验教学中的实践应用

摘 要：在高中化学实验教学中让学生实现跨学科学习，可以从制订目标、组织教学内容、采用具有创新性的教学方法等三个方面逐步推进。“探究化学电池工作原理”实验教学融合了化学、物理和数学等多个学科的知识，是实现跨学科学习的优质载体，因而课题组聚焦该实验，综合考虑设定知识、能力和素养等三个方面目标，运用问题导向与项目式学习开展教学实践研究。

关键词：跨学科学习；高中化学；实验教学

中图分类号：G63 文献标识码：A 文章编号：0450-9889（2024）29-0126-04

跨学科学习是一种将不同学科知识和技能有机整合的教育理念和方法，它能够打破传统学科界限，鼓励学生多维度、多角度理解和解决问题，这种学习方式有助于培养学生的实践技能、思维能力和创新意识。当今世界科技飞速发展，国家大力培养拔尖创新人才，在深化教育体制机制改革的新时代背景下，跨学科学习越来越受到教育界的重视，它不仅能够帮助学生建立各学科知识间的联系，还能够提高学生的学习效率和激发学生的学习兴趣。用这一理念指导高中化学实验教学，可以为学生提供更加丰富、生动的学习体验，使学生感悟各学科知识的融合，激发学习兴趣，进而促进学生全面发展。

一、跨学科化学实验课程的整体规划

跨学科化学实验课程的整体规划是实现高效教学的关键环节。在规划过程中，需要充分考虑化学学科的特点，同时兼顾其他相关学科的知识体系。通过深入分析《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》和《中国高考评价体系》，可以明确跨学科实验教学的目标和内容。在此基础上，制订详细的教学计划，包括实验项目的选择、实验流程的设计以及评价体系的构建。这种整体规划不仅要关注知识的横向联系，还要关注知识纵向的衔接与递进，从而形成一个系统化、结构化的跨学科实验课程体系。在具体实施过程中，可以选取高中化学实验教学中的典型案例进行跨学科整合［1］。例如，在教学“配制一定物质的量浓度的溶液”实验时，可以引入数学中的浓度计算知识，结合物理中的密度概念，甚至涉及生物学中的溶液渗透压原理。通过这种多学科融合的方式，学生能够更全面地理解实验原理，掌握实验技能。

二、跨学科实验教学实施架构

（一）制订目标

跨学科实验教学目标的制订是一项复杂而精细的工作，需要全面考虑多个学科的特点和要求。高中化学实验教学目标，不仅要体现化学学科核心素养，还要兼顾相关学科的知识技能。制订目标时应当遵循“由浅入深、循序渐进”的原则，既要符合学生的认知水平，又要具有一定的挑战性。具体而言，可以将目标分为知识目标、能力目标、情感态度与价值观目标三个维度。知识目标理解和掌握化学概念，同时要求学生能够建立起化学知识与其他学科知识的联系；能力目标强调实验操作技能的训练，以及跨学科思维和问题解决能力的培养；情感态度与价值观目标则着眼于激发学生的学习兴趣，培养科学探究精神和创新意识［2］。在实际教学中，可以结合具体的实验项目来细化教学目标。例如，在教学“电解水”实验时，知识目标可以设定为理解电解原理和氧化还原反应机制；能力目标可以包括掌握电解装置的搭建技巧，学会观察和记录气体的产生过程，并能够运用数学知识计算气体的体积比；情感态度与价值观目标则可以是引导学生关注新能源技术和培养学生的环保意识。通过设定多维度、跨学科的目标，引导学生在实验过程中获得全面发展。同时，教师还应根据学生的实际表现和反馈，适时调整和优化教学目标，确保目标的科学性和可达性。这种精心制订的跨学科实验教学目标，将为高中化学实验教学注入新的活力，推动学生全面而深入地学习和成长。

（二）组织教学内容

跨学科实验教学内容是实现教学目标的关键，需要精心筛选和巧妙安排。在高中化学实验教学中，选择适合跨学科融合的内容时，应当以化学核心知识为基础，同时考虑与其他学科的关联性和整合可能性。选择标准应包括内容的典型性、代表性和启发性，既要涵盖基础性实验，又要包含一定的探究性实验。例如，选择“酸碱中和滴定”实验作为教学内容时，可以引入数学中的函数图象分析、物理中的溶液电导率测定以及生物学中的pH对酶活性的影响等相关知识。这种融合了多学科知识的内容，能够帮助学生建立知识间的联系，深化对实验原理的理解，培养跨学科思维能力。

在组织跨学科实验教学内容时，应当遵循“由易到难、由简到繁”的原则，构建一个逻辑严密、层次分明的内容体系。可以采用主题式或问题导向式的组织方式，将不同学科的知识点有机整合。例如，以“水的性质”为主题组织一系列跨学科实验：从化学角度研究水的电离、水的硬度测定，从物理角度测定水的比热容，从生物学角度探讨水在生命活动中的作用。通过组织这种系统化的内容，能够引导学生多角度、全方位地理解和掌握相关知识。在具体实施过程中，还应当注意实验内容的衔接和递进，确保学生能够循序渐进地提升实验技能和认知水平。

（三）创新教学方法

跨学科实验教学方法的创新与应用是提升教学效果的重要途径，要求教师打破传统思维模式，积极探索新型教学策略。在高中化学实验教学中，将化学实验与其他学科知识有机融合［3］。例如，“配制一定物质的量浓度的溶液”实验涉及物质的量浓度计算、比例计算、密度测定和渗透压等内容，其中涉及的公式分别用于确定溶质的量浓度、溶液的密度与溶液的渗透压，体现了化学、物理和生物学原理的交叉应用。通过设置跨学科问题情境，能够引导学生运用多学科知识解决实际问题。同时，可以借助信息技术，如虚拟仿真实验、数据采集与分析软件等，丰富实验教学手段，提高学生的学习兴趣和参与度。这种多元化的创新教学方法不仅能够加深学生对实验原理的理解，还能培养其综合运用知识的能力。又如，在教学与物理相关的化学实验时，诸如“中和反应反应热的测定”这类探究实验，可以采用小组合作的方式，让学生分工协作完成实验设计、数据采集和结果分析。同时，引导学生运用物理知识正确使用温度计，了解如何使用环形玻璃搅拌器以及如何设计简易量热计隔热层，利用物理中的能量公式计算放出的热量（Q=cm（总）×△t），结合中和热的概念，推导出中和热的值，并学会分析实验误差等。通过这种跨学科学习，学生不仅能够掌握化学实验技能，还能培养团队协作和批判性思维能力。此外，教师还可以鼓励学生进行实验设计创新，如改进实验装置或优化实验流程，从而激发其创新意识和实践能力。

三、跨学科化学实验教学的实践案例

（一）教学内容选择

“探究化学电池工作原理”的实验是一个极具代表性的跨学科实验教学案例。该实验巧妙地融合了化学、物理和数学等多个学科的知识，是一个比较全面的学习载体。在实验设计中，教师可以围绕教材中原电池的基本结构展开，引导学生深入理解氧化还原反应的本质［4］。实验过程中，学生需要准备硫酸铜和硫酸锌溶液，并使用铜片和锌片作为电极材料，构建包含盐桥、电流表的完整电池系统。当闭合线路时，学生通过观察电流表指针偏转，能够直观地体验到化学能向电能的转化。此外，学生可以通过改变电解质溶液浓度或更换金属材质，探究影响电池性能的多种因素，从而加深对电化学原理的理解。在实验数据的收集和分析阶段，学生运用多学科知识进行综合思考，更全面地掌握电池的基本原理。例如，利用数学知识绘制电压—时间关系图，分析电池放电过程中的变化趋势；运用物理学中的电路知识，计算电池的电阻和最大功率输出。

学生在这样的跨学科实验中不仅能够提高实验操作技能，还能培养数据分析能力和逻辑思维能力；可以深刻体会到化学、物理和数学等学科之间的紧密联系，从而形成更加系统和全面的科学认知。同时，这一教学内容也反映了当代科技发展的趋势，如新能源汽车的普及，使学生能够将所学知识与实际生活紧密联系，增强学习的实用性和趣味性。

（二）综合考虑设定教学目标

在高中化学跨学科实验教学中，教学目标的设定需要综合考虑化学、物理和数学等多个学科的知识点，以及学生的认知水平和实际操作能力。

以“探究化学电池工作原理”的实验为例，教学目标可以从知识、能力和素养三个方面进行设定。在知识层面，教学目标应包括理解氧化还原反应的本质、掌握正负电极判断原理以及认识化学能与电能之间的转化过程。具体而言，学生应能够识别化学电池中的电极是发生氧化反应还是发生还原反应，能够书写电极反应式；能解释电子在外电路中的移动方向、判断电流方向、解释电解质溶液中离子移动方向、计算外线路中电子移动的物质的量以及了解盐桥在维持电路中发挥的作用；了解电极材料的种类和电解质溶液的浓度等对电池电动势的影响。

在能力层面，教学目标应涵盖实验操作技能、数据处理能力以及跨学科思维的培养。学生应能够正确搭建简单的化学电池装置，准确测量和记录实验数据，并运用数学知识绘制电压—时间关系图。此外，教学目标的设定还应关注学生的科学探究能力和创新思维。通过设计开放性的实验问题，如探究不同金属电极组合对电池电压的影响或研究温度变化对电池性能的作用，激发学生的好奇心和探究欲。

在素养目标方面，应重点关注学生的科学态度和跨学科协作精神。设计小组合作实验任务，通过小组合作探究，激发学生的思考力，讨论不同的结果，可以培养学生学会尊重不同观点，进而提升团队协作能力。同时，将电池技术与新能源开发、环境保护等社会热点问题相结合，可以增强学生的社会责任感和可持续发展意识，发展学生科学探究与社会责任方面的化学学科核心素养。例如，引导学生思考化学电池在新能源汽车中的应用，以及如何通过改进电池技术来减少环境污染。通过设定这种多维度、跨学科的教学目标，不仅能够提高学生的化学专业知识水平，还能培养他们的综合素质和创新能力，为未来的学习和生活奠定坚实基础。

（三）问题导向与项目式学习结合展开教学

与常规教学相比跨学科化学实验教学，教学内容呈现出显著的创新特征和差异。在常规教学中，化学电池的知识点往往被割裂地呈现，学生难以形成系统的认知。而在跨学科教学中，学生需要通过设计和搭建实际的电池装置来解决实际问题，从而深入理解电化学原理［5］。为此，教师可以将问题导向式教学（Problem-Based Learning，PBL）与项目式学习（Project-Based Learning，PBL）相结合展开教学。以“探究化学电池工作原理”的实验为例。

1.设定情境与提出问题

首先，教师可以设定一个与化学电池相关的真实情境或问题，例如“如何设计一个环保的家用应急电源？”或“为什么某些化学电池比其他电池的使用寿命更长？”，结合生活实际设计问题，激发学生的兴趣，同时引导他们思考化学电池的工作原理。

2.小组合作与初步探究

学生被分为若干学习小组，每组围绕提出的问题进行初步的资料收集和讨论。在这个阶段，学生需要利用现有知识和资源，对问题进行初步的分析，形成初步的假设和理论框架。教师可以提供一些基础的化学电池知识，鼓励学生自主深入探索和学习。

3.设计实验与数据收集

此环节，学生需要设计实验来验证他们的假设。这可能包括设计不同类型的化学电池，如镁—铝—氢氧化钠原电池或铅酸电池，并观察和记录电池的性能，如电压、电流和持续时间。教师提醒学生在设计实验时，应当考虑实验的安全性、有效性和可行性。

4.数据分析与结论形成

学生收集到数据后，需要进行数据分析，使用图表、曲线图等工具来展示实验结果，然后基于数据分析形成结论。教师可以引导学生思考实验结果与他们初步假设之间的关系、可能的误差来源。

5.项目展示与反思

学生以小组为单位，聚焦一个项目向其他同学和教师分享他们的发现，包括实验设计、数据分析和结论。项目展示方式可以是口头报告、海报展示或电子演示文稿。展示结束后，全班讨论和反思实验的创新点、遇到的挑战以及如何改进实验设计，以思维导图的形式归纳总结知识点。

6.扩展与应用

为了进一步深化理解，教师可以引导学生思考化学电池工作原理在实际生活中的应用，如电池在新能源汽车或便携式电子设备中的应用。这不仅可以加深学生对化学电池工作原理的理解，还能培养他们将科学知识应用于解决实际问题的能力。

将问题导向式教学与项目式学习相结合，运用于探究化学电池工作原理的实验教学，是一种创新而有效的教学方法。这种方法不仅能够激发学生的学习兴趣，而且能够培养他们的批判性思维、解决问题的能力和团队协作精神，发展学生科学探究与创新意识、科学态度与社会责任等化学学科素养。

四、教学实践成果与思考

探究化学电池工作原理的实验教学取得了显著的教学效果。通过将理论知识与实践操作相结合，学生不仅加深了对电化学概念的理解，还提高了动手能力、发展了科学探究精神。学生对教材中探究内容“简易电池的设计和制作”很感兴趣，他们以水果电池为参照，自制其他水果电池，如柠檬电池、百香果电池、西瓜电池、苹果电池等，比较不同水果的导电性能并分析影响因素。甚至有学生思考多少个柠檬电池串联可以启动汽车，他们运用物理知识分析并经过数学运算认为，需要1 000个以上柠檬电池串联才能启动汽车，但水果电池的缺点是放电时间太短。学生对电化学知识的掌握更加牢固且深入。90%以上学生表示这种学习方式不仅能够夯实电化学基础，还能够加深对电池中的物理知识的理解，增强数学运算能力；80%的学生认为自己的科学思维得到了显著提升。在学校科技节上，化学兴趣小组的学生展示各种与电池有关的小制作，如用磁铁和电池做一个小吊扇、用瓶盖和废旧电池自制磁铁动力小车等。

开展跨学科化学实验教学的实践探究是创新中学化学实验教学的切入点，更突出“以实验为基础”的学科特点，为实验演示教学和学生分组实验注入了新的活力。通过融合数学物理、生物学、地理和信息技术等学科知识，学生既能夯实各学科基础知识，又进一步拓宽视野，提升动手能力、观察能力、数据处理能力等能力。这种教学模式不仅激发了学生的学习兴趣，还培养了创新思维和实践能力。持续深化跨学科教学实践，将为培养全面发展的人才奠定基础，推动高中化学教育的不断发展和进步。

参考文献

［1］张建军.高质量高中化学实验教学方法的运用探讨［J］.中学课程辅导，2024，（18）：96-98.

［2］陈杰.基于核心素养的高中化学实验教学策略［J］.高考，2024，（16）：94-96.

［3］辛金芝.核心素养下的高中化学实验教学策略探究［J］.中学课程辅导，2024，（16）：21-23.

［4］胡春艳.核心素养下的高中化学实验教学创新策略［J］.高考，2023，（32）：123-125.

［5］李业贵.高中化学实验教学创新优化策略研究［J］.高考，2023，（16）：21-23.

注：本文系广西教育科学“十四五”规划2024年度专项课题“跨学科学习在化学实验教学中的应用研究”（2024ZJY1072）的研究成果。

（责编 刘小瑗）