基于“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”的初中化學(xué)跨學(xué)科教學(xué)實踐

姜淼 姜曉明

［基金項目］本文系2022年度福州市教育科學(xué)規(guī)劃領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室立項課題“‘雙減背景下中學(xué)化學(xué)跨學(xué)科實踐教學(xué)研究”（課題編號：FZ2022ZX036）、2023年度福建省教育科學(xué)規(guī)劃領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室立項課題“新課標(biāo)視域下中學(xué)化學(xué)跨學(xué)科教學(xué)實踐研究”（立項批準(zhǔn)號：FJJKZX23-265）的研究成果之一。

［摘 要］文章針對二氧化碳過量排放導(dǎo)致氣候變暖等環(huán)境問題，以碳元素在生物圈、水圈、巖石圈的循環(huán)為主要研究對象，開展“碳中和理念下的低碳行動方案設(shè)計”的跨學(xué)科教學(xué)，從化學(xué)的視角探究二氧化碳的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化，在跨學(xué)科教學(xué)中促進(jìn)學(xué)生發(fā)展元素觀、變化觀等化學(xué)觀念，進(jìn)一步建構(gòu)“可持續(xù)發(fā)展”“系統(tǒng)與模型”等跨學(xué)科大概念，落實核心素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］跨學(xué)科實踐；碳中和；學(xué)科育人；可持續(xù)發(fā)展

［中圖分類號］? ? G633.8? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）35-0071-04

一、教學(xué)主題分析

《義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》的“化學(xué)與社會·跨學(xué)科實踐”主題中，首次提出跨學(xué)科實踐活動的思路，明確了“化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展”的概念，引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識化學(xué)在解決資源、能源、材料、環(huán)境、人類健康等問題中的作用，樹立建設(shè)美麗中國、為全球生態(tài)安全作貢獻(xiàn)的信念，主動踐行節(jié)約資源、環(huán)境友好的生活方式，樹立人與自然和諧共生的科學(xué)自然觀和綠色發(fā)展觀［1］。

全球氣候問題是當(dāng)今人類面臨的重大危機(jī)。為了應(yīng)對氣候變化所帶來的問題，2020年9月，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上宣布：中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。要想實現(xiàn)碳中和，需要從物質(zhì)的多樣性以及“化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展”的學(xué)科大概念統(tǒng)攝學(xué)習(xí)內(nèi)容，引導(dǎo)學(xué)生基于碳元素的轉(zhuǎn)化、循環(huán)以及二氧化碳的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化，理解碳中和思想，并能運(yùn)用跨學(xué)科知識綜合分析、認(rèn)識碳中和的重要性，探索并踐行低碳行動，從而促進(jìn)學(xué)生形成科學(xué)觀念，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任感。

二、教學(xué)目標(biāo)

（1）知道大氣中二氧化碳的來源及對環(huán)境帶來的影響，從元素守恒、物質(zhì)轉(zhuǎn)化的視角簡單解釋減少二氧化碳的產(chǎn)生和排放、促進(jìn)二氧化碳的轉(zhuǎn)化和吸收的方法，討論實現(xiàn)碳中和的可行性。

（2）認(rèn)識我國能源使用現(xiàn)狀，討論在工業(yè)生產(chǎn)中減少二氧化碳排放的具體方法，從化學(xué)和跨學(xué)科視角出發(fā)，從科學(xué)、技術(shù)、社會、政策等方面設(shè)計、評價低碳行動的方案，認(rèn)識綜合運(yùn)用科學(xué)、技術(shù)、工程等解決實際問題的重要性，提高社會責(zé)任感和實踐能力。

（3）通過學(xué)習(xí)活動，發(fā)展元素觀、變化觀、價值觀，學(xué)會多角度綜合分析、評價低碳行動方案的可行性；在分析、解決實際問題的過程中發(fā)展批判性思維能力，建構(gòu)“化學(xué)與可持續(xù)發(fā)展”跨學(xué)科大觀念［2］。

三、教學(xué)流程

“碳中和理念下的低碳行動方案設(shè)計”教學(xué)流程如圖1所示。

四、教學(xué)實錄

教師：大家知道什么是溫室效應(yīng)嗎？請查閱資料，了解溫室效應(yīng)會造成怎樣的危害。

學(xué)生1：溫室效應(yīng)是二氧化碳等氣體吸收地面輻射的紅外線所導(dǎo)致的地球溫度上升。地球溫度升高會使冰川消融、海平面上升等，對自然生態(tài)系統(tǒng)和地球生命系統(tǒng)造成嚴(yán)重危害。

教師：碳排放無處不在，我們的呼吸、飲食、學(xué)習(xí)、出行都會留下碳的“足跡”。圖2是全球二氧化碳排放量與平均氣溫變化走勢圖，目前溫室效應(yīng)已成為全球性問題。為了實現(xiàn)控制溫室氣體排放的目標(biāo)，碳中和已經(jīng)成為國際社會普遍認(rèn)同的治理方式之一。

設(shè)計意圖：通過介紹溫室效應(yīng)的現(xiàn)狀及全球氣候變化所引發(fā)的環(huán)境問題，使學(xué)生樹立保護(hù)環(huán)境的觀念，培養(yǎng)社會責(zé)任感。

教師：大家知道二氧化碳的產(chǎn)生途徑有哪些嗎？

學(xué)生2：動植物的呼吸，有機(jī)質(zhì)的溶解、發(fā)酵和腐敗，石油、煤炭以及其他化石能源的燃燒，都會釋放出大量的二氧化碳，對環(huán)境造成危害。

教師：既然如此，千百年來自然界中的二氧化碳含量又是怎樣維持基本的平衡的呢？

學(xué)生3：綠色植物會進(jìn)行光合作用，吸收二氧化碳，放出氧氣。

教師：碳是構(gòu)成生物的基本元素之一，雖然它在自然界中的蘊(yùn)藏量極為豐富，但綠色植物能夠直接利用的僅僅限于空氣中的二氧化碳（CO2）。生物圈中的碳循環(huán)主要表現(xiàn)在綠色植物從空氣中吸收二氧化碳，經(jīng)光合作用轉(zhuǎn)化為葡萄糖，并放出氧氣（O2）。在這個過程中少不了水的參與，它可以幫助有機(jī)體將葡萄糖轉(zhuǎn)換成更多的營養(yǎng)元素，從而滿足有機(jī)體自身的需求。此外，它還可以通過食物鏈將營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)換成更多的形式，如植物、微生物、動物、微藻以及其他生命類群。因此，我們可以通過研究和探索改善碳循環(huán)，以促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的平衡。讓我們通過研究二氧化碳的來源與去向，設(shè)計一個全面的生物圈碳循環(huán)圖（如圖3）。

設(shè)計意圖：根據(jù)生物圈碳元素的轉(zhuǎn)化路徑，直觀展示生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，探索可持續(xù)的生態(tài)系統(tǒng)管理策略，建構(gòu)“系統(tǒng)與模型”跨學(xué)科概念，幫助學(xué)生跨學(xué)科認(rèn)識問題的本源，提升學(xué)生解決問題的能力。

教師：除了生物圈的碳循環(huán)，自然界中還有哪些物質(zhì)能吸收二氧化碳？

學(xué)生4：二氧化碳?xì)怏w能溶于水，大氣中的二氧化碳可與水結(jié)合生成碳酸進(jìn)入海洋，同時海水中的碳酸分解又釋放出二氧化碳進(jìn)入大氣。

教師：這種交換發(fā)生在氣液交界處。海洋吸收二氧化碳的量也隨著大氣中二氧化碳含量的增加而增多。海洋是碳的重要貯存庫，每年來自礦物燃料的二氧化碳有40%被海洋吸收。水圈的碳循環(huán)如圖4所示。

學(xué)生5：查閱資料可以知道，巖石圈也存在碳循環(huán)。巖石圈中的碳來自地幔和地殼中的碳酸鹽、有機(jī)物和碳酸鹽巖等。地幔中的碳主要來自地殼的碳酸鹽和有機(jī)物的熔融，而地殼中的碳則來自大氣中的二氧化碳和陸地植物的有機(jī)物。巖石圈中的碳可以通過多種途徑進(jìn)行轉(zhuǎn)化，其中一個重要的途徑是碳酸鹽巖的形成。碳酸鹽巖是由碳酸鹽沉淀物所形成的礦物，其中的碳來自海洋中的二氧化碳。巖石圈中的碳也可以通過火山噴發(fā)和地震等地質(zhì)災(zāi)害釋放到大氣中。

教師：地球上兩個主要的碳儲備來源是巖石圈和化石燃料，它們的碳儲備比例高達(dá)99.9%，其他三個儲備來源分別是大氣圈、水圈和生物圈。這三個圈中的碳在生物和無機(jī)環(huán)境之間迅速交換，容量小而活躍，實際上起著交換庫的作用。巖石中的碳因自然和人為的各種化學(xué)作用分解后進(jìn)入大氣和海洋，同時死亡生物體以及其他各種含碳物質(zhì)又以沉積物的形式返回地殼中，由此構(gòu)成了全球碳循環(huán)的一部分。研究發(fā)現(xiàn)，碳循環(huán)對土壤、水、空氣、陸地以及海洋的溫度變化有著重要的影響。深入研究巖石圈的碳循環(huán)，有利于我們更好地理解它的機(jī)理，并且能夠更好地利用這些資源。下面請大家根據(jù)巖石圈的碳循環(huán)途徑，完成圖5中的相關(guān)轉(zhuǎn)化。

設(shè)計意圖：水圈、巖石圈和生物圈的碳循環(huán)是相互聯(lián)系并相互影響的。通過了解這些圈層之間的相互作用，學(xué)生能夠更好地理解地球碳循環(huán)的自然規(guī)律，合理利用碳循環(huán)的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而保護(hù)生態(tài)環(huán)境。

教師：以上我們了解了二氧化碳在自然界中的轉(zhuǎn)化，那么要實現(xiàn)碳中和，可以通過哪些途徑？

學(xué)生6：節(jié)能減排可以降低工業(yè)、交通、家庭等領(lǐng)域的溫室氣體排放，有效實現(xiàn)減排。比如，我們可以采取乘坐公共交通、騎自行車或者步行的方法，以減少汽油的消耗。

學(xué)生7：據(jù)統(tǒng)計，每公頃森林可吸收約25噸二氧化碳。植樹造林是一種有效實現(xiàn)碳中和的方法，它能夠提高森林的覆蓋率，吸收大量二氧化碳。

學(xué)生8：太陽能、風(fēng)能、水能等清潔能源的充分利用是未來的發(fā)展方向，通過開發(fā)和利用新能源技術(shù)可以減少化石燃料等傳統(tǒng)能源的使用，從而減少溫室氣體的排放量。我了解到，在北京冬奧會上，新能源車輛的使用比例是歷屆冬奧會最高的。氫燃料客車和純電動車已經(jīng)成為全球交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分。在本屆冬奧會上，這些車輛的應(yīng)用減少了1.1萬噸的二氧化碳排放量，幾乎等同于5萬余畝樹林每年的碳匯積累量。

學(xué)生9：環(huán)境保護(hù)和污染治理也是實現(xiàn)碳中和的重要途徑。通過提高污染排放標(biāo)準(zhǔn)、加強(qiáng)工業(yè)生產(chǎn)過程中的廢氣控制等手段，可以減少二氧化碳等溫室氣體的排放。同時，加強(qiáng)廢棄物處理和資源回收利用，可以減少廢棄物的排放，實現(xiàn)資源的再利用和能量的回收，有效地推進(jìn)碳中和。

教師：大家都分析得很好。在實現(xiàn)碳中和的道路上，從植樹造林、節(jié)能減排、推廣新能源技術(shù)，到碳交易市場、加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)和污染治理等，各種手段都可以發(fā)揮相應(yīng)的作用。只有全社會的共同努力才能夠推進(jìn)碳中和這一偉大的事業(yè)，讓地球成為更加綠色、清潔的家園。實現(xiàn)碳中和是一項長期而艱巨的任務(wù)。目前，多個國家政府已經(jīng)制定了碳達(dá)峰和碳中和的目標(biāo)，并采取了一系列政策和措施推動碳中和。例如，中國近年來發(fā)布了關(guān)于碳達(dá)峰和碳中和的重大戰(zhàn)略決策，加大了環(huán)保執(zhí)法力度，鼓勵企業(yè)使用新能源技術(shù)等，為實現(xiàn)碳中和提供了有力的支持?？梢灶A(yù)見，未來碳中和將會越來越普遍。不僅是國家層面，企業(yè)和個人也在積極行動，如綜合利用焦?fàn)t氣中的副產(chǎn)品氫氣與從工業(yè)尾氣中捕集的二氧化碳合成甲醇。目前我國建設(shè)的全球首個10萬噸級綠色甲醇工廠已經(jīng)投產(chǎn)，實現(xiàn)了對二氧化碳的資源化利用。努力降低溫室氣體的排放，不僅有利于促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展，還可為人類創(chuàng)造更加美好的未來。

設(shè)計意圖：碳中和需要進(jìn)行生產(chǎn)方式和消費(fèi)方式的變革。落實碳中和將促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，從傳統(tǒng)的高能耗、高污染型工業(yè)向更加環(huán)保、可持續(xù)、低碳的新型工業(yè)模式轉(zhuǎn)型。了解相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，可以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，從而積極投身碳中和事業(yè)。

五、關(guān)于跨學(xué)科教學(xué)實踐的教學(xué)反思

2022年版義務(wù)教育課程方案圍繞發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)精選和設(shè)計課程內(nèi)容，設(shè)置“跨學(xué)科主題”學(xué)習(xí)活動，要求跨學(xué)科主題占本學(xué)科總課時不少于10%?？鐚W(xué)科教學(xué)結(jié)合多個學(xué)科的知識與技術(shù)，可以讓學(xué)生從中獲得全面的認(rèn)知，使得整個課堂的教學(xué)效果大大提升，同時還能幫助學(xué)生更好地適應(yīng)未來的工作和學(xué)習(xí)。

（1）跨學(xué)科教學(xué)可以提高學(xué)生的創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力。通過跨學(xué)科的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以更好地理解不同領(lǐng)域的知識，將這些知識融合在一起，從而創(chuàng)造出新的想法和解決方案，激發(fā)創(chuàng)造力和創(chuàng)新能力。通過激活生活經(jīng)驗、數(shù)據(jù)分析、思考討論等活動，學(xué)生了解了溫室效應(yīng)及其對環(huán)境的影響，提高了學(xué)習(xí)二氧化碳的產(chǎn)生、性質(zhì)與轉(zhuǎn)化等基礎(chǔ)知識的主動性與積極性，并能依據(jù)生活經(jīng)驗和實驗探究活動學(xué)習(xí)二氧化碳的產(chǎn)生、制取以及二氧化碳的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化。

（2）跨學(xué)科教學(xué)可以提高學(xué)生的批判性思維能力。跨學(xué)科教學(xué)可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)不同學(xué)科的思考方式和學(xué)習(xí)方法，從而培養(yǎng)他們的批判性思維能力。學(xué)生通過討論、交流，從多角度分析、探討運(yùn)用化學(xué)學(xué)科和跨學(xué)科知識與思維實現(xiàn)碳中和、實行低碳行動的必要性和可行性。

（3）跨學(xué)科教學(xué)可以幫助學(xué)生更好地適應(yīng)未來的工作和生活?，F(xiàn)代社會對人才的要求越來越高，需要人們具備多學(xué)科的知識和技能。跨學(xué)科教學(xué)可以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)不同學(xué)科的知識和技能，從而更好地適應(yīng)這種趨勢。在跨學(xué)科教學(xué)中，教師通過任務(wù)驅(qū)動學(xué)生運(yùn)用化學(xué)學(xué)科和跨學(xué)科知識技能，結(jié)合科學(xué)、技術(shù)、社會政策等方面設(shè)計、評價低碳行動的各種方案，從而提高學(xué)生的實踐能力，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和社會責(zé)任感。

跨學(xué)科教學(xué)是一種重要的教育模式，它可以提高學(xué)生的綜合能力，幫助他們更好地適應(yīng)未來的工作和生活。學(xué)生開展跨學(xué)科學(xué)習(xí)的前提是教師實施跨學(xué)科教學(xué)。學(xué)校應(yīng)該在教育中加強(qiáng)跨學(xué)科教學(xué)的實踐，以培養(yǎng)具有創(chuàng)造力、批判性思維能力和未來社會適應(yīng)能力的學(xué)生。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2022年版［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

［2］? 胡久華，褚童，王靜波，等.大概念統(tǒng)領(lǐng)的項目式學(xué)習(xí)：基于碳中和理念設(shè)計低碳行動方案［J］.化學(xué)教育（中英文），2022（9）：6-14.

（責(zé)任編輯 羅 艷）