核心素養(yǎng)視域下的初中化學跨學科項目式學習的設計與實施

鄧海英 張智

【摘要】本文對跨學科項目式學習模式在初中化學的應用進行實踐探索，以“模擬自來水廠凈水器的制作”為項目主題，運用系統(tǒng)思維挖掘項目背后承載的學習目標和任務安排，通過探究水質影響因素、學習凈水的方法和自來水廠凈水過程、明確凈水方法和凈水材料、模擬自來水廠凈水器的制作、測試凈水器的凈水效果等項目活動的學習，提高學生解決真實情境問題的能力。

【關鍵詞】核心素養(yǎng) 初中化學 跨學科項目式學習 凈水器的制作

【中圖分類號】G63 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2023）01-0051-04

《義務教育化學課程標準（2022年版）》把科學探究與實踐作為化學學科所要培養(yǎng)的學生核心素養(yǎng)之一?？茖W探究與實踐是指經歷化學課程中的實驗探究，基于學科和跨學科實踐活動形成學習能力；是綜合運用化學等學科的知識和方法，通過一定的技術手段，在解決真實情境問題和完成綜合實踐活動中展現能力與品格。在實踐活動中，對真實的情境問題，學生可以綜合運用不同學科的知識進行探究，從而得出問題的解決方法或一系列結論。

項目式學習是一種圍繞真實而復雜的情境問題進行項目設計，以實驗探究、小組合作等方式實施項目，以構建學生知識體系、提升學生必備的學科技能、實現學生全面發(fā)展為目標的學習方式。項目式學習致力于提高學生探究問題和解決問題的能力。在單一的學科背景下，學生很難得到在復雜情境中解決問題的體驗。因此，為學生創(chuàng)造一個能自覺運用多門學科知識解決實際問題的學習情境，是設計與實施項目式學習的關鍵?？鐚W科項目式學習是一種融合跨學科知識的綜合性、探究性深度學習方式。在項目實施過程中，學生運用所學多學科知識解決問題，從而建立整體知識觀、生活觀和世界觀，最終達到培養(yǎng)核心素養(yǎng)的目的。本文以“模擬自來水廠凈水器的制作”項目式學習為例，闡述核心素養(yǎng)視域下的初中化學跨學科項目式學習的設計與實施。

一、項目內容的選定

開展項目式學習，首要環(huán)節(jié)是構建一個有質量的項目。項目的質量直接影響學生在項目活動中的參與程度，也將影響學生對項目所承載的核心知識的掌握情況。在初中化學學科內開展項目式學習，必須圍繞初中化學的核心知識進行項目構建，體現化學學科的思想方法和學生核心素養(yǎng)的發(fā)展。在項目構建過程中，教師主導項目的整體方向：既要引導學生積極參與，對項目進行深入思考，發(fā)現自己的興趣點和疑問點，又要幫助學生從海量的素材中提取出適合學生學習的項目內容。項目內容的選定應符合初中化學綜合實踐活動的特征、初中生的心理特點、所實施學校學生的基本學情以及資源保障條件等，確保項目的可操作性。項目內容還要符合初中階段化學學科知識的背景，保證來源于教材并高于教材，同時考慮多學科內容的相互滲透。

例如，學生在學習了人教版化學九年級上冊教材中的靜置沉淀、過濾、吸附、蒸餾四種凈水方法后，對水的凈化知識有了一個較為全面的認識，并大致了解了自來水廠的生產流程。初中生有很強的好奇心和探究欲，對化學實驗的興趣濃厚，具有一定的知識基礎和探究能力。針對水的凈化這一生活實際問題，教師可以設計化學與生活緊密聯系的實踐活動項目——模擬自來水廠凈水器的制作，鞏固學生對水的凈化知識的理解，引導學生在實踐活動中逐漸形成保護和節(jié)約水資源的可持續(xù)發(fā)展意識和社會責任。該項目以水的凈化為主要探究內容，涉及水中污染物的分析、水質的分析與檢測、水的凈化方法的選擇、凈水材料的測試與選擇、凈水器的設計與制作、水凈化后的水質再分析、動力學系統(tǒng)設計等內容，融合化學、生物學和物理課程的相關知識。學生在項目實踐中可以發(fā)展合作、創(chuàng)新、多角度分析和解決問題的能力，在運用多學科知識和簡單工程技術的方法解決問題的過程中促進深度學習和知識的系統(tǒng)構建。

二、項目設計思路和學習流程

（一）項目設計思路

項目式學習首先要明確該項目的元認知和項目成果之間的發(fā)展區(qū)，把主項目拆分成一系列子項目，引導學生合作學習，解決問題?！澳M自來水廠凈水器的制作”項目的具體拆分思路如圖1所示。

（二）項目學習流程及其多學科知識基礎

“模擬自來水廠凈水器的制作”項目式學習包括明確項目、設計項目和評價項目三個核心流程。在項目實施過程中，學生將綜合運用多學科知識，以核心素養(yǎng)達成為終極目標進行活動。“模擬自來水廠凈水器的制作”項目學習流程如圖2所示。

“模擬自來水廠凈水器的制作”信息量大、跨學科且實踐性強，需要學生進行深入學習和系統(tǒng)探究，對學生的知識基礎和實驗操作要求較高。該項目使學生置身于真實情境中，先運用生物學知識對自來水進行“把脈診斷”，再以化學知識模擬制作自來水廠凈水器的探究活動為主線，最后運用物理知識解決“多次凈化”問題。教師根據學生已學知識，設計如表1所示“水的凈化”多學科融合實驗。

三、項目實施

項目實施環(huán)節(jié)是教師按計劃有序開展項目，學生積極參與項目學習的過程。項目實施中要注意以下兩點：第一，要嚴格按照計劃有序推進項目實施，若出現問題，要及時記錄和分析，以便進一步改善項目；第二，要注重項目實施的過程性評價。項目評價從學生參與項目主題的確定和驅動性問題的商討到最終項目成果的呈現，貫穿整個項目實施的過程。

“模擬自來水廠凈水器的制作”項目包含“分析影響水質的因素”“科技館和水廠研學”“凈水方法和凈水材料的選擇”“設計水凈化模擬器的制作方案”“制作凈水器和成果展示”五個子項目，這些項目引導學生經歷完整的探究過程，將生物學、化學和物理知識融入問題解決的全過程，幫助學生更深刻地理解化學與技術、工程、健康、環(huán)境和經濟等領域的密切聯系，實現“知、情、意、行”相統(tǒng)一的學科育人目標，切實提高學生的化學學科核心素養(yǎng)。

（一）分析影響水質的因素

教師創(chuàng)設“自來水生病”情境引發(fā)學生思考和討論，引導學生通過閱讀教材、實驗觀察深入了解水質的情況，從多學科角度分析影響水質的因素：通過生物實驗“用生物顯微鏡觀察自來水”了解水質情況，通過化學知識“用肥皂水檢驗水的硬度”了解水的硬度。教師把生活實際問題帶進項目學習當中，引導學生通過實驗探究得出水質報告，為制作凈水器做好鋪墊。

（二）科技館和水廠研學

教師組織項目學習小組利用周末去廣西科技館和大王灘污水處理廠進行研學，利用文字、照片詳細記錄研學過程，匯總成兩篇有價值的研學報告并回歸課堂做分享匯報。師生先去廣西科技館參觀水凈化模擬器，學生腦海中初步形成實體化的凈水模型；再去大王灘污水處理廠參觀各種大型凈水設備，了解自然界中的水質情況和實際生產生活中的凈水過程，從中培養(yǎng)學生關注生產生活的意識，學會運用所學知識解決實際問題。學生在整理和形成研學報告的過程中學會了查閱資料、匯總信息，提高了信息處理能力，并在小組學習活動中培養(yǎng)了合作意識和溝通交流能力。

（三）凈水方法和凈水材料的選擇

項目學習小組在經過污水處理廠的研學后，得到了一份水質報告。教師引導學生聯系生活和化學知識分析水質報告，討論和選擇凈水的方法和材料，達到凈化水的效果。

師：同學們在報告中列出了水中的主要污染物，用什么方法可以除掉水中的污染物？

生：沉淀、過濾、吸附、消毒、蒸餾。

師：生活中我們可以用哪些物質作為凈水材料呢？

生：小石子、棉花、紗布、木炭、活性炭等。

（四）設計水凈化模擬器的制作方案

從明確項目到實驗探究再到實地研學，進階至構建凈水模型，學生在教師的“問題引導”下化學觀念和科學思維得到培養(yǎng)。教師在整個過程中主要起引導和輔助作用，激勵學生結合研學經歷查閱資料或進行頭腦風暴，大膽提出設計方案，培養(yǎng)綜合考慮多種因素分析和解決實際問題的能力。

師：凈水的方法和材料找到了，同學們可以根據所學的凈水方法設計出凈水器的制作方案。凈水的方法那么多種，先進行哪一個？普通凈水的五種方法都需要用到嗎？

生：可以參考自來水廠的凈水過程，按照凈水程度由低到高對水質進行凈化，先沉淀再過濾，然后是吸附消毒。生產生活中用不到蒸餾這一凈水方法。

師：那怎樣使每一步凈水方法連貫相通呢？

生：科技館的凈水模型采用階梯式設計，是不是可以利用水自身的重力使水流經每一步凈水裝置？

師：若采用重力過濾，怎么控制水的流速？流速越慢凈水效果越好嗎？但是流速太慢也不符合生產需求。

生：要控制水的流速可以利用水泵進行調節(jié)。

學生分組活動，從材料選擇、凈水效果、節(jié)能環(huán)保等方面展開討論，得出了三種水凈化模擬器的制作方案，如圖3所示。第一種，重力過濾方案，如圖3（1）所示：6支具支試管和1支具支玻璃管呈階梯形排列，6支具支試管的支管向上橫放，試管與試管之間用導管連接，最上方的試管與水泵連接；最下方的具支玻璃管直立，支管連接漏斗，玻璃管下方連接接水池。試管從上往下依次放入凈水材料：顆粒狀大理石、石英砂、棉花、木炭、活性炭、二氧化氯。第二種，正壓過濾方案，如圖3（2）所示：6瓶試劑瓶豎直水平放置，用玻璃管和橡膠塞相連，玻璃管長端進水、短端出水。左側試劑瓶與水泵相連，右側試劑瓶塞上三孔膠塞，塞上分液漏斗，一端連接其他試劑瓶，一端與接水池相連。試劑瓶從左往右依次放入凈水材料顆粒狀大理石、石英砂、棉花、木炭、活性炭、二氧化氯。第三種，缸（盒）式梯級過濾方案，如圖3（3）所示：有機玻璃水缸左端上方連接水泵，右端下方連接接水池。有機玻璃水缸中一共分為6個池，隔板為兩層設計，靠近水泵一側的隔板一層由缸頂延伸向缸底，下方留有空隙，相隔一厘米的另一層則是由缸底延伸向缸頂，上方留有空隙，5處的兩層隔板留有的空隙從左至右逐漸增大。6個池中從左往右依次放入凈水材料顆粒狀大理石、石英砂、棉花、木炭、活性炭、二氧化氯。

（五）制作凈水器和成果展示

學生融合多學科知識和工程技術手段，通過動手操作把方案轉化成實體成果。學生在動手操作過程中，體會到水的凈化原理的實踐應用，反思方案設計的不足和改進措施，總結制作凈水器的關鍵要素。項目學習小組根據準備的相關儀器和凈水材料，選擇設計方案進行凈水器的制作，得到如圖4所示的成果一和如圖5所示的成果二。

生：我們組按照設計方案進行儀器組裝制作凈水器，組裝完畢后測試凈水效果，發(fā)現水還是渾濁的。

師：你們的凈水器設計很不錯，但是凈水效果不佳，是什么原因造成的？

生：我覺得應該是水流太快，凈水效果不明顯。

師：經過處理后的水仍然有些許渾濁又該如何解決？

生：我們組打算把凈化后的水進行二次凈化。

師：制作出的凈水器如果要實現多次對水自動循環(huán)凈化，不用手動重新操作，還應該添加一個什么裝置？

生：增加一個水泵，實現水的循環(huán)流動。

在制作和成果展示過程中，學生遇到問題及時反思與糾正，通過反復測試對凈水器進行修正、補充和完善，科學探究與實踐核心素養(yǎng)得到有效提升。在以上項目學習過程中，教師注重學生自評、學生互評和教師點評的多維評價，從中突顯學生學習的主體地位，提高了學生的學習效能。

四、項目反思

項目反思是教師和學生都需要參與的重要環(huán)節(jié)，是再一次改進和完善項目式學習過程的過程。項目反思讓師生回顧整個項目的每一個環(huán)節(jié)，從實踐經驗中積累經驗，改進不足，加深對項目式學習的認識和理解，為下一次設計與實施更有質量的項目奠定基礎。

在“模擬自來水廠凈水器的制作”項目中，學生討論和選擇生活中不同的凈水材料，教師沒有給予足夠的時間讓學生分析選擇的理由，也沒有給學生搭建選擇更優(yōu)凈水材料的模型，以至于未能在實驗中對凈水材料進行對比選擇。生活中可用于凈水的材料很多，學生最后主要參考人教版化學九年級上冊第四單元課題2中的課外實驗——簡易凈水器，可見學生創(chuàng)新思維受到限制。在成果展示環(huán)節(jié)，凈水效果只能靠學生主觀感受，沒有準確的數據支撐。如果設備條件允許，可加入電導率的測試檢驗凈水效果，在方便凈水材料選擇的同時也可以更直觀地了解可溶性雜質的最終去除效果，有數據的直觀比對，更有利于分析，也更有利于培養(yǎng)學生的科學態(tài)度與責任。

在初中化學教學中實施跨學科項目式學習，教師引導學生結合所學的生物學和物理知識，閱讀相關資料并從中提取信息，進行多學科融合的項目方案設計和優(yōu)化。在項目實施的過程中，教師始終堅持情境化問題解決的教學方式，設計有層次的問題驅動，引導學生帶著問題進行深度學習。學生在不同的情境中靈活運用多學科知識解決問題，認識到知識的應用可源于教材并高于教材。項目式學習以學生為中心，尊重學生的探究活動，學生在知識的獲取、整合、再處理以及對項目成果不斷完善的過程中培養(yǎng)了溝通交流、團結協作、創(chuàng)新思維、分析和解決問題的能力，實現了化學觀念、科學思維、科學探究與實踐、科學態(tài)度與責任等核心素養(yǎng)的全面提升。

參考文獻

［1］滿霞，秦晉，楊燕，等.核心素養(yǎng)導向下的“跨學科—項目式”教學設計：以“我?guī)偷巨r選好種”為例［J］.化學教學，2020（10）：50-55.

［2］張鵬.如何在初中化學課堂教學中實施項目式學習［J］.天津教育，2020（33）：88-89.

［3］張昕，葉燕珠.STEM視域下中學化學項目式學習的思考與實踐：以“84消毒液的科學使用與制備”為例［J］.福建教育，2020（37）：60-61.

作者簡介：鄧海英（1983— ），廣西柳州人，一級教師，研究方向為初中化學教學；張智（1984— ），廣西北海人，高級教師，研究方向為初中化學教學。

（責編 韋榕峰）